Tài liệu Đề tài " Tìm hiều tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất " pdf

Để hiểu rõ hơn về các dịch vụ tích hợp thông tin vị trí với mạng thông tin di động em đã quyết định lựa chọn đề tài “Tìm hiểu tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 5

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BẢN ĐỒ SỐ 6

2.1 Bản đồ số là gì? 7

2.2 Tìm hiểu bản đồ số 7

2.2.1 Dữ liệu bản đồ số 7

2.2.1.1 Khái niệm dữ liệu không gian 7

2.2.1.2 Ví dụ về dữ liệu không gian 7

2.2.2 Phân biệt trường dữ liệu không gian tương tự và dữ liệu không gian số 8

2.3 Các định dạng dữ liệu 9

2.4 Dữ liệu vector trong bản đồ số 10

2.4.1 Các điểm 10

2.4.2 Các đường 11

2.4.3 Các miền 12

2.4.4 Các thuộc tính của vector dữ liệu 13

2.4.5 Kiến trúc tầng dữ liệu vector 14

2.5 Pixel và độ phân giải 15

2.5.1 Pixel 15

2.5.2 Độ phân giải 15

2.6 Ứng dụng của bản đồ số 16

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 17

3.1 Thông tin di động là gì? 18

3.2 Cấu trúc mạng thông tin di động số Cellular (Tế bào) 18

3.3 Sơ lược quá trình phát triển của hệ thống di động 20

3.4 Một số kỹ thuật đa truy nhập 23

3.4.1 TDMA - Time Domain Multiple Access (Dải băng hẹp) 23

3.4.1.1 Tổng quan TDMA 23

3.4.1.2 Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ 23

3.4.1.3 GSM - Group Special Mobile (Hệ thống truyền thông di động toàn cầu) 25 3.4.2 CDMA - Code Division Multiple Access (Dải băng rộng hay quang phổ lớn) 26

3.4.2.1 Giới thiệu CDMA 26

3.4.2.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu 27

3.4.2.3 Một số đặc tính của CDMA 27

CHƯƠNG 4 TÌM HIỂU HỆ THỐNG GPS 31

4.1 Sự ra đời của hệ thống GPS 32

4.2 Nghiên cứu các thành phần hệ thống GPS 33

4.2.1 Nghiên cứu việc thiết kế hệ thống GPS 33

4.2.2 Các thành phần hệ thống GPS 35

4.2.2.1 Phần vũ trụ 36

4.2.2.2 Phần điều khiển 40

4.2.2.3 Phần sử dụng 41

4.3 Hoạt động của hệ thống GPS 42

Trang

4.3.1 Sóng của vệ tinh GPS 42

4.3.2 Vị trí trên mặt đất được xác định như thế nào qua hệ thống GPS? 44

4.4 Ứng dụng của hệ thống GPS 47

CHƯƠNG 5 TÍCH HỢP BẢN ĐỒ SỐ, HỆ THỐNG GPS TRÊN ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG VÀ BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT 49

5.1 Tích hợp bản đồ số với GPS trên điện thoại di động 50

5.1.1 Giới thiệu chung 50

5.1.2 Một số dịch vụ dựa trên vị trí 51

5.1.2.1 Dịch vụ thông tin dựa trên vị trí 51

5.1.2.2 Tính cước theo vị trí địa lý 52

5.1.2.3 Dịch vụ khẩn cấp 52

5.1.2.4 Dịch vụ dò tìm 52

5.1.3 Các kỹ thuật định vị thuê bao di động 53

5.1.3.1 Kỹ thuật Cell-ID 53

5.1.3.2 A-GPS (Assisted GPS - hỗ trợ GPS) 54

5.1.3.3 Phương pháp kết hợp 56

5.2 Bài toán tìm đường đi ngắn nhất trên PocketPC 57

5.2.1 Giới thiệu bài toán 57

5.2.2 Thuật toán sử dụng trong bài toán 58

5.2.3 Dữ liệu bản đồ 61

5.2.4 Lập trình 62

5.2.5 Một số hình ảnh của chương trình 64

5.2.6 Đánh giá chương trình 66

5.2.6.1 Các điểm đã đạt được 66

5.2.6.2 Các điểm chưa đạt được, hướng phát triển 66

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 68

PHỤ LỤC 70

1 Niên biểu phát triển của hệ thống GPS 71

2 Một số vệ tinh GPS 80

3 Hệ thống điện thoại di động vùng Bắc Âu (NMT) 82

4 Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS) 83

5 Kỹ thuật E-OTD 85

6 Một số khai báo lớp và định nghĩa hàm chương trình bài toán tìm đường đi ngắn nhất 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

THỐNG KÊ HÌNH ẢNH, CÁC BẢNG Hình 2-1 Bản đồ số Hà Nội 8

Hình 2-2 So sánh giữa bản đồ số và bản đồ giấy 10

Hình 2-3 Biểu diễn các điểm trong hệ tạo độ 10

Hình 2-4 Biểu diến đường nối các điểm 11

Hình 2-5 Miền giới hạn 12

Hình 2-6 Bản đồ số về đường Hà Nội 13

Hình 2-7 Bản đồ được chia làm các Pixel 15

Hình 2-8 Độ phân giải 15

Hình 3-1 Hệ thống điện thoại di động 18

Hình 3-2 Hệ thống điện thoại di động 19

Hình 3-3 Sự phát triển của hệ thống di động 20

Hình 3-4 PhổTDMA 23

Hình 3-5 Cấu trúc khung 24

Hình 3-6 Dạng khe thời gian từ máy di động đến trạm gốc 24

Hình 3-7 Dạng khe thời gian từ trạm gốc tới máy di động 25

Hình 3-8 Đường kết nối trong khi chuyển vùng mềm 28

Hình 3-9 Giao thoa từ BS bên cạnh 29

Hình 4-1 Các thành phần của hệ thống GPS 36

Hình 4-2 Các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo 36

Hình 4-3 Vệ tinh GPS thế hệ mới 37

Hình 4-4 Vệ tinh Block I 38

Hình 4-5 Vị trí các trạm điều khiển vệ tinh GPS 40

Hình 4-6 Thiết bị nhận GPS cài đặt sẵn trên xe Honda Accord 42

Hình 4-7 Thu tín hiệu vệ tinh GPS 45

Hình 4-8 Vệ tinh GPS truyền tín hiệu về trái đất 46

Hình 4-9 3 hình cầu giao nhau tai 2 điểm vị trí sẽ xác định được chính xác 46

Hình 5-1 Mô hình kết hợp Mobile, GPS, DigitalMap 50

Hình 5-2 Phần mềm tìm đường Wayfinder trên mobile 51

Hình 5-3 Xe ô tô được gắn thiết bị thu GPS 52

Hình 5-4 Cell-ID kết hợp với Cell-sector hoặc TA 54

Hình 5-5 Nguyên lý hoạt động của A-GPS 55

Hình 5-6 Bản đồ được chia thành các ô - cell 61

Hình 5-7 Bản đồ số trên PocketPC 64

Hình 5-8 Kết quả tìm đường đi 65

Hình 5-9 Hình ảnh bản đồ số phóng to 66

Hình 0-1 Vệ tinh Block IIA 80

Hình 0-2 Vệ tinh Block IIA 81

Hình 0-3 Vệ tinh Block IIF 81

Hình 0-4 Nguyên lý hoạt động của E-OTD 85

Bảng 2-1So sánh trường dữ liệu không gian tương tự và dữ liệu không gian số 8

Bảng 4-1 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block I 38

Bảng 4-2 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block II 39

Bảng 4-3 Một số máy định vị GPS 42

Bảng 5-1 Đặc tính kỹ thuật A-GPS 55

Bảng 5-2 Đặc tính phương pháp kết hợp 56

Bảng 0-1 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block IIF 82

Lời Nói Đầu

Những năm qua, sự phát triển mạnh mẽ của hai nghành công nghệ thông tin và công nghệ viễn thông đã cung cấp ngày càng nhiều loại hình dịch vụ mới đa dạng, chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu của khách hàng

