Luận văn Nghiên cứu mạng di động 4G Ứng dụng định vị điện thoại

Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU MẠNG 4G_LTE 1.1 Giới thiệu 4G 1.1.1 4G gì? Cũng giống thuật ngữ 2G hay 3G, 4G từ viết tắt cụm từ “fourth generation” (thế hệ thứ 4) để thuận tiện cho chương trình marketing c nhà mạng Dịch vụ viễn thông hay kết nối không dây sử dụng công nghệ thực khác biệt phụ thuộc vào nhà cung cấp dịch vụ thông thường, mạng không dây sử dụng công nghệ 4G có tốc độ nhanh mạng 3G từ đến 10 lần 1.1.2 Tốc độ 4G so với 3G nào? Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng công nghệ WiMax thường quảng cáo mạng họ có tốc độ tải xuống (download) từ Mbps đến Mbps đỉnh điểm lên tới 10 Mbps cao chút Verizon, nhà mạng triển khai LTE Mỹ cho biết, dịch vụ họ có tốc độ khoảng từ 5-12 Mbps.Hầu hết mạng 3G có tốc độ từ 400 kilobit/s 1,5 Mbps 1.1.3 Mạng 4G sử dụng công nghệ nào? Hiện giới tồn chuẩn công nghệ lõi mạng 4G WiMax Long Term Evolution (LTE) WiMax chuẩn kết nối không dây phát triển IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) LTE chuẩn 3GPP, phận liên minh nhà mạng sử dụng công nghệ GSM Cả WiMax LTE sử dụng công nghệ thu phát tiên tiến để nâng cao khả bắt sóng hoạt động thiết bị, mạng lưới Tuy nhiên, công nghệ sử dụng dải băng tần khác 1.2 Tìm hiểu LTE 1.2.1.Giới thiệu 3GPP (Third Generation Partnership Project) Long Term Evolution (LTE)là giao diện vô tuyến linh hoạt với triển khai ban đầu dự kiến năm 2009 Trọng tâm thay đổi theo hướng phát triển LTE, gọi tắt LTE-Advanced Một mục tiêu tiến hóa để đạt chí vượt qua yêu cầu IMT-Advanced Những yêu cầu bao gồm cải tiến thêm đáng kể hiệu suất khả so với hệ thống di động hành Những mục tiêu thiết kế sau thiết lập cho mạng này: • Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái: mạng HSPA nay, thời gian để UE chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng bắt đầu truyền thông tin kênh truyền tải tốc độ cao tương đối dài Điều ảnh hưởng tai hại lên tính khả dụng (usability) mạng, người dùng cảm nhận khoảng thời gian trễ truy cập dịch vụ Internet sau khoảng thời gian dài thụ SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại động Vì thế, người ta quy ết định thiết kế mạng LTE phải có khả chuyển từ trạng thái rỗi sang nối kết đầy đủ thời gian khơng đến 100 ms • Giảm độ trễ mặt phẳng người dùng: nhược điểm khác mạng tổ ong độ trễ truyền cao nhiều so với mạng đường dây cố định Trong độ trễ chiều máy tính người dùng biên mạng DSL với Internet khoảng chừng 15 ms, mạng HSPA có độ trễ lên đến khoảng 50 ms Điều bất lợi ứng dụng thoại chơi game thời gian thực Đối với LTE, người ta định độ trễ giao tiếp vô tuyến phải khoảng chừng ms để đạt đến độ trễ truyền từ UE đến UE tương đương với độ trễ mạng đường dây cố định • Dải tần co giãnđư ợc: mạng HSPA bị hạn chế dải tần MHz Trong đó, đạt đến mức thơng suất cao thỏa đáng cách tăng dải tần kênh truyền tải Đối với số ứng dụng kênh truyền tải MHz lại rộng, người ta quy ết định giao tiếp vô tuyến hệ thống LTE phải có tính co giãn được(scalable) hướng cịn lại • Thông suất gia tăng: hệ thống LTE, phải đạt đến thông suất tối đa điều kiện lý tưởng 100 Mbit/s 1.2.2 Kiến trúc mạng 1.2.2.1 Các trạm sở cải tiến Hình 1.1 Kiến trúc mạng LTE SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Hình cho thấy thành phần mạng lõi mạng truy nhập vô tuyến LTE So sánh với UMTS, mạng vơ tuyến phức tạp Người ta định RNC nên gỡ bỏ, chức chúng đư ợc chuyển phần sang trạm sở phần sang nút gateway mạng lõi Để phân biệt với trạm sở UMTS, trạm sở LTE gọi Enhanced NodeB (eNodeB) Bởi khơng cịn phần tử điều khiển trung ương mạng vô tuyến nữa, nên trạm sở thực chức quản lý liệu truyền tải cách tự lập, bảo đảm chất lượng dịch vụ Điều ph ần thực UMTS với xuất HSPA Tuy nhiên, RNC điều khiển kênh truyền tải dành cho dịch vụ thoại chuyển kênh Ngoài ra, trạm sở chịu trách nhiệm thực chuyển giao cho UE tích cực Vì mục đích này, eNodeB liên lạc trực tiếp với thông qua đường giao tiếp X2 Các đường giao tiếp dùng để chuẩn bị chuyển giao có th ể dùng để gửi chuyển tiếp liệu người dùng (các gói IP) từ mạng sở sang mạng sở để giảm thiểu lượng liệu người dùng thất q trình chuyển giao Các trạm sở có khả liên lạc với thơng qua gateway truy cập để chuẩn bị chuyển giao Tuy nhiên trường hợp này, liệu người dùng khơng gửi chuyển tiếp q trình chuyển giao Một số liệu mạng gửi tới trạm sở thất thốt, sau định chuyển giao thực hiện, phải thi hành nhanh tốt trước đường truyền vô tuyến Không giống UMTS,các mạng vô tuyến LTE thực chuyển giao cứng, tức vào thời điểm có cell liên lạc với UE Đường giao tiếp nối eNodeB với nút gateway mạng vô tuyến mạng lõi đư ờng S1 Nó hồn tồn dựa giao thức IP, khơng biết cơng nghệ vận chuyển tầng thấp Đây khác biệt lớn với UMTS Trong UMTS, đường giao tiếp NodeB, RNC SGSN thiết dựa giao thức ATM dành cho tầng thấp Giữa RNC NodeB, IP không dùng cho việc gửi chuyển tiếp gói Tuy cho phép đồng hóa dễ nút, song việc cần phải sử dụng ATM để vận chuyển liệu tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt phức tạp Trong năm gần đây, tình hình t ệ nhu cầu thơng lượng tăng cao khơng cịn với đường truyền ATM kênh E1 Mbit/s thỏa mãn Vì vậy, chuẩn UMTS sau đư ợc cải tiến để dùng IP làm giao thức vận chuyển mạng lõi trạm sở Nhưng LTE t đầu hồn tồn dựa vận chuyển IP mạng vô tuyến Các trạm sở trang bị cổng Ethernet 100 Mbit/s Gbit/s quen thuộc giới PC, cổng cáp quang Gigabit Ethernet SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại 1.2.2.2 Đường giao tiếp mạng lõi với mạng truy nhập vô tuyến Như minh họa Hình 1.1, nút gateway mạng truy cập vô tuyến mạng lõi đư ợc