Thế kỷ 21 đã và đang chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ thông tin trong đó thông tin đóng vai trò rất quan trọng Thông tin vị trí đã được phát triển từ những năm 70 của thế kỷ trước Từ khi bắt đầu phát triển cho đến nay, thông tin vị trí phát triển rất mạnh, khẳng định vai trò quan trọng trong các lĩnh vực đời sống con người Ngày nay, với việc đưa vào hoạt động hệ thống định vị toàn cầu GPS thì thông tin vị trí đã được xác định đơn giản và có độ chính xác cao Song song với việc phát triển của thông tin vị trí, mạng thông tin di động cũng phát triển rất mạnh mẽ tạo điều kiện cho các dịch vụ tích hợp thông tin vị trí với mạng thông tin di động ra đời

Để hiểu rõ hơn về các dịch vụ tích hợp thông tin vị trí với mạng thông tin di động

em đã quyết định lựa chọn đề tài “Tìm hiểu tích hợp bản đồ số, hệ thống GPS trên điện thoại di động và bài toán tìm đường đi ngắn nhất” Bài toán tìm đường đi ngắn nhất của

em trình bày mới chỉ dừng lại ở mức minh họa cho sự tích hợp bản đồ số trên điện thoại

di động

Nội dung chính của luận văn gồm:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của Thầy Phạm Hồng Nguyên cùng các thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học, kỹ thuật… nhu cầu con người ngày vì thế ngày càng được nâng cao cả về chất lượng và số lượng Thiết bị di động ngày càng khẳng định vị trí quan trọng của mình trong đời sống con người… Khi mới ra đời thiết bị di động thật là một kì tích của khoa học, các nhà cung cấp mạng di động đã giúp con người “xích lại gần nhau hơn” Chúng ta có thể nghe thấy giọng nói của một người cách mình nửa vòng trái đất mà chỉ cần một chiếc điện thoại di động rồi là nhiều tiện ích khác nữa mà thiết bị di động đem đến cho con người: nhắn tin, chơi games, các dịch vụ WAP(Wireless Application Protocol – giao thức ứng dụng không dây) như lướt Web trực tuyến, kiểm tra thư Yahoo, nghe nhạc, xem truyền hình trực tuyến và một ứng dụng đặc biệt trên thiết bị di động mà ta sẽ trình bày trong bài luận văn này đó

là: “tích hợp bản đồ số và GPS trên thiết bị di động” – tức là ta sẽ nghiên cứu sự tích

hợp bản đồ số vào thiết bị di động sau đó dựa vào tín hiệu thu được từ hệ thống GPS - Global Positioning System (hệ thống định vị toàn cầu) để xử lí, đáp ứng yêu cầu của người dùng (ví dụ như việc tìm đường đi trên thiết bị di động)

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU BẢN ĐỒ SỐ

2.1 Bản đồ số là gì?

2.2 Tìm hiểu bản đồ số2.2.1 Dữ liệu bản đồ số2.2.1.1 Khái niệm dữ liệu không gian2.2.1.2 Ví dụ về dữ liệu không gian2.2.2 Phân biệt trường dữ liệu không gian tương

tự và dữ liệu không gian số2.3 Các định dạng dữ liệu2.4 Dữ liệu vector trong bản đồ số2.4.1 Các điểm

2.4.2 Các đường2.4.3 Các miền2.4.4 Các thuộc tính của vector dữ liệu2.4.5 Kiến trúc tầng dữ liệu vector2.5 Pixel và độ phân giải

2.5.1 Pixel2.5.2 Độ phân giải2.6 Ứng dụng của bản đồ số

Nội dung

2.1 Bản đồ số là gì?

Bản đồ số là loại bản đồ được thành lập dưới dạng cơ sở dữ liệu máy tính trên cơ sở

xử lý số liệu nhận được từ các thiết bị quét chuyên dụng, ảnh hàng không, ảnh vệ tinh, viễn thám hoặc số hóa các bản đồ được chế tác theo phương pháp cổ điển, trong đó toàn

bộ thông tin về các đối tượng được mã hóa thành dữ liệu số và lưu giữ trên các băng, đĩa

từ, đĩa quang… Thông tin trong bản đồ số thường được tổ chức quản lý theo các lớp, tập hợp các dữ liệu có cùng thuộc tính (vùng, đường, điểm, chữ) về các đối tượng cùng loại, thể hiện một nội dung của bản đồ tổng thể Số lượng các lớp tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể, nguồn cung cấp dữ liệu (các cơ sở dữ liệu ảnh quét có thể cho hàng trăm lớp) và khả năng quản lý của phần mềm chuyên dùng Tùy theo yêu cầu sử dụng, các lớp thông tin có thể được hiển thị trên màn hình hoặc in trên giấy với tỉ lệ tùy chọn, riêng biệt hoặc chồng xếp với nhau tạo thành các bản đồ theo tỉ lệ thích hợp

Bản đồ số là sự thể hiện những thông tin về không gian xung quanh chúng ta ở dạng

số trong sự liên kết với các thiết bị điện tử khác như máy tính điện tử, hệ thống định vị toàn cầu GPS

2.2 Tìm hiểu bản đồ số

2.2.1 Dữ liệu bản đồ số

Dữ liệu bản đồ số chỉ là một ví dụ của dữ liệu số và nó được sử dụng trong việc tạo ra các bản đồ Dữ liệu bản đồ số có thể được sử dụng kết hợp các loại khác của dữ liệu không gian - nó không hoàn toàn là “dữ liệu bản đồ số” Sau đây ta tìm hiểu một chút

về dữ liệu không gian

2.2.1.1 Khái niệm dữ liệu không gian

Dữ liệu không gian là dữ liệu có một vài mẫu không gian hoặc địa lý_ chúng được đặt vào trong không gian hai hay ba chiều

2.2.1.2 Ví dụ về dữ liệu không gian

• Các bản đồ:

Có thể là các bản đồ giấy, hay số

Hình 2-1 Bản đồ số Hà Nội

• Các danh sách, các bản dữ liệu, dữ liệu trường…

2.2.2 Phân biệt trường dữ liệu không gian tương tự và dữ liệu không gian số

Bảng 2-1So sánh trường dữ liệu không gian tương tự và dữ liệu không gian số

1 Bản đồ giấy Bản đồ số

3 Cần được chuyển sang định dạng

số

Đã ở dạng số Không tải và không copy được Có thể tải vể hay copy

2.3 Các định dạng dữ liệu

Bản đồ số thường được lưu trữ dưới một số định dạng dữ liệu, và có các chương trình phần mềm tương ứng xử lí Định dạng phổ biến nhất của bản đồ số dựa trên kỹ thuật Vector, vì thế các định dạng Vector là phổ biến nhất Dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu qua

về các định dạng này:

• Arc Export: là một định dạng chuyển đổi, mã ASCII hay nén vào trong mã nhị phân

sử dụng các file truyền giữa các phiên bản khác nhau của ARC/INFO Nó chỉ làm việc với các sản phẩm ESRI( Environmental Systems Research Institute - Viện nghiên cứu các hệ thống môi trường)

• AutoCAD" Drawing Files (DWG): thực chất là một định dạng riêng dành cho phần mềm AutoCAD, các phần mềm dành cho thiết kế, biên tập…

• Autodesk’s Data Interchange File (DXF) Format: DXF sử dụng định dạng chuyển đổi vector dữ liệu Nó có một số lợi thế rất lớn, như nó chứa rất nhiều thông tin mà nhiều chương trình đồ họa đọc được

• MapInfo Map Files: có định dạng nhị phân riêng cho nó, được gọi là Map File Đặc biệt nó không sử dụng được ngoài hệ thống của MapInfo

• Digital Line Graphs (DLG): một định dạng chuyển đổi bởi USGS(US Geological Survey), nó miêu tả các thông tin của vector trên các bản đồ máy in

• MapInfo" Data Transfer Files (MIF/MID): là một chuyển đổi chuẩn được sử dụng trong MapInfo, và hệ thống bản đồ màn hình Nó chứa tất cả 3 loại của GIS1: không gian, thuộc tính và hiển thị Các thuộc tính liên kết là ẩn trong định dạng file

• MicroStation Design Files (DGN): đây là một định dạng đóng, được sử dụng bởi một chương trình CAD do Bentley Systems Inc.’s MicroStation

• Spatial Data Transfer System (SDTS): là một kiểu định dạng mới được phát triển bởi chính phủ Mĩ, nó được tạo ra để xử lí tất cả dữ liệu không gian SDTS có thể là mã ASCII, nhưng thường là mã nhị phân

• Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing Files (TIGER): là một định dạng được sử dụng bởi US Census Bureau-cục điều tra dân số Mĩ để lưu trữ bản đồ đường được vẽ trong cuộc điều tra năm 1990 Nó chứa tọa độ không gian, các đường thẳng, nhưng không chứa các đa giác

Vector Product Format (VPF): VPF đây là một định dạng nhị phân được sử dụng bởi

US Defense Mapping Agency Nó mang thông tin không gian và thuộc tính nhưng không hiển thị dữ liệu

2.4 Dữ liệu vector trong bản đồ số

Chúng ta biết rằng bản đồ số được xây dựng dựa trên kỹ thuật vector và theo kỹ thuật này có thể hiểu bản đồ số được tạo từ các dữ liệu vector, đó là: các điểm, các đường và các vùng( hay còn gọi là các lớp của bản đồ số)

Hình 2-2 So sánh giữa bản đồ số và bản đồ giấy

Hình bên trái là hình vẽ bằng tay,còn hình bên phải là hình sử dụng trong bản đồ số

2.4.1 Các điểm

Mỗi một điểm riêng lẻ được biểu diễn bởi 2 tọa độ x, y Ví dụ điểm A(2,5),B(3,4)

Hình 2-3 Biểu diễn các điểm trong hệ tạo độ

X,Y là tọa độ của điểm

Còn nhiều điểm MultiPoint thì khai báo như sau:

Parts chỉ số của điểm đầu tiên trong một phần

Points các điểm cho tất cả các phần

Box được lưu trong trình tự Xmin, Ymin, Xmax, Ymax

NumParts là số vòng trong miền Polygon

NumPoints tổng số các điểm

Parts chỉ số của điểm đầu tiên trong một phần

Points các điểm cho tất cả các phần

• Các ví dụ

Các điểm, đường, vùng như:

Đường biên của tòa nhà, đồng ruộng…

2.4.4 Các thuộc tính của vector dữ liệu

Các thuộc tính dễ dàng sửa đổi và thêm, xóa ví dụ chúng ta có thể thay đổi số điện thoại, tên tuyến phố mà nó thuộc (ít xảy ra…)

2.4.5 Kiến trúc tầng dữ liệu vector

Kiến trúc tầng là một thành phần quan trọng trong dữ liệu vector Nó chỉ ra sự “thông minh” của dữ liệu vector Nó gồm có 3 thành phần:

• Liên kết:

Các đặc tính trong dữ liệu có thể được liên kết lại với nhau Trong mô hình dữ liệu vector, thông tin về các liên kết có thể được cất dữ và sử dụng trong việc phân tích của các mạng.( ví dụ: hệ thống mạng lưới đường ống dẫn nước hay dòng sông)

• Sự liền kề:

Một dãy nhà liền kề dùng chung một vách ngăn có thể là một ví dụ của sự liền kề Cấu trúc của dữ liệu cho phép “vách ngăn” này được lưu trữ trong cùng dữ liệu, với các thông tin chính là các thông tin thuộc về sự xây dựng ở cả 2 bên “vách ngăn”

• Chính sách ngăn chặn:

Các hòn đảo và các hồ cần được mã hóa một cách đặc biệt để chắc chắn rằng nó được hiển thị và phân tích một cách chính xác

2.5 Pixel và độ phân giải

2.5.1 Pixel

Hình 2-7 Bản đồ được chia làm các Pixel

Mỗi Pixel là đơn vị nhỏ nhất của thông tin trong lưới, hiện thị một thuộc tính duy nhất Một ảnh được tạo nên từ nhiều Pixel

2.5.2 Độ phân giải

Đây là một đặc tính quan trọng của dữ liệu khung, nó quyết định cái nhỏ nhất mà mắt người có thể nhìn thấy trong ảnh

Hình 2-8 Độ phân giải

Độ phân giải là đơn vị bản ghi nhỏ nhất hay đặc điểm tối thiểu là có thể vẽ và đo đạc được Như ở hình trên độ phân giải của dữ liệu là 10m điều này có nghĩa là bất kì một đối tượng nào trên mặt đất diện tích dưới 10m2 sẽ không được hiển thị trên bản đồ

2.6 Ứng dụng của bản đồ số

Bản đồ số có ứng dụng rất lớn trong quân sự, du lịch, phục vụ các nhu cầu của con người rất lớn…

• Bản đồ số phục vụ đời sống con người

Chỉ với chiếc máy có hỗ trợ hệ thống GPS(Global Positioning System) - hệ thống định vị toàn cầu, kết hợp với cái bản đồ số trong thiết bị bạn có thể biết được vị trí nơi bạn cần đến đi theo đường nào là thuận lợi nhất( ví dụ đường đi ngắn nhất), Hay sản phẩm xác định vị trí qua vệ tinh bằng quần lót GPS sản phẩm của hãng Panchira (Nhật)

sử dụng hệ thống định vị pantyMap, nhúng vào các sợi vải một cách tinh vi khiến người mặc không thể phát hiện Những ông chồng hay ghen hoặc các ông bố khó tính có thể mua cho vợ và con gái để bảo vệ “hàng nhà”, những chiếc xe ô tô được lắp đặt hệ thống dẫn đường có gắn hệ thống GPS giúp cho việc đi lại trong thành phố dễ hơn nhiều, và không sợ bị lạc đương nhiên là bản đồ số được áp dụng tối đa trong trường hợp này Việt Nam có bản đồ số địa hình tỉ lệ 1:50.000, 573 mảnh bản đồ số Ngoài ra còn có 98 mảnh bản đồ địa hình biên giới Việt - Lào, Việt Nam - Trung Quốc, và 69 mảnh bản đồ địa hình đáy biển Các mảnh bản đồ số này bao gồm 7 tập tin cho phép người sử dụng có thể tìm hiểu thông tin về cơ sở toán học, thủy hệ, địa hình, giao thông, dân cư, ranh giới, thực vật và có thể tạo mô hình không gian 3 chiều cho bề mặt địa hình

Bản đồ, lưới toạ độ quốc gia và các trạm GPS là những tài liệu điều tra cơ bản được xây dựng theo chuẩn thống nhất, đảm bảo cung cấp thông tin nhanh, chính xác cho mọi hoạt động quản lý nhà nước, phát triển kinh tế, xã hội, bảo vệ đất nước, nghiên cứu khoa học

• Bản đồ số phục vụ quân đội

Trong quân sự bản đồ là cực kì quan trọng, đặc biệt là bản đồ số Bởi tính chính xác rất cao cũng như khả năng kết hợp với hệ thống GPS… đã là một thứ vũ khí lợi hại trong quân sự Các trận đánh trở nên hiệu quả hơn, mục tiêu chính xác rất cao…

CHƯƠNG 3 TÌM HIỂU VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

3.1 Thông tin di động là gì?

3.2 Cấu trúc mạng thông tin di động số Cellular (Tế bào)3.3 Sơ lược quá trình phát triển của hệ thống di động3.4 Một số kỹ thuật đa truy nhập

3.4.1 TDMA - Time Domain Multiple Access (Dải băng hẹp)

3.4.1.1 Tổng quan TDMA3.4.1.2 Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ

3.4.1.3 GSM- Group Special Mobile (Hệ thống truyền

thông di động toàn cầu)3.4.2 CDMA - Code Division Multiple Access (Dải băng rộng hay quang phổ lớn)

3.4.2.1 Giới thiệu CDMA3.4.2.2 Thủ tục phát/thu tín hiệu3.4.2.3 Một số đặc tính của CDMA

Nội dung

3.1 Thông tin di động là gì?

Trước hết chúng ta cần biết rằng thuật ngữ “Thông tin di động” đã có từ lâu và được hiểu như là có thể cung cấp một cách lưu động trong quá trình thông tin Thông tin di động có thể thực hiện được nhiều dịch vụ di động như: truyền thoại, truyền số liệu, Fax, nhắn tin Trước đây mạng lưới thông tin di động chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và ngày nay đã được thương mại hóa và được đưa vào sử dụng rộng rãi