phân thành hai phần: Serving Gateway (Serving-GW) Mobility Management Entity (MME) Kết hợp với nhau, chúng thực công việc tương tự SGSN (Serving GPRS Support Node) mạng UMTS Trong thực tế, hai thành phần thực thiết bị phần cứng tách để tăng giảm kích cỡ độc lập với MME thực thể thuộc mặt phẳng điều khiển LTE, chịu trách nhiệm phần việc sau đây: • Báo hiệu quản lý phiên làm việc quản lý tính di động thuê bao Phần việc bao gồm tác vụ xác minh (hoặc nhận thực _ authentication), thiết lập kênh truyền tải vô tuyến, hậu thuẫn việc chuyển giao eNodeB khác đến/từ mạng vô tuyến khác (ví dụ GSM, UMTS) • Theo dõi vị trí UE chế độ rỗi, tức khơng có kênh truyền tải vơ tuyến thiết lập chúng khơng trao đ ổi gói liệu với mạng quãng thời gian kéo dài • Chọn lựa gateway nối với Internet UE yêu cầu thiết lập phiên làm việc, tức yêu cầu mạng cấp địa IP Serving-GW chịu trách nhiệm gửi chuyển tiếp gói IP UE Internet Sự khác biệt với UMTS là, đường hầm dành cho người dùng mạng vô tuyến kết thúc trực tiếp eNodeB khơng cịn thành phần trung gian RNC Bởi đường giao tiếp S1 dùng cho liệu người dùng (nối với ServingGW) lẫn liệu báo hiệu (nối với MME), nên kiến trúc giao thức tầng cao phân thành hai giao thức khác biệt: S1-C S1-U Giao thức S1-C (điều khiển) dùng để trao đổi thông điệp điều khiển UE MME Như trình bày bên dưới, thông điệp trao đổi qua kênh “non-IP” đặc biệt giao tiếp vô tuyến sau NodeB đặt vào gói IP trước chúng gửi chuyển tiếp đến MME Tuy nhiên, liệu người dùng đư ợc truyền với tính cách gói IP qua giao tiếp vơ tuyến, chúng gửi chuyển tiếp qua giao thức S1-U (người dùng) đến Serving-GW Nếu MME Serving-GW thực riêng biệt, đường giao tiếp S11 dùng để liên lạc hai thực thể Cần có liên lạc hai thực thể đó, ví dụ để tạo kênh truyền người dùng nối vào mạng, để sửa đổi đường hầm người dùng di chuyển từ cell sang cell khác Không giống mạng vô tuyến khơng dây trước đó, gateway mạng truy nhập (SGSN) chịu trách nhiệm số RNC định RNC đến lượt lại chịu trách nhiệm số trạm sở định, đường giao tiếp S1 hậu thuẫn kiến trúc nối kết mắt lưới (mesh) Có nghĩa khơng phải mà vài SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại MME Serving-GW liên lạc với eNodeB, số lượng MME ServingGW khác biệt Điều làm giảm số lượng chuyển giao liên MME người dùng di chuyển, cho phép số lượng MME phát triển độc lập với số lượng Serving-GW, dung ưl ợng MME lệ thuộc vào tải trọng báo hiệu, dung lượng Serving-GW lệ thuộc vào tải trọng liệu truyền người dùng Một kiến trúc mắt lưới giao tiếp S1 b ổ sung tính dự phịng cho mạng Nếu MME hỏng, MME thứ hai tự động tiếp quản định cấu hình để phục vụ cell giống MME Tác hại chế khơi phục tự động gặp hỏng hóc là, người dùng phục vụ MME hỏng phải đăng ký lại với mạng 1.2.2.3 Gateway nối với Internet Cũng kiến trúc mạng trước đó, router biên mạng lõi khơng dây che giấu tính di động người dùng khỏi Internet Trong LTE, router gọi PDN-GW(trong PDN dạng viết tắt Packet Data Network) thực công việc giống công việc GGSN mạng UMTS Ngồi việc che giấu tính di động người dùng, cịn quản lý quỹ địa IP cấp phát địa IP cho UE đăng ký v ới mạng Tùy theo số lượng người dùng, mạng có vài PDN-GW Số lượng PDN-GW cụ thể tùy thuộc vào khả phần cứng, số lượng người dùng, lượng liệu vận chuyển bình quân người dùng Như minh họa Hình 1.1, đường giao tiếp PDN- GW MME/Serving-GW gọi S5 Giống đường giao tiếp SGSN GGSN UMTS, sử dụng giao thức GTP-U (người dùng) để truyền xuyên hầm liệu người dùng từ đến Serving-GW, giao thức GTP-S (báo hiệu) cho việc thiết lập ban đầu đường hầm liệu người dùng sửa đổi đường hầm sau người dùng di chuyển qua lại cell quản lý Serving-GW khác 1.2.2.4 Đường giao tiếp với sở liệu người dùng Một đường giao tiếp quan trọng mạng lõi LTE làđư ờng giao tiếp S6 nối MME sở liệu lưu trữ thông tin thuê bao Trong UMTS/GPRS/GSM, sở liệu gọi HLR (Home Location Register).Trong LTE, HLR sử dụng lại đổi tên thành Home Subscriber Server (HSS) Về bản, HSS HLR cải tiến, chứa thông tin thuê bao cho GSM, GPRS, UMTS, LTE IMS (IP Multimedia Subsystem) Tuy nhiên không giống UMTS, đường giao tiếp S6 không dùng giao thức mà dùng giao thức Diameter dựa IP HSS sở liệu kết hợp, sử dụng đồng thời mạng GSM, UMTS LTE thuộc nhà cung cấp dịch vụ mạng Vì thế, ngồi đường giao tiếp S6 dành cho LTE ra, tiếp tục hậu thuẫn đường giao tiếp MAP truyền thống 1.2.2.5 Mối quan hệ công nghệ vô tuyến khác Trong thực tế, hầu hết nhà cung cấp dịch vụ mạng triển khai mạng LTE có sẵn mạng GSM UMTS Bởi lẽ vùng phủ sóng mạng LTE SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại chắn lúc đầu hạn chế, thiết thuê bao phải có khả chuyển qua chuyển lại cơng nghệ mạng truy nhập khác để không đường truyền địa IP đư ợc cấp phát Hình 1.2 cho thấy điều thực thực tế nào, người dùng di chuyển khỏi vùng phủ sóng mạng LTE vào vùng phủ sóng mạng UMTS thuộc nhà cung cấp dịch vụ mạng Khi người dùng di chuyển khỏi vùng phủ sóng LTE, UE báo cáo với eNodeB tìm thấy cell UMTS (hoặc GSM) Báo cáo eNodeB gửi chuyển tiếp MME mà liên hệ với SGSN 3G (hoặc 2G) chịu trách nhiệm cell yêu cầu tiến hành thủ tục chuyển giao Đường giao tiếp dùng cho mục đích gọi S3, dựa giao thức dùng cho thủ tục định vị lại liên- SGSN Kết khơng cần có sửa đổi phần mềm SGSN 3G (hoặc 2G) để hậu thuẫn thủ tục Sau mạng vô tuyến 3G đư ợc chuẩn bị cho chuyển giao rồi, MME gửi lệnh chuyển giao đến UE thông qua eNodeB Sau việc chuyển giao đư ợc thi hành xong, đường hầm liệu người dùng ServingGW eNodeB định tuyến lại đến SGSN Sau MME giải phóng khỏi trách nhiệm quản lý thuê bao, nhiệm vụ SGSN tiếp quản Tuy nhiên Serving-GW đường truyền liệu người dùng thông qua đường giao tiếp S4 đóng vai trị m ột GGSN 3G theo quan điểm SGSN Vì thế, theo quan điểm SGSN thìđư ờng giao tiếp S4 xem đường giao tiếp Gn 3G nối SGSN GGSN Hình 1.2: Nối kết liên mạng LTE UMTS SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Một khác biệt lớn LTE so với GSM UMTS là, UE luôn cấp phát địa IP chúng đăng ký với mạng Điều khơng áp dụng cho GSM UMTS thiết bị 2G, 3G 3.5G chủ yếu sử dụng cho dịch vụ thoại, nối kết mạng mà không yêu cầu cấp phát địa IP hợp lý Nhưng mạng LTE, thiết bị khơng có địa IP hồn tồn vơ dụng Vì vậy, thủ tục nối kết mạng LTE bao gồm sẵn việc cấp phát địa IP Xét theo quan điểm LAN/WLAN ều chẳng có mới, xét theo quan điểm cơng nghiệp mạng tổ ong cách mạng Vì với LTE, thủ tục “thiết lập gọi gói” GPRS UMTS, thuật ngữ tạo với thói quen suy nghĩ cũ thiết lập đường truyền chuyển gói nhằm giải gọi thoại, trở thành chuyện khứ Nhiều người giới công nghiệp mạng tổ ong phải thay đổi hình dung giới di động để thích nghi với điều 1.2.3 Các thông số vật lý Đối với LTE, thông số vật lý sau chọn: - Khoảng cách kênh (subcarrier spacing): 15 kHz - Thời gian tồn ký hiệu OFDM: 66.667 µs - Tiền tố chu kỳ (cyclic prefix) chuẩn mực: 4.7 µs Tiền tố chu kỳ truyền trước ký hiệu OFDM để ngăn ngừa nhiễu ký hiệu độ dài khác đường truyền Đối với môi trường khắc nghiệt với đường truyền khác cao độ, người ta qui đ ịnh tiền tố chu kỳ dài (16.67 µs) Tuy nhiên, nhược điểm việc dùng tiền tố chu kỳ dài tốc độ liệu người dùng bị giảm đi, thời gian tồn ký hiệu giữ nguyên Khoảng cách kênh thời gian tồn ký hiệu chọn bù đắp cho hiệu ứng có hại tín hiệu, chẳng hạn hiệu ứng Doppler (dịch tần) tính di động thuê bao Các thông số đư ợc chọn phép tốc độ di chuyển thuê bao vượt 350 Km/h Để linh hoạt với việc cấp phát dải tần nhiều nước khác khắp giới, số dải tần kênh truyền khác đư ợc qui định cho LTE Các dải tần biến thiên từ mức thấp 1.25 MHz đến mức cao 20 MHz Bảng cho thấy dải tần truyền chuẩn hóa, số lượng kênh dùng cho dải tần đó, kích thước FFT (số lượng đường phổ) dùng phía máy thu để chuyển đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số Trong thực tế, người ta trông đợi nhà cung cấp dịch vụ mạng sử dụng LTE triển khai mạng băng tần có sẵn dành cho GSM UMTS sử dụng dải tần 10MHz, khơng có lợi tốc độ dùng LTE dải tần MHz so với HSPA+ Những dải tần nhỏ hơn, 1.25 MHz 2.5 MHz, đư ợc định cho nhà mạng có phổ nhỏ nhà mạng muốn “khai thác lại” số phổ GSM họ băng 900 MHz Tuy nhiên thực tế, chưa biết điều có mang lại lợi ích to lớn hay không, SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại tốc độ truyền đạt dải tần hẹp thấp tốc độ truyền đạt với HSPA Bảng1: Những dải tần qui định cho LTE Ngồi việc sử dụng băng tần có sẵn, người ta m băng tần cho cơng nghệ khơng dây Sau 3G Ví dụ, Âu châu băng 2.5 GHz, đư ợc gọi băng mở rộng IMT, mở cho LTE cho cơng nghệ không dây khác Tuy nhiên, băng cịn nhiều dải tần khơng dùng đến, điều khiến băng không hấp dẫn LTE tương lai gần 1.2.4 Truyền MIMO LTE Hầu hết hệ thống không dây hoạt động theo chế độ truyền liệu thông qua dịng tín hiệu khơng gian phát sóng thu sóng, phát sóng thứ hai tần số xem nhiễu không mong muốn, làm giảm chất lượng kênh truyền Tuy nhiên thực tế, thấy tín hiệu bị phản xạ tán xạ đối tượng lộ trình truyền, đầu nhận vài tín hiệu ban đầu từ góc độ khác vào thời điểm lệch chút Đối với công nghệ truyền không dây đơn giản, nhi ễu không mong muốn Nhưng LTE lại lợi dụng tán xạ phản xạ lộ trình truyền cách truyền vài dòng liệu độc lập qua ăng-ten riêng Các ăng-ten đặt cách nửa bước sóng, điều tự tạo truyền riêng biệt, vốn phản ứng khác chúng gặp chướng ngại lộ trình truyền Ở phía máy thu, dịng liệu khác bắt (pick up) ăng-ten độc lập dây chuyền thiết bị thu độc lập Việc truyền vài tín hiệu độc lập băng tần gọi MIMO (Multiple Input Multiple Output) SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Hình 1.3: Nguyên tắc truyền MIMO Chuẩn LTE định hai bốn truyền riêng biệt băng tần, tức địi hỏi phải có hai bốn ăng-ten tương ứng máy phát lẫn máy thu Hệ là, truyền gọi 2x2 MIMO 4x4 MIMO Trong thực tế, 2x2 MIMO nhiều khả dùng trước, ràng buộc kích cỡ UE kiện ăng-ten phải đặt cách nửa bước sóng Hơn nữa, hầu hết UE cho phép dùng vài băng tần, băng thường địi hỏi ăngten riêng trường hợp hoạt động MIMO hậu thuẫn băng Ở phía mạng, có truyền 2x2MIMO ăng-ten phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách cho ăng-ten truyền dòng liệu riêng biệt với dạng phân cực khác (ngang đứng) Tuy hình 1.3 mơ tả khái niệm tổng qt truyền MIMO, khơng xác phía máy thu, ăng-ten nhận khơng phải tín hiệu mà kết hợp tất tín hiệu chúng chồng chéo lên khơng gian Vì thế, dây chuyền thiết bị thu cần phải tính tốn cách truyền kênh có xét đến truyền để phân biệt truyền với Những thành tố cần thiết cho tính tốn bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) ảnh hưởng đa đường truyền (multipath effect) cho lộ trình truyền độc lập Bởi kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO làm tăng tốc độ truyền tổng thể lên hai lần, cịn 4x4 MIMO tăng lên b ốn lần Tuy nhiên điều đạt điều kiện tín hiệu lý tư ởng Vì vậy, MIMO dùng cho truyền hướng xuống LTE, phát sóng trạm sở bị ràng buộc cơng suất phát sóng hướng lên Trong điều kiện truyền SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại thuận lợi hơn, hệ thống tự động quay trở lại kiểu truyền dòng liệu giảm cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16- QAM hay chí QPSK Ngồi ra, điều kiện tín hiệu lý tư ởng, truyền MIMO dùng với điều chế 16-QAM, gấp đôi tốc độ truyền so với truyền dòng sử dụng 64-QAM Ở hướng lên, khó cho UE sử dụng MIMO kích cỡ ăng-ten hạn