3.2 Cấu trúc mạng thông tin di động số Cellular (Tế bào)

Toàn bộ vùng phục vụ của hệ thống điện thoại di động Cellular được chia thành nhiều vùng phục vụ nhỏ, có dạng một tổ ong hình lục giác Trong mỗi cell2 có một trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) BTS liên lạc vô tuyến với tất cả các máy thuê bao di động MS (Mobile Station) có mặt trong cell MS có thể di động giữa các cell và nó phải được chuyển giao để làm việc với một BTS liền kề mà nó hiện đang trong vùng phủ song

mà không làm gián đoạn cuộc gọi

Hình 3-1 đưa ra một mạng điện thoại di động tổ ong bao gồm các trạm gốc (BTS) Vùng phục vụ của một BTS được gọi là cell và nhiều cell được kết hợp lại thành vùng phục vụ của hệ thống

Hình 3-1 Hệ thống điện thoại di động

Cấu trúc mạng thông tin số Cellular:

Hình 3-2 Hệ thống điện thoại di động

NSS: Network Switching Subsystem: Hệ thống chuyển mạch

MSC: Mobile Service Switching Centre: Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động

HLR: Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú

VLR: Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú

ÃUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực

EIR: Equipment Indentification Register: Thanh ghi nhận dạng thiết bị

BSS: Base Station System: Hệ thống trạm gốc

BSC: Base Station Controller: Đài điều khiển trạm gốc

BTS: Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc

OSS: Operation & Support Station: Hệ thống con khai thác và bảo dưỡng

NMC: Network Management Centre: Trung tâm quản lý mạng

PSTN: Public Swiched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

PLMN: Public Land Mobile Network: Mạng di động mặt đất

ISDN: Integrated Switched Digital Network: Mạng số liên kết đa dịch vụ

MS: Mobile Station: Trạm di động

Hệ thống khái thác và bảo dưỡng OSS mặc dù không thuộc thành phần của mạng thông tin di động nhưng nó liên quan chặt chẽ với mạng đó là trạm di động MS thuộc người sử dụng

Trong mỗi một BSS có một bộ điều khiển trạm gốc BSC điều khiển một nhóm BTS về các chức năng như chuyển giao và điều khiển công suất

Trong mỗi SS, một trung tâm chuyển mạch của PLMN, gọi tắt là tổng đài di động MSC phục vụ nhiều BSC hình thành cấp quản lý vùng lãnh thổ gọi là vùng phục vụ MSC bao gồm nhiều vùng định vị

Do yêu cầu quản lý về nhiều mặt đối với MS của mạng di động Cellular (tế bào) dẫn đến cơ sở dữ liệu lớn Bộ ghi định vị thường trú HLR chứa các thông tin về thuê bao như các dịch mà thuê bao lựa chọn và các thông tin số nhận thực Vị trí hiện thời của MS được cập nhật qua bộ ghi định vị tạm trú VLR cũng được chuyển đến HLR

Trung tâm nhận thực AUC có chức năng cung cấp cho HLR các thông số nhận thực và các khoá mật mã Mỗi MSC có một VLR

Khi MS di động vào một vùng phục vụ MSC mới thì VLR yêu cầu HLR cung cấp các số liệu về MS này đồng thời VLR cũng thông báo cho HLR biết MS nói trên đang ở vùng phục vụ nào VLR có đầy đủ các thông tin để thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu của người sử dụng Một MSC đặc biệt (gọi là MSC cổng) đươợ PLMN giao cho chức năng kết nối giữa PLMN với các mạng cố định

3.3 Sơ lược quá trình phát triển của hệ thống di động

Kể từ khi có sự ra đời của điện thoại di động, vị trí của nó trong thị trường đã phát triển một cách chóng mặt bắt đầu từ một thiết bị sơ khai, một vật chuyên biệt, rồi trở thành một vật dụng thực sự cần thiết đối với việc giải trí và kinh doanh Khoảng từ những năm 80 trở lại đây, kết hợp với sự giảm đáng kể chi phí cho hoạt động và sự phát triển của những ứng dụng và dịch vụ mới lạ, sự tiến triển trong công nghệ di động đã khẳng định một thị trường lớn mạnh Vào khoảng giữa năm 2000, ở châu Âu có trên 220 triệu thuê bao di động, và trên toàn cầu, con số này là 580 triệu Ở Vương Quốc Anh, cứ 2 người thì có một người sở hữu máy điện thoại di động; trong khi đó ở Phần Lan, số lượng máy điện thoại di động tính theo đầu người đã vượt quá số hộ sử dụng điện thoại cố định

Hình 3-3 Sự phát triển của hệ thống di động

Sự tiến triển của công cuộc truyền thông di động có thể phân ra làm hai thế hệ phát triển Hiện tại, chúng ta đang bước vào thế hệ thứ ba (3G) của những hệ thống di động

- Thế hệ 1G

Có thể nói rằng những hệ thống của thế hệ thứ nhất (1G) là mũi tên chỉ đường cho các thế hệ sau, và nhìn chung, những hệ thống này được xếp vào loại những mạng quốc gia dựa trên nền tảng công nghệ tương tự Vào những năm 1980, những mạng kiểu đó đã được chuyển biến thành loại hình dịch vụ Những mạng đó được thiết kế để cung cấp cho các thuê bao di động những truyền thông chuyển tải giọng nói 1G là công nghệ điện thoại cầm tay ra đời sớm nhất với tín hiệu truyền là analog Một máy điện thoại sẽ sử dụng hai kênh trong suốt cuộc gọi một cho tín hiệu giọng nói và một cho tín hiệu điều khiển

- Thế hệ 2G

Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) được xếp vào loại công nghệ kỹ thuật số Những hệ thống như thế này được sự giúp đỡ ủng hộ của những Công ước Quốc tế chung, tạo đà cho khả năng vận hành một chiếc máy điện thoại di động vượt qua khỏi biên giới của một quốc gia Bên cạnh lĩnh vực viễn thông truyền giọng nói bằng kỹ thuật

số, với sự góp mặt của những hệ thống 2G, một loạt các dịch vụ số mới với tốc độ truyền

dữ liệu thấp đã trở nên phong phú và đa dạng, bao gồm “mobile fax” (chuyển fax di động), gửi thư giọng nói, và dịch vụ gửi tin nhanh (short message service – SMS) Cũng

tại khoảng thời gian trong giai đoạn phát triển này, những thể loại hệ thống mới bắt đầu nổi dậy phục vụ cho những thị hiếu riêng biệt; không những đó là những mạng di động

mà còn có những giải pháp cho vô tuyến điện (cordless), radio di động cho công cộng, vệ

tinh, và mạng vô tuyến cục bộ (W-LAN) Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) đồng nghĩa với sự toàn cầu hoá các hệ thống di động, và trên quan điểm đó, tầm quan trọng của chuẩn hoá là rất rõ Ví dụ, GMS, chuẩn hoá tại châu Âu bởi Tổ chức Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), hiện đang được coi là một tiêu chuẩn toàn cầu dưới sự thừa nhận của hầu hết các quốc gia trên thế giới Trong việc nhận ra tầm quan trọng của Internet và đồng thời là một bước tiến tiếp tới ngưỡng cửa của công nghệ thế hệ thứ ba (3G), giai đoạn phát triển cuối của loại mạng 2G đã cho ra đời những dịch vụ đa phương tiện di động

Trong một vài năm tới, người ta hi vọng rằng những người sử dụng hệ thống di động sẽ

có xu hướng truy cập vào các dịch vụ đa phương tiện băng rộng, ví như những gì đã có ở

các mạng cố định Yêu cầu về những dịch vụ có băng thông rộng được đưa ra do sự cần thiết phải cung ứng những dịch vụ và ứng dụng tương đương với những gì đã có cho máy tính cá nhân Sự trưởng thành đầy kinh ngạc của Internet, với hơn 500 triệu người sử dụng theo dự đoán đến trước năm 2005, mô tả hoàn hảo nhu cầu truy nhập vào các ứng dụng và dịch vụ băng rộng Những loại dịch vụ này nằm ngoài khả năng của các hệ thống thuộc thế hệ 2G đương thời, là những dịch vụ mà chỉ cung cấp các dịch vụ thoại có tốc độ

dữ liệu thấp Sự hội tụ của những công nghệ dựa trên các giao thức Internet và di động ngày nay là động lực chính cho sự phát triển của các hệ thống thuộc 3G