chế cơng suất ngõ nó, chuẩn LTE khơng có MIMO Tuy nhiên thân kênh truyền hướng lên LTE thích hợp cho truyền MIMO hướng lên Để tận dụng trọn vẹn kênh truyền này, số cơng ty tính tới việc thực MIMO cộng tác (collaborative MIMO), hay gọi MIMO đa người dùng (multiuser MIMO), tương lai Ở đây, hai UE sử dụng kênh hướng lên cho lưới tài ngun chúng Về phía trạm sở, hai dịng liệu phân tách thu sóng MIMO xử lý hai truyền từ thiết bị độc lập, hai truyền từ thiết bị nên phải kết hợp lại Tuy điều không làm cho tốc độ truyền thiết bị cao hơn, dung lượng hướng lên tổng thể cell gia tăng đáng kể 1.2.5 Xử lý gói liệu eNodeB Ngồi cơng việc đặc trưng cho tài ngun vơ tuyến, eNodeB cịn chịu trách nhiệm vài cơng việc liên quan đến gói liệu trước chúng truyền qua giao tiếp vô tuyến Để phịng chống cơng sửa đổi liệu, mã tổng kiểm tra (checksum) tính tồn vẹn tính tốn cho gói liệu cho thêm vào gói trước gửi qua giao tiếp vô tuyến Dữ liệu nhập cho giải thuật sinh mã tổng kiểm tra tính tồn vẹn khơng phải có nội dung gói, mà cịn có khóa kiểm tra tính tồn vẹn nữa, vốn tính tốn từ khóa bí mật độc chia sẻ dùng chung eNodeB thiết bị di động Nếu thơng điệp bị sửa đổi cách gian lận giao tiếp vơ tuyến, kẻ gian khơng thể cho thêm vào gói một mã checksum hợp lệ thiếu khóa bí mật này, thơng điệp khơng thể bên nhận tiếp nhận Việc kiểm tra tính tồn vẹn áp dụng cho gói IP, cho thơng điệp kiểm sốt tài ngun vơ tuyến trao đổi với eNodeB, cho thơng điệp quản lý phiên quản lý tính di động trao đổi với MME Ngoài việc kiểm tra tính tồn vẹn, gói liệu cịn đư ợc mã hóa trư ớc truyền qua giao tiếp vơ tuyến Ở có khóa bí mật dùng chung cá nhân thuê bao lưu thẻ SIM HSS, dùng để tính chìa khóa mã hóa (ciphering key) hai phía đường truyền Vì vậy, liệu bị chặn lại giao tiếp vơ tuyến khơng giải mã đư ợc kẻ cơng khơng biết ciphering key Việc mã hóa (ciphering) áp dụng cho gói IP, cho thơng điệp điều khiển tài ngun vô tuyến, cho thông điệp quản lý phiên kiểm sốt tính di động, hai thứ sau không dựa IP Một tác vụ mà eNodeB thực gói IP liệu người dùng trước chúng truyền qua giao tiếp vô tuyến nén phần mào đầu (header compression) Đối với mạng LTE, tính quan trọng, đặc biệt SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 10 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Hình 2.25: Các nguồn lỗi GPS 2.3.1 Lỗi vệ tinh 2.3.1.1 Lỗi quỹ đạo Vị trí vệ tinh hàm thời gian, chứa thông điệp quảng bá dẫn đường vệ tinh, dự đoán từ quan sát GPS trạm điều khiển mặt đất Cụ thể hệ thống điều khiển vận hành sử dụng việc chồng lấp liệu GPS khoảng thời gian để dự đoán thành phần quỹ đạo cho vệ tinh khoảng thời gian Việc mơ hình hóa hoạt động vận hành vệ tinh GPS nói chung khơng hồn hảo, gây số lỗi vị trí vệ tinh tính tốn, gọi lỗi quỹ đạo (ephemeris errors) Theo lý thuyết, lỗi quỹ đạo thường nằm khoảng m đến m lên đến 50 m có ảnh hưởng SA Lỗi tính khoảng cách ảnh hưởng lỗi đồng hồ vệ tinh lỗi quỹ đạo thường 2.3 m (thuộc mức 1s, s: mức sai lệch tiêu chuẩn) Lỗi quỹ đạo vệ tinh cụ thể giống tất user GPS toàn giới Tuy vậy, user khác nhìn vệ tinh góc nhìn khác ảnh hưởng lỗi quỹ đạo lên việc tính tốn khoảng cách ảnh hưởng đến vị trí tính tốn khác Điều có nghĩa việc tính tốn kết hợp (tính sai biệt) hai thu dị tìm vệ tinh khơng thể loại bỏ lỗi quỹ đạo Tuy vậy, user nằm gần có lỗi khoảng cách lỗi quỹ đạo giống nhau, lỗi loại bỏ thông qua việc kết hợp nhiều tầm quan sát (observation) SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 51 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại 2.3.1.2 Lỗi đồng hồ vệ tinh Mỗi vệ tinh GPS Block II Block IIA mang đồng hồ nguyên tử (đồng hồ onboard), đồng hồ Cesium đồng hồ Rubidium Vệ tinh hệ Block IIR mang đồng hồ Rubidium.Một đồng hồ chọn để cung cấp yếu tố định thời tần số để tạo tín hiệu GPS, thông thường đồng hồ Cesium vệ tinh Block II/IIA.Những đồng hồ cịn lại đóng vai trò hỗ trợ Các đồng hồ vệ tinh GPS độ xác cao khơng hồn hảo Độ ổn định chúng khoảng to parts in 1013 khoảng thời gian ngày Lỗi khoảng cách gây tương ứng 2,59 m đến 5,18 m (kết tích lỗi đồng hồ với tốc độ ánh sáng) Đồng hồ Cesium có khuynh hướng hoạt động thời gian dài tốt so với đồng hồ Rubidium.Thực tế, độ ổn định đồng hồ Cesium khoảng thời gian 10 ngày cải thiện đến several parts in 1014 Sự hoạt động đồng hồ vệ tinh giám sát hệ thống trạm mặt đất Số lượng drift tính tốn truyền thành phần thông điệp dẫn đường dạng hệ số đa thức bậc Lỗi đồng hồ vệ tinh gây lỗi khác cho việc tính tốn GPS Những lỗi xảy cho tất user quan sát vệ tinh loại bỏ thơng qua việc tính sai biệt (differencing) thu Việc đưa thông tin hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh thơng điệp dẫn đường sửa lỗi đồng hồ vệ tinh Tuy vậy, phương pháp để lại lỗi khoảng vài ns , tương ứng với lỗi khoảng cách khoảng vài m (lỗi ns tương ứng với lỗi khoảng cách khoảng 30 cm) 2.3.1.3 Ảnh hưởng SA (Selective Availability) Ban đầu GPS thiết kể để việc định vị dẫn đường tự động thời gian thực cho thu mã C/A dùng cho dân xác thu mã P dùng cho quân Nhưng đáng kinh ngạc độ xác đạt cho loại thu giống Để đảm bảo tính bảo mật quốc gia, Bộ quốc phòng Mỹ bổ sung sai số nhân tạo SA vào vệ tinh GPS Block II để làm giảm độ xác cho việc định vị tự động thời gian thực user khơng đăng kí SA thức kích hoạt vào ngày 25-3-1990 SA bao gồm hai loại lỗi: Loại thứ lỗi delta, gây dithering đồng hồ vệ tinh xảy phổ biến cho toàn user giới - Loại thứ hai lỗi epsilon lỗi quỹ đạo biến thiên chậm Khi SA bật lên, lỗi theo chiều dọc chiều ngang lên đến 100 m 156 m mức xác suất 95% Cũng gi ống lỗi khoảng cách gây lỗi quỹ đạo, lỗi khoảng cách gây lỗi epsilon giống user nằm gần Do