- Thế hệ 3G

Những hệ thống truyền thông di động 3G sẽ có khả năng phân phối các ứng dụng và dịch vụ với tốc độ dữ liệu lên tới và có thể vượt quá 2Mb/s Việc tiêu chuẩn hoá các hệ thống 3G thực hiên bởi Liên đoàn Viễn thông Quốc tế Trên phương diện toàn cầu, người

ta sẽ nhìn nhận ra đây là hệ thống Viễn thông Di động Quốc tế 2000 (IMT-200), và vấn

đề này sẽ bao hàm những hệ thống trong hộ gia đình mà cung ứng các dịch vụ tế bào, vô tuyến điện, W-LAN, và vệ tinh Ở châu Âu, hệ thống 3G này sẽ được coi là Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu (UMTS) Cho dù thoại vẫn có thể là ứng dụng chiếm ưu thế trong mấy năm đầu của mạng hệ 3G, những cũng sẽ có khả năng mạng vận hành những hệ thống với những ứng dụng đa phương tiện di động, chẳng hạn như điện thoại truyền hình ảnh, truy nhập file bằng ftp, tra cứu trang Web… Khi công nghệ 3G mở ra, những ứng dụng mới với băng thông rộng sẽ thâm nhập thị trường theo một khuynh hướng mà việc chuyển phát dữ liệu sẽ cho ra thông lượng lớn nhất

-Thế hệ 4G???

Công cuộc nghiên cứu ngày này đang nhằm vào những đòi hỏi phải có sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ tư (4G) Tốc độ dữ liệu di động trên 2Mb/s, và có khả năng lên tới 155Mb/s trong một số môi trường nhất định, sẽ tiếp tục mở rộng các dịch vụ và ứng dụng trong khả năng phân phối Sự cải thiện về chất lượng dịch vụ (QoS), hiệu dụng băng thông, và sự tiến tới một môi trường hướng gói tin và dựa hoàn toàn vào giao thức mạng (IP) có thể được xem xét dựa trên các chuẩn nổi trội của giao thức mạng di động (Mobile IP), dưới sự triển khai của Lực lượng Công tác Kỹ thuật Internet (IETF)

Nếu ta đứng về phương diện các kỹ thuật áp dụng trong hệ thống thông tin di động thì quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động có thể được xem xét qua các kỹ thuật chủ yếu sau:

3.4 Một số kỹ thuật đa truy nhập

3.4.1 TDMA - Time Domain Multiple Access (Dải băng hẹp)

3.4.1.1 Tổng quan TDMA

Trong thông tin TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để giành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo

TDMA được chia thành TDMA băng rộng và TDMA băng hẹp Mỹ và Nhật sử dụng TDMA băng hẹp còn Châu Âu sử dụng TDMA băng rộng nhưng cả 2 hệ thống này đều có thể được coi như là sự tổ hợp của FDMA và TDMA vì người sử dụng thực tế dùng các kênh được ấn định cả về tần số và các khe thời gian trong băng tần

Khe thời gian 3

Khe thời gian 4

Khe thời gian 5

Khe thời gian 6

Hình 3-4 PhổTDMA 3.4.1.2 Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ

Loại hệ thống TDMA Bắc Mỹ sử dụng băng tần (869 - 894) MHz và (824 - 849) MHz giống như hệ thống AMPS Khoảng cách sóng mang là 30 KHz và mỗi kênh tần số được chia thành 6 khe thời gian

Hệ thống AMPS hiện tại có khả năng chuyển vùng với cấu trúc khung và cấu trúc khe thời gian được chỉ ra trên hình 3-7 và hình 3-8

Hệ thống này mã hoá tín hiệu thoại theo mã VSELP (dự đoán tổng vectơ tuyến tính tồn tại), điều chế /4 DQPSK và hoạt động theo kiểu cặp đôi

6 thuê bao với một nửa tốc độ trên một kênh

30 KHz

1 khung = 972 ký hiệu (1944 bit) = 40 ms

1

Người sử dụng 3 Khe thời gian

2

Người sử dụng 1 Khe thời gian

3

Người sử dụng 2 Khe thời gian

4

Người sử dụng 3 Khe thời gian

1

Người sử dụng 3 Khe thời gian

2

Người sử dụng 1 Khe thời gian

3

Người sử dụng 2 Khe thời gian

4

Người sử dụng 3 Khe thời gian

5

Hình 3-5 Cấu trúc khung

a) Dạng khe thời gian từ máy di động đến trạm gốc

b) Dạng khe thời gian từ trạm gốc tới máy di động

Với : 324 bit = 162 ký hiệu = 40/6 ms = 6,67 ms

G - thời gian guard

R - thời gian ramp

SACCH - kênh điều khiển liên kết chậm

28 TRAINING

122 DATA

12 SACCH

12 CDVCC

122 DATA

Hình 3-6 Dạng khe thời gian từ máy di động đến trạm gốc

28

TRAINING

12 SACCH

130 DATA

12 CDVCC

130 DATA

12 REVERVED000.00

3 thuê bao số với tốc độ cao nhất trên một kênh

1 khung = 972 ký hiệu (1944 bit) = 40 ms

324 bit

324 bit

Hình 3-7 Dạng khe thời gian từ trạm gốc tới máy di động

với 324 bit = 162 ký hiệu = 40/6 ms = 6,67 ms

G - thời gian guard

R - thời gian ramp

SACCH – kênh điều khiển liên kết chậm

CDVCC – mã xác minh mẫu số đã mã

3.4.1.3 GSM - Group Special Mobile (Hệ thống truyền thông di động toàn cầu)

Theo một đề nghị của hãng Nordic Telecom (Viễn thông Bắc Âu) và của Netherlands PTT( một công ty về truyền thông của Hà Lan), nhóm nghiên cứu Group Special Mobil (GSM) đã được hình thành vào năm 1982 bởi CEPT(European Conference

of Posts and Telecommunications Administrations – Hội nghị châu Âu của các cơ quan quản lý bưu điện) Mục tiêu của nhóm nghiên cứu này là tìm ra một hệ thống mobile trên đất liền công cộng xuyên châu Âu

Cho đến giữa những năm 1980, ngành mobile đã tập trung sự chú ý vào nhu cầu thiết lập thêm các dịch vụ kiểu kỹ thuật số thế hệ 2G có hiệu quả hơn về mặt quang phổ, cung cấp một số các ưu điểm quan trọng bao gồm sức kháng nhiễu lớn hơn, an ninh gia tăng,

và khả năng cung cấp một loạt rộng rãi các dịch vụ Không giống như sự trưởng thành của AMPS Bắc Mỹ, hệ thống mà sẽ được bàn đến ngắn gọn sau, việc thiết lập GSM kéo theo một quá độ cải cách tới vấn đề thiết kế và thiết lập

Vào năm 1987, 13 nhà khai thác và quản lý đã ký kết hiệp định giác thư thoả thuận sơ

bộ (MoU - Memorandum of Understanding) của GSM và tên gọi ban đầu theo tiếng Pháp

đã được thay thành tên mới mô tả đầy đủ chức năng hơn; đó là Hệ thống Toàn cầu Truyền thông Di động (GSM), mặc dù vẫn là những chữ cái viết tắt như thế Cho đến năm 1999, 296 nhà vận hành khai thác và quản lý từ 110 quốc gia đã ký kết GSM MoU Đặc biệt, vào năm 1987, theo sự đánh giá của một số những nền công nghệ dự tuyển thông qua thí nghiệm và thực nghiệm, hiệp ước đã được để ý tới về việc sử dụng một bộ

mã dự đoán đặc tuyến kích xung chính tắc (gọi là RPE - LPC) đối với việc mã hoá âm thoại và TDMA đã được chọn làm phương thức đa truy nhập