đó, sử dụng GPS sai biệt (differential GPS) khắc phục lỗi epsilon Thực tế, DGPS cung cấp độ xác tốt sử dụng thu mã P độc lập làm giảm loại trừ lỗi phổ biến, bao gồm SA - SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 52 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại 2.3.2 Lỗi môi trường truyền 2.3.2.1 Trễ tầng điện ly Đặc điểm tầng điện ly mật độ khơng khí nhỏ có nhiều phân tử tích điện Điện tử ion tạo nên bắn phá phân tử khí trung hịa tia cực tím, tia xạ mặt trời tia vũ trụ hàng chục ngàn dòng băng,…Đ ồng thời với q trình ion hóa trình tái kết hợp điện tử ion dương tạo thành phân tử trung hòa Tầng nằm độ cao xấp xỉ 50 km đến 1000 km so với mực nước biển (hình 1.24) Trong thực tế, giới hạn vùng điện ly không xác định rõ Mật độ electron vùng điện ly không đồng đều, thay đổi theo độ cao Thông thường, vùng điện ly chia làm vùng hay gọi lớp tương ứng với mật độ electron Những lớp gọi D (50,90 km), E (90,140 km), F1 (140,210 km) F2 (210,1 km), F2 lớp có mật độ electron lớn Độ cao độ dày lớp thay đổi theo thời gian thay đổi xạ mặt trời từ trường trái đất Ví dụ, lớp F1 không xuất vào ban đêm dễ thấy mùa hè mùa đông Câu hỏi đặt là: tầng điện ly ảnh hưởng đến việc tính toán GPS nào? Tầng điện ly mơi trường phân tán nên làm lệch đường truyền tín hiệu vơ tuyến GPS thay đổi tốc độ nó xuyên qua nhiều lớp tầng điện ly để truyền tới thu GPS Làm lệch đường truyền tín hiệu GPS gây lỗi khoảng cách khơng đáng kể, đặc biệt góc ngẩng vệ tinh lớn 50 thay đổi tốc độ truyền dẫn gây lỗi khoảng cách đáng kể cần xem xét tính tốn Tầng điện ly tăng tốc độ truyền dẫn pha sóng mang làm giảm tốc độ mã giả ngẫu nhiên (và thông điệp dẫn đường) với giá trị Tức là, khoảng cách thuvệ tinh q ngắn tính tốn pha sóng mang q dài tính tốn mã giả ngẫu nhiên so với khoảng cách thực Trễ tầng điện ly tương ứng với số electron tự dọc theo đường truyền tín hiệu GPS, gọi lượng electron tổng cộng (TEC) Tuy vậy, TEC phụ thuộc vào số yếu tố như: (1) Thời gian trễ (mức mật độ electron đạt đến cực đại vào buổi chiều sớm nhỏ vào nửa đêm địa phương) (2) Thời gian năm (mức mật độ electron vào mùa đông cao mùa hè) (3) Chu kỳ mặt trời 11 năm (mức mật độ electron đạt giá trị cực đại sau 11 năm, tương ứng với điểm cực đại tượng lóe sáng mặt trời gọi cực đại chu kỳ mặt trời Năm 2001 cực đại chu kỳ mặt trời số 23) (4) Vị trí hình học (mức mật độ electron nhỏ vùng ĩ vđ ạo trung (midlatitude) cao không đồng vùng cực, vùng rạng đông, vùng gần xích đạo) Bởi tầng điện ly mơi trường phân tán, gây trễ phụ thuộc tần số Tần số thấp trễ lớn; vậy, trễ tầng điện ly sóng mang L2 lớn so với L1 Nói chung, trễ tầng điện ly khoảng m đến 15 m lên đến 150 m mặt trời hoạt động mạnh vào buổi trưa gần đường chân trời SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 53 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Những điều cho thấy mức mật độ electron tầng điện ly thay đổi theo thời gian vị trí Tuy vậy, khoảng cách tương đối ngắn độ tương quan cao tính sai biệt tầm quan sát GPS user có khoảng cách gần khử thành phần chủ yếu trễ điện ly Nắm thuận lợi trạng thái phân tán tầng điện ly, trễ tầng điện ly loại bỏ cách kết hợp tính tốn dùng tần số L1 L2 User với thu song cơng kết hợp tính tốn pha sóng mang L1 L2 để tạo kết hợp tuyến tính khơng phụ thuộc tầng điện ly Các user đơn tần sử dụng mơ hình tầng điện ly biết để hiệu chỉnh tới 60% độ trễ Mơ hìnhđư ợc sử dụng rộng rãi mơ hình Klobuchar, hệ số mơ hình đư ợc truyền thông điệp dẫn đường Một giải pháp khác cho user sử dụng thu GPS đơn tần sử dụng hiệu chỉnh từ mạng nội vùng Những hiệu chỉnh nhận thời gian thực thông qua kết nối thông tin 2.3.2.2 Trễ tầng đối lưu Tầng đối lưu vùng khí trung tính điện, nằm độ cao khoảng 50 km so với bề mặt trái đất.Tầng đối lưu môi trường không phân tán tần số vô tuyến 15 GHz Kết trì hỗn sóng mang mã giả ngẫu nhiên GPS Do đó, khoảng cách vệ tinh-bộ thu đo không dài khoảng cách địa lý thực Không giống trễ tầng điện ly, trễ tầng đối lưu loại bỏ cách kết hợp quan sát dùng L1 L2 Điều chủ yếu trễ tầng đối lưu độc lập với tần số Trễ tầng đối lưu chia thành phần, khơ ẩm.Phần khơ chiếm khoảng 90% độ trễ dự đốn với mức độ xác cao sử dụng mơ hình tốn học Phần ẩm trễ tầng đối lưu phụ thuộc vào nước dọc theo đường truyền tín hiệu GPS Khơng giống phần khơ, phần ẩm khó dự đốn Một vài mơ hình tốn học sử dụng phép đo khí tượng học bề mặt (áp suất khí quyển, nhiệt độ, áp suất nước) để tính phần ẩm Tuy vậy, phần ẩm tương quan yếu với liệu khí tượng học bề mặt, làm giảm độ xác việc dự đốn 2.3.3 Lỗi thu 2.3.3.1 Lỗi đồng hồ thu Bộ thu GPS sử dụng đồng hồ thạch anh (crystal) với giá rẻ xác so với đồng hồ vệ tinh Thông thường lỗi đồng hồ thu nhiều so với đồng hồ vệ tinh GPS Tuy vậy, loại bỏ thơng qua việc tính sai biệt vệ tinh xem thơng số unknown thêm vào trong q trình tính tốn Trong số ứng dụng, đồng hồ ngồi xác (thường cesium rubidium) sử dụng thay cho đồng hồ nội thu Mặc dù đồng hồ nguyên tử hoạt động tốt so với đồng hồ nội thu giá chúng cao, vài ngàn đôla đồng hồ Rubidium đến 20000 đôla đồng hồ Cesium 2.3.3.2 Nhiễu đa đường Đa đường nguồn lỗi chủ yếu việc tính tốn khoảng cách pha sóng mang Nhiễu đa đường tồn tín hiệu GPS truyền tới anten thu thông qua nhiều đường khác Những đường tín hiệu truyền thẳng trực tiếp tín hiệu phản xạ đối tượng xung quanh anten thu (hình 1.31) SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 54 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Hình 2.26: Nhiễu đa đường Đa đường làm méo tín hiệu nguyên gốc can nhiễu với tín hiệu phản xạ anten thu Nó ảnh hưởng đến việc tính tốn khoảng cách pha sóng mang; vậy, mức