Vào năm 1989, trách nhiệm đối với tiêu chuẩn kỹ thuật GSM đã được chuyển nhượng cho ETSI(European Telecommunications Standards Institute- Viện chuẩn viễn thông

châu Âu), và một năm sau đó, các tiêu chuẩn kỹ thuật GSM giai đoạn 1 (Phase 1) được xuất bản Hai năm sau đó, vào giữa năm 1991, các dịch vụ GSM chào hàng bắt đầu nẩy

nở ở châu Âu Ngoài các dịch vụ thoại ra, SMS đã được sinh ra làm một phần của chuẩn hoá GSM giai đoạn 1 Việc này tạo ra những tiện lợi cho việc gửi và nhận các bản tin chữ viết tới và từ các máy điện thoại di động Những bản tin có thể lên tới 160 ký tự độ dài và

có thể dùng để thông báo người sử dụng biết chẳng hạn như về một bản tin e-mail đang đến Đây là một dịch vụ lưu và chuyển với tất cả các tin nhắn đi thông qua một trung tâm SMS SMS đã chứng tỏ là một dịch vụ rất phổ cập ở châu Âu, với dung lượng truyền khoảng hơn một tỉ tin nhắn trong mỗi tháng, điển hình như tháng 4 năm 1999

GSM dụng hệ thống TDMA với cấu trúc khe thời gian sao cho tạo nên được sự linh hoạt trong truyền thoại, số liệu và thông tin điều khiển Hệ thống GSM sử dụng băng tần (890 - 915) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ máy di động đến BS và băng tần (935 - 960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ BS đến máy di động

3.4.2 CDMA - Code Division Multiple Access (Dải băng rộng hay quang phổ lớn) 3.4.2.1 Giới thiệu CDMA

Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và

lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GPS và Ommi - TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống

tổ ong của Qualcomm - Mỹ vào năm 1990

Trong thông tin CDMA thì nhiều người sử dụng chung thời gian và tần số, mã PN (tạp âm giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp được ấn định cho mỗi người sử dụng Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ra một dãy giả ngẫu nhiên như ở đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được

3.4.2.3 Một số đặc tính của CDMA

(1) Máy di động có chuyển vùng mềm

Như đã miêu tả trong hình 3-11, cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia vào việc chuyển giao cuộc gọi đối với chuyển vùng mềm

Hình 3-8 Đường kết nối trong khi chuyển vùng mềm

Việc chuyển giao cuộc gọi thông qua trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BS mới Lược đồ đó làm tối thiểu hoá sự gián đoạn cuộc gọi và làm cho người sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển vùng mềm Do đó, trong khi hệ thống analog và hệ thống TDMA số chấp nhận hình thức chuyển mạch "cắt - trước khi - nối" thì chuyển vùng mềm của hệ thống CDMA chấp nhận hình thức chuyển mạch "nối - trước khi - cắt"

Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu cuả BS bên cạnh để so sánh cường độ tín hiệu của ô bên cạnh với cường độ tín hiệu cuả ô đang sử dụng Nếu cường độ tín hiệu đạt đến một mức nhất định nào đó có nghĩa là máy di động

đã di chuyển sang một vùng phục vụ cuả một BS mới và trạng thái chuyển vùng mềm có thể bắt đầu Máy di động chuyển một bản tin điều khiển tới MSC để thông báo về cường

độ tín hiệu và số hiệu cuả BS mới Sau đó, MSC thiết lập một đường nối mới giữa máy di động và BS mới và bắt đầu quá trình chuyển vùng mềm trong khi vẫn giữ đường kết nối ban đầu Trong trường hợp máy di động đang trong một vùng chuyển đổi giữa hai BS thì cuộc gọi được thực hiện bởi cả hai BS sao cho chuyển vùng mềm có thể thực hiện được

mà không có hiện tượng ping - pong giữa chúng BS ban đầu cắt đường kết nối cuộc gọi khi việc đấu nối cuộc gọi với BS mới đã thực hiện thành công

(2) Tách tín hiệu thoại

Trong thông tin 2 chiều song công tổng quát thì tỷ số chiếm dụng tải của tín hiệu thoại không lớn hơn khoảng 35% Trong trường hợp không có tín hiệu thoại trong hệ thống TDMA và FDMA3 thì khó áp dụng yếu tố tích cực thoại vì trễ thời gian định vị lại kênh tiếp theo là quá dài Nhưng do tốc độ truyền dẫn số liệu giảm nếu không có tín hiệu thoại trong hệ thống CDMA nên giao thoa ở người sử dụng khác giảm một cách đáng kể Dung lượng hệ thống CDMA tăng khoảng 2 lần và suy giảm truyền dẫn trung bình của máy di động giảm khoảng 1/2 vì dung lượng được xác định theo mức giao thoa ở những người sử dụng khác

(3) Tái sử dụng tần số và vùng phủ sóng

Tất cả các BS đều tái sử dụng kênh băng rộng trong hệ thống CDMA Giao thoa tổng ở tín hiệu máy di động thu được từ BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của cùng một BS và giao thoa tạo ra trong các máy di động của BS bên cạnh Nói cách khác, tín hiệu của mỗi một máy di động giao thoa với tín hiệu của tất cả các máy di động khác Giao thoa tổng từ tất cả các máy di động bên cạnh bằng một nửa của giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một BS Hiệu quả tái sử dụng tần số của các BS không định hướng là khoảng 65%, đó là giao thoa tổng từ các máy di động khác trong cùng một

BS với giao thoa từ tất cả các BS

Hình 3-9 Giao thoa từ BS bên cạnh

Hình 3-12 trình bày giao thoa từ các BS bên cạnh theo % Giao thoa từ mỗi BS trong vòng biên thứ nhất tương ứng với 6% của giao thoa tổng

Do đó, giao thoa từ vòng biên thứ nhất là gấp 6 lần 6%, tức là 36%, và giao thoa tổng do vòng thứ 2 và vòng ngoài là nhỏ hơn 4% Trong trường hợp anten của BS là định hướng (tức là búp sóng anten 120 o) thì giao thoa trung bình giảm xuống 1/3 vì mỗi anten kiểm soát nhỏ hơn 1/3 số lượng máy di động trong BS Do đó, dung lượng cung cấp bởi toàn bộ hệ thống tăng lên xấp xỉ 3 lần

(4) Trải phổ

Trong kỹ thuật CDMA, tín hiệu mang thông tin (Ví dụ như tiếng nói) được biến đổi thành tín hiệu số, sau đó được trộn với một mã giống như mã ngẫu nhiên Tín hiệu tổng cộng, tức tiếng nói cộng với mã giải ngẫu nhiên, khi đó được phát trong một dải tần rộng nhờ một kỹ thuật gọi là trải phổ

Thông tin trải phổ là một hệ thống thông tin để truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin có sử dụng mã với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thông tin Các mã sử dụng là độc lập với tín hiệu số liệu thông tin Trải phổ sóng mang phân loại theo tốc độ truyền lan số liệu, bao gồm: DS (trải trực tiếp), dịch tần, dịch thời gian và loại hybrid

CHƯƠNG 4 TÌM HIỂU HỆ THỐNG GPS

4.1 Sự ra đời của hệ thống GPS4.2 Nghiên cứu các thành phần hệ thống GPS4.2.1 Nghiên cứu việc thiết kế hệ thống GPS4.2.2 Các thành phần hệ thống GPS

4.2.2.1 Phần vũ trụ4.2.2.2 Phần điều khiển4.2.2.3 Phần sử dụng4.3 Hoạt động của hệ thống GPS4.3.1 Sóng của vệ tinh GPS4.3.2 Vị trí trên mặt đất được xác định như thế nào qua

hệ thống GPS?

4.4 Ứng dụng của hệ thống GPS

Nội dung

4.1 Sự ra đời của hệ thống GPS

GPS là hệ thống bao gồm các vệ tinh bay trên quỹ đạo, thu thập thông tin toàn cầu

và được xử lý bởi các trạm điều khiển trên mặt đất Ngày nay, khó hình dung rằng có một máy bay, một con tàu hay phương tiện thám hiểm trên bộ nào lại không lắp đặt thiết bị nhận tín hiệu từ vệ tinh

Năm 1978, nhằm mục đích thu thập các thông tin về tọa độ (vĩ độ và kinh độ), độ cao và tốc độ của các cuộc hành quân, hướng dẫn cho pháo binh và các hạm đội, Bộ Quốc phòng Mỹ đã phóng lên quỹ đạo trái đất 24 vệ tinh Những vệ tinh trị giá nhiều tỷ USD này bay phía trên trái đất ở độ cao 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận Từ những năm đầu thập kỷ 80, các nhà sản xuất lớn chú ý nhiều hơn đến đối tượng sử dụng tư nhân Trên các xe hơi hạng sang, những thiết bị trợ giúp cá nhân kỹ thuật số PDA (Personal Digital Assistant) như Ipaq của hãng Compaq, được coi là một trang bị tiêu chuẩn, thể hiện giá trị của chủ sở hữu Số lượng các vệ tinh ngày càng tăng lên, do được phóng lên thêm Tính đến thời điểm hiện tại thì số lượng vệ tinh của hệ thống GPS là 28 vệ tinh

Các đặc điểm mà GPS thu hút nhiều người quan tâm và sử dụng như:

- Mức độ chính xác của vị trị đưa ra là tương đối cao, từ hàng 10m đến hàng mm…

- Có khả năng xác định được vận tốc vật trên mặt đất vào thời điểm chính

- Tín hiệu phát ra đến được người dùng tại khắp mọi nơi trên thế giới: trên không, trên mặt đất, hay trên biển…

- Là hệ thống định vị mà người dùng không phải trả tiền sử dụng Ngoài ra các yêu cầu

về phần cứng có giá cũng không phải quá cao – nếu không muốn nói là tương đối thấp

- Nó hoạt động trong mọi thời điểm, và trong mọi thời tiết

- Thông tin vị trí mà GPS cung cấp là được miêu tả trong không gian 3 chiều, các thông tin vị trí cung cấp như chiều dọc, chiều ngang, độ cao(hay còn gọi là kinh độ, vĩ độ, cao độ)

4.2 Nghiên cứu các thành phần hệ thống GPS

4.2.1 Nghiên cứu việc thiết kế hệ thống GPS

Thực sự việc nghiên cứu phát triển hệ thống GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ được tiến hành trong năm 1973, mục đích chính lúc đó mà đến cả ngày nay là xây dựng một hệ thống định vị hoạt động tốt trong tất cả các điều kiện thời tiết, khí hậu, hoạt động 24 giờ trong ngày và phần quan trọng của hệ thống là cung cấp các thông tin về vị trí các điểm yêu cầu của lực lượng vũ trang Mỹ và các nước đồng minh của Mỹ Vì thế hệ thống GPS được thiết kế để thay thế các hệ thống điều hướng đang được sử dụng và điểm mạnh của GPS so với các hệ thống có chức năng tương tự khác là ở độ tin cậy và tính bền vững

Hệ thống định vị GPS gặp phải một số khó khăn trong việc thiết kế như:

- Khả năng đáp ứng được tất cả các lớp nền: như phù hợp bất kì một máy móc nào, tàu thủy, đất liền, và ở không trung

- Có thể sử dụng cho một số lượng lớn các loại máy móc, động cơ khác nhau

- Khả năng xác định rõ vị trí, vận tốc và thời điểm hiện tại, và chúng phải phù hợp với nhau, tức là vị trí và vận tốc phải ở cùng một thời điểm, không để xảy ra tình trạng vận tốc ở thời điểm này lại được cho là vận tốc ở thời điểm khác gây ra nhầm lẫn

- Độ chính xác cao nhất của hệ thống chắc chắn bị hạn chế với một lớp người nào đấy

- Có khả năng giải quyết các lỗi, sự cố xảy ra trong việc tính toán, vận hành hệ thống –

có thể do chủ quan hay khách quan đem lại

- Hệ thống hoàn toàn bị động trong việc truyên dữ liệu từ người dùng đến vệ tinh, mà chỉ có chiều ngược lại

- Có thể cung cấp dịch vụ đến số lượng người dùng không giới hạn

Việc thiết kế xây dựng hệ thống GPS nói chung là dựa trên các tiêu chí sau:

- Một hệ thống dải một chiều, trong đó các vệ tinh truyền tín hiệu đi mà không biết ai

sẽ là người nhận tín hiệu

- Sử dụng các kỹ thuật và công nghệ hiện đại như đồng hồ nguyên tử, truyền sóng radio ngắn

- Các tín hiệu vệ tinh sẽ không bị ảnh hưởng của điều kiện thời tiết

- Hệ thống GPS gồm các vệ tinh thay nhau làm việc nhưng phải luôn đảm bảo là vào bất kì thời điểm nào cũng có đủ số vệ tinh cần thiết cùng hoạt động, để từ đó mới đảm bảo tính chính xác và liên tục của hệ thống

- Sự thiếu chính xác về vị trí là trong khoảng chấp nhận được

Đề cập đến tính chính xác của GPS, cũng phải nói thêm là ngày nay hệ thống GPS ngày càng hoàn thiện hơn, đặc biệt là về độ chính xác ngày càng cao đến hàng milimet Chính vì độ chính xác cao như vậy nên GPS ngày càng được áp dụng vào nhiều ứng dụng của con người, và thật khó có thể hình dung được là cuộc sống của chúng ta lại thiếu GPS

Các công nghệ, kỹ thuật được áp dụng trong việc xây dụng hệ thống GPS như:

- Độ tin cậy của hệ thống không gian:

Năm 1973, chương trình không gian của Mỹ đã cho thấy độ tin tưởng của phần cứng không gian Trong thực tế các hệ thống truyền tín hiệu là rất quan trọng Các vệ tinh truyền tín hiệu ban đầu được thiết kế hoạt động được 2 đến 3 năm trên quĩ đạo, nhưng có một số vệ tinh đã vượt ra cả dự đoán ban đầu, chúng có thể chạy trên 25 năm trên quĩ đạo

- Công nghệ đồng hồ nguyên tử:

Với việc ra đời và phát triển của đồng hồ nguyên tử, thì một kỉ nguyên mới trong việc đảm bảo tính chính xác của thời gian đã mở ra Tuy nhiên, trước khi các chương trình của GPS được đưa vào triển khai thì sự chính xác của các đồng hồ nguyên tử đã được kiểm tra trên vũ trụ

Các đồng hồ nguyên tử hiện tại cũng cực kỳ chính xác Chúng chậm chưa tới một giây sau khi chạy hơn 15 triệu năm Chúng đếm thời gian dựa trên cách thức các nguyên tử xeri (caesium) nhảy lên xuống giữa các mức năng lượng khác nhau Những bước nhảy hay "những tiếng tích tắc" rất đều này xảy ra ở những tần số sóng cực ngắn

và được sử dụng để định giây - chính xác là 9.192.631.770 tiếng tích tắc/giây

Tuy nhiên, vào năm ngoái, các nhà nghiên cứu thuộc Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia (Nist) ở Washington DC Mỹ tiến thêm một bước bằng việc chế tạo một loại đồng hồ dựa trên tần số quang học của một ion thuỷ ngân đơn nhất được làm mát (1 nguyên tử thuỷ ngân có 1 electron bị loại bỏ) Trong thiết bị này, họ cần một thiết

bị laser siêu nhanh để đếm những bước nhảy nhanh hơn nhiều của ion thuỷ ngân khi

nó di chuyển giữa các mức năng lượng - tạo ra khoảng 1.065.000.0004 tiếng tích tắc/giây

Scott Diddams, một nhà nghiên cứu tại Nist, phát biểu tại Hội nghị: ''Chúng tôi biết loại đồng hồ thế hệ mới rất ổn định Vì vậy, nghiên cứu của chúng tôi hiện tập trung vào việc kiểm tra nó hoạt động chính xác như thế nào Các thí nghiệm cho thấy chúng có thể chỉ chậm một khoảng giây trong 100 triệu năm"

- Máy tạo dao động tinh thể thạch anh:

Nhằm mục tiêu giảm giá trị của các thiết bị thì máy tạo dao động tinh thể thạch anh đã được đưa ra Máy tạo dao động này hơn là việc sử dụng đồng hồ nguyên tử trong các

vệ tinh GPS Hơn nữa giá của chúng lại thấp hơn và có sự ổn định rất cao trong thời gian ngắn

- Theo rõi tính chính xác của các vệ tinh và xác định rõ quĩ đạo của chúng:

Trong quá trình hoạt động của mình, các vệ tinh không thể tránh khỏi các sai xót, bay lệch quĩ đạo của mình( dù là rất nhỏ)… chính vì thế chúng luôn phải được quản lý, theo dõi khi thấy sai xót là phải sửa lại ngay - điều này được thực hiện bởi trạm điều hành ở dưới mặt đất

- Công nghệ mạch tích hợp cao:

Một mức độ về sự tinh vi của công nghệ trong việc chế tạo các chip bán dẫn, có khả năng tương đương hơn 100 000 - và có thể đến 1 triệu - transistor được đặt trong một chip Nhờ vào công nghệ này mà giá sẽ thấp và kích thước của các thiết người dùng nhỏ hơn sự thành công các chương trình GPS phụ thuộc rất lớn vào mạch tích hợp cao, và sức mạnh của hệ thống GPS cũng được xây dụng từ chúng

Là các trạm trên mặt đất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các vệ tinh, từ đố kiểm tra các

vệ tinh, tính toán quĩ đạo chuyển động, và đưa ra các điều chỉnh cần thiết để các vệ tinh luôn hoạt động chính xác

- Phần người dùng

Gồm người dùng và thiết bị thu GPS

Hình 4-1 Các thành phần của hệ thống GPS

Sau đây chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các thành phần này:

4.2.2.1 Phần vũ trụ

Hình 4-2 Các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo

Phần vũ trụ bao gồm các vệ tinh GPS bay trên quĩ đạo Như ta đã biết ở phần trên thì vào năm 1978, Mỹ đã phóng các vệ tinh GPS lên trên quĩ đạo cách trái đất khoảng 19.200 km, với tốc độ chừng 11.200 km/h, có nhiệm vụ truyền đi các tín hiệu radio tần số thấp tới các thiết bị thu nhận

Trong số 28 vệ tinh của Bộ quốc phòng Mỹ nói trên, chỉ có 24 thực sự hoạt động,

3 vệ tinh còn lại là hệ thống hỗ trợ, và 1 vệ tinh mới phóng thêm vào ngày 26 tháng 9 năm 2005 Tín hiệu radio được truyền đi thường không đủ mạnh để thâm nhập vào các

tòa nhà kiên cố, các hầm ngầm và hay tới các địa điểm dưới nước Ngoài ra nó còn đòi hỏi tối thiểu 4 vệ tinh để đưa ra được thông tin chính xác về vị trí (bao gồm cả độ cao) và tốc độ của một vật Vì hoạt động trên quỹ đạo, các vệ tinh đảm bảo cung cấp vị trí tại bất

kỳ điểm nào trên trái đất

Phần Vũ trụ gồm các vệ tinh trên, chúng hoạt động bằng năng lượng mặt trời, bay trên quỹ đạo Quãng thời gian tồn tại của chúng vào khoảng 10 năm và chi phí cho mỗi lần thay thế lên đến hàng tỷ USD

Theo tin tức của báo Vietnamnet thì Mỹ vừa phóng vệ tinh định vị hiện đại nhất, thuộc một nhóm vệ tinh định vị toàn cầu mới (GPS) nhằm giúp người sử dụng thương mại và quân đội Mỹ xác định được vị trí và mục tiêu chính xác hơn

Hình 4-3 Vệ tinh GPS thế hệ mới

Trị giá 75 triệu đôla, vệ tinh được phóng bằng tên lửa Boeing Delta 2 vào ngày 26/9/2005 Trong thời gian tiếp theo, nó sẽ triển khai các tấm pin mặt trời, anten và khai hoả một tên lửa nhỏ trên boong để đạt tới quỹ đạo cuối cùng, chừng 18.00km bên trên Trái đất Vệ tinh này nhập vào một mạng lưới gồm 28 vệ tinh GPS hiện nay Hệ thống 28

vệ tinh GPS giúp người sử dụng xác định vị trí của họ Tuy nhiên, vệ tinh mới - vệ tinh đầu tiên trong 8 vệ tinh GPS IIR do Lookheed Martin chế tạo, có nhiệm vụ cải thiện độ chính xác của toàn hệ thống GPS hiện có

Vệ tinh mới mang theo một tấm anten, cung cấp tín hiệu mạnh hơn cho người sử dụng mặt đất, cũng như ba tín hiệu hoàn toàn mới Hai trong số đó sẽ giúp quân đội Mỹ

khắc phục tình trạng tắc nghẽn tín hiệu GPS trên các phương tiện di chuyển mặt đất, máy bay và tàu thuỷ Ngoài ra, chúng còn cải thiện độ chính xác của các loại vũ khí thông minh định hướng bằng GPS Tín hiệu thứ ba sẽ là một tần số dành cho người sử dụng dân

sự, giảm thiểu lỗi định vị do lớp hạt tích điện ở thượng tầng khí quyển gây ra

Quân đội Mỹ dự định phóng tiếp ba vệ tinh GPS IIR vào năm 2006 Sau đó, vệ tinh đầu tiên trong số 12 vệ tinh còn hiện đại hơn sẽ được phóng vào năm 2007 Những

vệ tinh này, GPS IIF, do Boeing chế tạo và cung cấp tín hiệu dân sự thứ ba cho các máy bay

Có 5 loại vệ tinh được sử dụng trong hệ thống GPS: Block I, Block II, Block-IIA, Block IIR và Block IIF

Sau đây là các đặc tính kỹ thuật của các vệ tinh trong “Block I”:

Bảng 4-1 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block I

Block I

2227.5 MHz (S-Band) Nhà cung cấp Tập đoàn Rockwell International

- Block II

Các vệ tinh Block II có trọng lượng khoảng 1660 kg nặng gần gấp 2 lần Block I

Vệ tinh đầu tiên được đưa vào hoạt động đầu tiên vào năm 1989, với sải cánh dài 5.1m và

có thời gian phục vụ khoảng 7,5 năm Có tổng số 9 vệ tinh Block II( từ 12 đến 21), và 18

vệ tinh Block IIA hoạt động đến tháng 9 năm 1996

Các vệ tinh Block II được thiết kế để cho phép 14 ngày hoạt động không cần sự

điều khiển của phần điều khiển

Bảng 4-2 Thông số kỹ thuật vệ tinh Block II

- Block III

Quá trình nghiên cứu cấu trúc của Block III gồm 3 giai đoạn, giai đoạn 1 kết thúc

vào năm 2001 Boeing và Lockheed Martin để ra 16 triệu USD cho giai đoạn 1 Một nhà

thầu đã trúng thầu để xây dựng và phát triển các vệ tinh Block III, theo dự kiến thì vệ tinh

Block III sẽ đưa vào hoạt động vào năm 2009, và đưa toàn bộ các vệ tinh vào năm 2030

Lực lượng không quân Mỹ( U.S Air Force) muốn các vệ tinh Block III phải tăng

cường tính bảo mật bằng cách cung cấp 2 kênh cho tín hiệu military-code (M-code) đó là L1 và L2 mà chúng phục vụ cho quân sự

Ngoài ra còn có một số các vệ tinh loại khác như Block IIA, Block IIF xin xem thêm phần phụ lục

4.2.2.2 Phần điều khiển

Hình 4-5 Vị trí các trạm điều khiển vệ tinh GPS

Phần điều khiển là các trạm điều khiển các vệ tinh đặt trên trái đất Phần điều

khiển gồm:1 trạm điều khiển chính, 5 trạm thu số liệu,3 trạm truyền số liệu

- Trạm điều khiển chính

Đặt tại Colorade Springs (Mỹ) có nhiệm vụ thu thập các dữ liệu theo dõi vệ tinh từ

các trạm thu số liệu để xử lý

Công nghệ xử lý gồm : Tính lịch thiên văn, tính và hiệu chỉnh đồng hồ, hiệu

chỉnh quỹ Đạo điều khiển, thay thế các vệ tinh ngừng họat động bằng các vệ tinh dự phòng

- 5 trạm thu số liệu

Được đặt tại Hawai , Colorade Springs , Ascension (Nam Đại Tây

Dương) , Diago Garia (Ấn Độ Dương) , Kwayalein (Nam Thái Bình Dương) Có nhiệm

vụ theo dõi các tín hiệu vệ tinh để kiểm soát và dự đoán quỹ đạo của chúng Mỗi trạm