độ ảnh hưởng đa đường việc tính toán khoảng cách lớn Mức độ ảnh hưởng đa đường pha sóng mang (carrier-phase multipath) đạt tới giá trị max ¼ chu kỳ (khoảng 4,8 cm sóng mang L1) Ảnh hưởng đa đường tới khoảng cách theo lý thuyết đạt đến vài chục m dùng mã C/A Tuy thực tế, với tính kỹ thuật thu, ảnh hưởng đa đường tới khoảng cách giả giảm nhanh chóng Ví dụ số kỹ thuật như: Strobe correlator (Ashtech, Inc ) MEDLL (NovAtel, Inc.) Với kỹ thuật làm giảm đa đường này, ảnh hưởng nhiễu đa đường khoảng cách giảm cịn vài m, mơi trường phản xạ mạnh Có số cách để làm giảm ảnh hưởng nhiễu đa đường Cách phức tạp chọn vùng quan sát khơng có đối tượng gây phản xạ vùng lân cận anten thu Một cách khác làm giảm ảnh hưởng đa đường sử dụng anten chock ring (thiết bị chock ring mặt đáy có nhiều vịng kim loại đồng tâm làm suy hao tín hiệu phản xạ) Bởi tín hiệu GPS phân cực trịn phía phải tín hiệu phản xạ phân cực phía trái nên việc làm giảm ảnh hưởng đa đường thực cách sử dụng anten với phân cực giống với tín hiệu GPS (nghĩa phân cực phía phải) 2.3.3.4 Sự biến thiên tâm pha anten Ta biết rằng, anten GPS nhận tín hiệu từ vệ tinh sau chuyển lượng thành dịng điện, việc thực thu GPS Điểm mà tín hiệu GPS SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 55 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại nhận gọi tâm pha anten Nói chung, tâm pha anten khơng đồng với tâm pha anten vật lý Nó thay đổi phục thuộc vào chuyển động góc phương vị vệ tinh GPS cường độ tín hiệu quan sát Kết làm gia tăng lỗi Mức độ lỗi gây biến đổi tâm pha anten phụ thuộc vào loại anten, thông thường vào khoảng vài cm Tuy vậy, khó mơ hình hóa biến đổi tâm pha anten cần ý lựa chọn loại anten Khi đường chuẩn ngắn với anten loại, lỗi tâm pha loại trừ anten có hướng Việc sử dụng nhiều loại anten sử dụng hướng khác loại trừ lỗi Do kích thước nhỏ nó, lỗi tồn hầu hết ứng dụng thực tế GPS Lỗi tâm pha khác dùng sóng mang L1 L2 Điều ảnh hưởng đến độ xác việc kết hợp tuyến tính khơng chịu ảnh hưởng tầng điện ly, đặc biệt quan sát đường chuẩn (baseline) ngắn Như đ ề cập trước đây, baseline ngắn, lỗi tăng theo khoảng cách loại trừ thơng qua việc tính tốn sai biệt Do đó, sử dụng tần số đơn thích h ợp cho baseline ngắn chế độ tĩnh 2.4 Các hệ thống định vị khác 2.4.1 GLONASS (GLObal Navigation Satellite System) GLONASS hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu thời tiết phát triển Nga.Hệ thống vệ tinh GLONASS ph ổ biến rộng rãi h ệ thống GPS Mạng lưới hệ thống GLONASS danh nghĩa bao g ồm 21 vệ tinh hoạt động vệ tinh dự phòng nằm độ cao 19.100 km vệ tinh GLONASS xếp nằm quỹ đạo (hình 11.1) Quỹ đạo GLONASS xấp xỉ vịng tròn với chu kỳ quỹ đạo 11 15 phút độ nghiêng 64,80 Tương tự GPS, vệ tinh GLONASS truyền tín hiệu với thành phần: sóng mang băng L, m ã C/A đư ợc điều chế lên sóng mang L1, mã Pđư ợc điều chế lên sóng mang L1 L2 thông điệp dẫn đường Tuy vậy, không giống GPS, vệ tinh GLONASS truyền tần số sóng mang riêng dải tần 1.602 1.615,5 MHz sóng mang L1 and 1.246 - 1.256,5 MHz sóng mang L2, phụ thuộc vào số kênh (channel number) Hai dải tần dịch tới 1.598,0625 – 1.604,25 MHz and 1.242,9375 – 1.247,75 MHz theo thứ tự để tránh can nhiễu với nhà khai thác vô tuyến nhà vận hành vệ tinh trái đất quỹ đạo thấp Tuy vậy, cặp vệ tinh đặt bên đối trái đất, điều có nghĩa user khơng th ể đồng thời nhìn thấy chúng Tức là, thu GLONASS sử dụng kênh tần số thay sử dụng mã để phân biệt vệ tinh Tốc độ chip mã P mã C/A 5,11 Mbps 0,511 Mbps Thông điệp dẫn đường GLONASS luồng liệu 50 bps cung cấp liệu ephemeris vệ tinh vị trí phân bổ kênh Tín hiệu hệ thống GLONASS khơng bị ảnh hưởng SA hay antisproofing Hệ thống GLONASS hoàn thành việc đ ưa 24 vệ tinh vào hoạt động vào tháng năm 1996 Tuy nhiên, thật không may mắn, số vệ tinh GLONASS bị rơi lại SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 56 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại vệ tinh vào tháng năm 2001 Người ta mong đợi hệ vệ tinh GLONASS-M phóng lên tương lai gần.GLONASS-M có thời gian tồn năm, có đồng hồ nguyên tử onboard có khả truyền mã C/A sóng mang L1 L2 Hình 2.27: Hệ thống GLONASS Hệ thống GPS GLONASS kết hợp lại để cải thiện độ xác định vị hình học, đặc biệt vùng vệ tinh vùng nơng thơn.Tuy vậy, có vấn đề kết hợp GPS/GLONASS.Thứ hệ thống GPS GLONASS sử dụng khung tọa độ khác để xác định vị trí vệ tinh.GPS sử dụng hệ thống WGS 84 GLONASS sử dụng hệ thống Earth Parameter System 1990 (PZ-90).Vấn đề thứ hai hệ thống sử dụng thời gian tham chiếu khác 2.4.2 Hệ thống dẫn đường vệ tinh nội Trung Quốc (Beidou system) Trung Quốc phóng vệ tinh dẫn đường được tạo nước, tạo nên hệ hệ thống định vị dựa vào vệ tinh đầu tiên.Nó hệ thống dẫn đường nội thời tiết, gọi hệ thống dẫn đường Beidou.Các vệ tinh đặt quỹ đạo địa tĩnh độ cao xấp xỉ 36000 km so với bề mặt trái đất.Hệ thống sử dụng cho việc giao thông đường hàng hải.Trung Quốc có kế hoạch xây dựng hệ thống định vị dẫn đường hệ thứ với nhiều vệ tinh vùng phủ sóng rộng 2.4.3 Sự mở rộng khu vực Các hệ thống dẫn đường toàn cầu dựa vào vệ tinh GPS GLONASS không thỏa mãn nhu cầu hàng không dân dụng.Để khắc phục giới hạn này, hệ thống mở rộng vùng nội phát triển Một hệ thống mở rộng khu vực điển hình kết nối nhiều mạng lưới vệ tinh GPS GLONASS, vệ tinh địa tĩnh trang bị thu phát dẫn đường số trạm tham chiếu mặt đất Việc kết hợp hệ thống nội khác dẫn đến hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System) (thường gọi GNSS-1) phù hợp cho nhu cầu hàng không dân dụng.Trong thực tế, ICAO (International Civil Aviation Organization) ch ứng nhận GNSS hệ thống lõi cho hàng không quốc tế sử dụng SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 57 Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại Các hệ thống mở rộng khu vực khác phát triển phần GNSS toàn cầu Mỹ phát triển hệ thống vùng nội dựa GPS gọi Wide Area Augmentation System (WASS), phủ sóng vùng Bắc Mỹ với khả mở rộng sang Nam Mỹ Châu Âu phát triển hệ thống vùng nội tương tự gọi European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS) dựa GPS GLONASS Nó phủ sóng châu  Bắc Phi với khả mở rộng châu Mỹ Trung Đông Hệ thống vùng nội dựa GPS thứ gọi Multi-function Transport Satellite (MTSAT) phát triển Nhật Bản, phủ sóng tồn châu Á Thái Bình Dương Australia trình phát triển hệ thống vùng nội riêng hộ Các hệ thống vùng nội kì vọng kết hợp với hoạt động 2.4.4 Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu châu Âu (Hệ thống Galileo) Galileo hệ thống dẫn đường toàn cầu dựa vệ tinh đề xuất châu Âu.Galileo hệ thống dùng cho dân giao thông qua hiệp hội public-private loại mạng lưới khác đầu tư để đảm bảo lựa chọn tối ưu kỹ thuật Galileo gọi quỹ đạo thấp (LEO: Low Earth Orbit), quỹ đạo trung bình (MEO) quỹ đạo IGSO (Inclined Geosynchronous Orbits) Việc kết nối loại mạng lưới nghiên cứu.Theo nghiên cứu này, nhà thiết kế Galileo cho thông qua m ột mạng lưới 30 vệ tinh MEO Vệ tinh phân phối mặt phẳng quỹ đạo độ cao 23000 km Việc lựa chọn đảm bảo đạt đồng thực tất vùng (nghĩa độc lập với vĩ độ vùng) Galileo có tương ứng mức user so với hệ thống GPS GLONASS Tuy vậy, không giống GPS GLONASS, Galileo cung cấp mức dịch vụ: dịch vụ bản, miễn phí trực tiếp dịch vụ tính phí với việc cung cấp thêm tính phụ trội SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang 58 Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS (Geography Information Systems) 3.1 Khái niệm GIS Hệ thống thông tin địa lý GIS hệ thống thông tin (trên hệ máy tính) thiết kế để thu thập, cập nhật, lưu trữ, tích hợp xử lý, tra cứu, phân tích, hiển thị dạng liệu địa lý (có vị trí trái đất) GIS cơng nghệ tích hợp thao tác sở liệu không gian với khả tra cứu phân tích thống kê khả hiển thị trực quan đồ Những khả giúp phân biệt GIS với hệ thống thơng tin khác làm cho GIS có phạm vi ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh v ực khác GIS xem kỹ thuật tiên tiến với khả cách mạng hóa mặt xã hội Hình 3.1: Giao diện GIS GIS cho phép tạo lập đồ, phối hợp thông tin, khái quát viễn cảnh, giải vấn đề phức tạp, phát triển giải pháp hiệu mà trước không thực Lập đồ phân tích địa lý khơng phải kỹ thuật mới, GIS thực thi công việc tốt nhanh phương pháp thủ công cũ.Trước cơng nghệ GIS, có số người có kỹ cần thiết để sử dụng thơng tin địa lý giúp ích cho việc giải vấn đề đưa định 3.2 Các thành phần GIS GIS kết hợp năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, liệu, người phương pháp Hình 3.2: Các thành phần GIS  Phần cứng Phần cứng hệ thống máy tính hệ GIS hoạt động.Ngày nay, phần mềm GIS có khả chạy nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến máy trạm hoạt động độc lập liên kết mạng  Phần mềm Phần mềm GIS cung cấp chức công cụ cần thiết để lưu giữ, phân tích hiển thị thơng tin địa lý Các thành phần phần mềm GIS là: • Cơng cụ nhập thao tác thông tin địa lý • Hệ quản trị sở liệu (DBMS) • Cơng cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích hiển thị địa lý • Giao diện đồ hoạ người-máy (GUI) để truy cập công cụ dễ dàng  Dữ liệu Có thể coi thành phần quan trọng hệ GIS liệu.Các liệu địa lý liệu thuộc tính liên quan người sử dụng tự tập hợp mua từ nhà cung cấp liệu thương mại.Hệ GIS kết hợp liệu không gian với nguồn liệu khác, chí sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ quản lý liệu  Con người Công nghệ GIS bị hạn chế người tham gia quản lý hệ thống phát triển ứng dụng GIS thực tế Người sử dụng GIS chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế trì hệ thống, người dùng GIS để giải vấn đề công việc  Phương pháp Một hệ GIS thành cơng theo khía cạnh thiết kế luật thương mại mô thực thi cho tổ chức Phương thức hoạt động GIS GIS lưu giữ thông tin giới thực dạng tập hợp lớp chuyên đề liên kết với nhờ đặc điểm địa lý Ðiều đơn giản vô quan trọng công cụ đa chứng minh có giá trị việc giải nhiều vấn đề thực tế, từ thiết lập tuyến đường phân phối chuyến xe, đến lập báo cáo chi tiết cho ứng dụng quy hoạch, hay mô lưu thơng khí tồn cầu Hình 3.3: Các lớp chuyên đề tạo nên GIS  Tham khảo địa lý Các thông tin địa lý chứa tham khảo địa lý (chẳng hạn kinh độ, vĩ độ toạ độ lưới quốc gia), chứa tham khảo địa lý ẩn (như địa chỉ, mã bưu điện, tên vùng điều tra dân số, định danh khu vực rừng tên đường) Mã hoá địa lý trình tự động thường dùng để tạo tham khảo địa lý (vị trí bội) từ tham khảo địa lý ẩn (là mô tả, địa chỉ).Các tham khảo địa lý cho phép định vị đối tượng (như khu vực rừng hay địa điểm thương mại) kiện (như động đất) bề mặt đất phục vụ mục đích phân tích  Mơ hình Vector Raster Hệ thống thơng tin địa lý làm việc với hai dạng mơ hình liệu địa lý khác - mô hình Vector mơ hình Raster Trong mơ hình Vector, thơng tin điểm, đường vùng mã hố lưu dạng tập hợp toạ độ x, y Vị trí đối tượng điểm lỗ khoan, biểu diễn toạ độ đơn x,y Ðối tượng dạng đường, đường giao thông, sông suối, lưu dạng tập hợp toạ độ điểm Ðối tượng dạng vùng, khu vực buôn bán hay vùng lưu vực sông, lưu vịng khép kín điểm toạ độ Mơ hình Vector ấr t hữu ích việc mơ tả đối tượng r iêng biệt, hiệu miêu tả đối tượng có chuyển đổi liên tục kiểu đất chi phí ước tính cho bệnh viện.Mơ hình Raster phát triển cho mô đối tượng liên tục vậy.Một ảnh Raster tập hợp ô lưới Cả mơ hình Vector Raster dùng để lưu liệu địa lý với ưu điểm, nhược điểm riêng.Các hệ GIS đại có khả quản lý hai mơ hình Hình 3.4: Mơ hình Vector Raster 3.4 Các nhiệm vụ GIS Mục đích chung Hệ thống thơng tin địa lý GIS thực nhiệm vụ sau: • • Nhập liệu Thao tác liệu • Quản lý liệu • Hỏi đáp phân tích • Hiển thị 3.4.1 Nhập liệu Trước liệu địa lý dùng cho GIS, liệu phải chuyển sang dạng số thích hợp Quá trình chuyển liệu từ đồ giấy sang file liệu dạng số gọi trình số hố Cơng nghệ GIS đại thực tự động hồn tồn q trình với cơng nghệ quét ảnh cho đối tượng lớn; đối tượng nhỏ địi hỏi số q trình số hố thủ cơng (dùng bàn số hố) Ngày nay, nhiều dạng liệu địa lý thực có định dạng tương thích GIS Những liệu thu từ nhà cung cấp liệu nhập trực tiếp vào GIS 3.4.2 Thao tác liệu Có trường hợp dạng liệu địi hỏi chuyển dạng thao tác theo số cách để tương thích với hệ thống định Ví dụ, thơng tin địa lý có giá trị biểu diễn khác tỷ lệ khác (hệ thống đường phố chi tiết hoá file giao thông, chi tiết file điều tra dân số có mã bưu điện mức vùng) Trước thông tin kết hợp với nhau, chúng phải chuyển tỷ lệ (mức xác mức chi tiết).Ðây chuyển dạng tạm thời cho mục đích hiển thị cố định cho yêu cầu phân tích.Cơng nghệ GIS cung cấp nhiều cơng cụ cho thao tác liệu không gian cho loại bỏ liệu không cần thiết 3.4.3 Quản lý liệu Ðối với dự án GIS nhỏ, lưu thông tin địa lý dạng file đơn giản Tuy nhiên, kích cỡ liệu trở nên lớn số lượng người dùng nhiều lên, cách tốt sử dụng hệ quản trị sở liệu (DBMS) để giúp cho việc lưu giữ, tổ chức quản lý thông tin Một DBMS đơn giản phần mền quản lý sở liệu Có nhiều cấu trúc DBMS khác nhau, GIS cấu trúc quan hệ tỏ hữu hiệu Trong cấu trúc quan hệ, liệu lưu trữ dạng bảng Các trường thuộc tính chung bảng khác dùng để liên kết bảng với Do linh hoạt nên cấu trúc đơn giản sử dụng triển khai rộng rãi ứng dụng GIS 3.4.4 Hỏi đáp phân tích Một có hệ GIS lưu giữ thơng tin địa lý, bắt đầu hỏi câu hỏi đơn giản như: • Ai chủ mảnh đất góc phố? • Hai vị trí cách bao xa? • Vùng đất dành cho hoạt động cơng nghiệp đâu? Và câu hỏi phân tích như: • Tất vị trí thích hợp cho xây dựng tồ nhà nằm đâu? • Kiểu đất ưu cho rừng sồi gì? • Nếu xây dựng đường quốc lộ đây, giao thông chịu ảnh hưởng nào? GIS cung cấp khả hỏi đáp đơn giản "chỉ nhấn" cơng cụ phân tích tinh vi để cung cấp kịp thời thông tin cho người quản lý phân tích Các hệ GIS đại có nhiều cơng cụ phân tích hiệu quả, có hai cơng cụ quan trọng đặc biệt: Phân tích liền kề • Tổng số khách hàng bán kính 10 km khu hàng? • Những lơ đất khoảng 60 m từ mặt đường? Ðể trả lời câu hỏi này, GIS sử dụng phương pháp vùng đệm để xác định mối quan hệ liền kề đối tượng Hình3.5: Phân tích liền kề Phân tích chồng xếp Chồng xếp q trình tích hợp lớp thơng tin khác nhau.Các thao tác phân tích địi hỏi nhiều lớp liệu phải liên kết vật lý.Sự chồng xếp này, hay liên kết không gian, kết hợp liệu đất, độ dốc, thảm thực vật sở hữu đất với định giá thuế Hình 3.6: Phân tích chồng xếp 3.4.5 Hiển thị Với nhiều thao tác liệu địa lý, kết cuối hiển thị tốt dạng đồ biểu đồ.Bản đồ hiệu lưu giữ trao đổi thông tin địa lý.GIS cung cấp nhiều công cụ thú vị để mở rộng tính nghệ thuật khoa học ngành đồ.Bản đồ hiển thị kết hợp với báo cáo, hình ảnh ba chiều, ảnh chụp liệu khác (đa phương tiện) 3.5 Dữ liệu cho GIS Nhìn chung có số loại liệu đồ phổ biến sau: Bản đồ - bao gồm đồ đường phố, đường quốc lộ; đường ranh giới hành chính, ranh giới vùng dân cư; sông, hồ; mốc biên giới; tên địa danh đồ raster Bản đồ liệu thương mại - Bao gồm liệu liên quan đến dân số/ nhân khẩu, người tiêu thụ, dịch vụ thương mại, bảo hiểm sức khoẻ, bất động sản, truyền thông, quảng cáo, sở kinh doanh, vận tải, tình trạng tội phạm Bản đồ liệu môi trường- Bao gồm liệu liên quan đến môi trường, thời tiết, cố mơi trường, ảnh vệ tinh, địa hình nguồn tài nguyên thiên nhiên Bản đồ tham khảo chung - Bản đồ giới quốc gia; liệu làm cho sở liệu riêng 3.6 Ứng dụng GIS GPS Ta biết rằng, GPS có ưu điểm thu thập liệu tồn cầu nhanh, khối lượng liệu quan trọng to lớn vị trí hạ tầng thị, vị trí người, …có thể tạo nên thời gian ngắn Do vậy, để khai thác hiệu lượng liệu to lớn địi h ỏi vào áp dụng cơng nghệ GIS vào việc lưu trữ, xử lý, quản lý, truy cập biểu diễn chung Quản lý thơng tin vị trí hiệu sở cho việc quản lý hiệu nhiều công tác như: sở hạ tầng, cấp thoát nước, xây dựng, quản lý đội xe,… Có nhiều cách cho phép tích hợp GPS với GIS Chẳng hạn phương pháp tích hợp liệu Phương pháp sử dụng hệ thống GPS tách biệt phục vụ cho việc thu thập lưu trữ liệu thực địa Dữ liệu thu thập chuyển máy PC nhà để thực bước xử lý cần thiết cuối xuất sang dạng đọc hệ thống GIS + Thuận lợi phương pháp kết hợp người làm công tác thu thập xử lý liệu với GPS làm việc với GPS cịn ngư ời làm cơng tác quản lý liệu với GIS cần biết GIS Trao đổi hai hệ thống thông qua việc xuất nhập liệu hai hệ thống, liệu tổ chức theo định dạng phù hợp Ứng dụng công nghệ kết hợp GPS/GIS dần phát triển mạnh Việt Nam Trong đồ án có đề cập tới mơ hình quản lý xe sử dụng công nghệ kết hợp GPS/GIS GSM/GPRS giới thiệu phần sau ... thành phần đồng pha vu? ?ng pha Thành phần đồng pha điều chế luồng liệu tốc độ 50 bps chuỗi giả ngẫu nhiên C/A (là chuỗi gồm 1023 chip chu kỳ ms, tốc độ chip 1,023 MHz) Thành phần vu? ?ng pha điều chế... đồng hóa dễ nút, song việc cần phải sử dụng ATM để vận chuyển liệu tầng thấp khiến kết cấu không linh hoạt phức tạp Trong năm gần đây, tình hình t ệ nhu cầu thơng lượng tăng cao khơng cịn với đường... cổng Ethernet 100 Mbit/s Gbit/s quen thuộc giới PC, cổng cáp quang Gigabit Ethernet SVTH: NGUYỄN LINH TUẤN VŨ Trang Luận văn: Nghiên cứu mạng di động 4G_ Ứng dụng định vị điện thoại 1.2.2.2 Đường