Thiết kế thiết bị tích hợp thông tin định vị qua mạng thông tin di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VĂN QUYẾT THIẾT KẾ THIẾT BỊ TÍCH HỢP THÔNG TIN - ĐỊNH VỊ QUA MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS VŨ VĂN YÊM HÀ NỘI, NĂM 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 11 Chương I: Tổng quan mạng di động hệ thứ 14 1.GPRS (General Packet Radio Service) 14 1.1.Kiến trúc hệ thống GPRS chung 15 1.2.Địa IP 17 1.3.Các lớp thiết bị GPRS 18 1.4.Thông số chất lượng dịch vụ (QoS) GPRS 18 1.5.Các dịch vụ hỗ trợ 19 2.Công nghệ 3G .20 2.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động khái niệm 3G 20 2.2 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT – 2000: 22 2.3 Các đặc điểm mạng 3G .24 2.4 Sự khác mạng 3G 2G 25 2.5 Cấu trúc mạng 3G .26 2.6 Kỹ thuật trải phổ thông tin di động hệ 3: 30 Chương II: Công nghệ GPS mạng WCDMA 32 Những khái niệm phương pháp định vị 32 1.1 Các khái niệm lý thuyết định .32 1.2 Các phương pháp đo đạc 33 1.3 Các kĩ thuật định vị 36 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 41 2.1 Sơ lược hệ thống GPS 41 2.2 Các thành phần GPS .42 2.3 Bộ Thu GPS 45 2.4 Phương trình xác định tọa độ 46 2.5 Các kiểu định vị GPS 47 2.6 Hiệu chỉnh đồng hồ thu 50 2.7 Tín hiệu định vị 51 2.8 Nguồn lỗi tín hiệu GPS .52 Các phương pháp định vị mạng 3G (UMTS/WCDMA) 53 3.1 Các phương pháp dựa tế bào (cell) .53 3.2 Phương pháp dựa chênh lệch thời gian quan sát tín hiệu đến với chu kỳ rỗi tín hiệu đến với chu kỳ rỗi đường xuống (OTDoA-IPDL) 54 3.3 A-GPS 55 Chương III: Truyền liệu mạng di động hệ .58 Các loại kênh truyền liệu 58 Quá trình truyền liệu 58 Chương IV: Thiết kế chế tạo thử nghiệm tích hợp truyền liệu ảnh tĩnh qua mạng di động hệ ba 61 1.Sơ đồ khối hệ thống 61 2.Lựa chọn linh kiện thiết bị 61 2.1 Lựa chọn vi điều khiển 61 2.2 Lựa chọn module truyền liệu qua mạng 3G 62 2.3 Giới thiệu thiết bị linh kiện lựa chọn 63 Thiết kế chế tạo phần cứng 73 Sơ đồ mạch thiết kế tổng thể 84 Sơ đồ bố trí linh kiện bo mạch thiết kế kế mạch in .85 Kết luận hướng phát triển đề tài 87 1.Kết thực 87 2.Những vấn đề tồn 87 3.Hướng phát triển đề tài: 87 Tài liệu tham khảo 88 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tập luận văn hoàn toàn tìm hiểu, nghiên cứu thực hiện, chép sử dụng nội dung sẵn có luận văn, đồ án khác Nếu thầy cô phát có chép nội dung từ luận văn khác, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước thầy cô giáo, Khoa Điện tử Viễn Thông Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, tháng năm 2012 Học viên Lê Văn Quyết DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nguyên văn tiếng Anh Giải nghĩa tiếng Việt 2G Second-Generation Thế hệ thứ 3G Third-Generation Thế hệ thứ ADC Analog to Digital Convertor Bộ chuyển đổi tương tự - số A-GPS Assisted GPS GPS hỗ trợ AMPS Advanced Mobile Phone System AoA Angle of Arrival Góc đến APN Access Point Name Tên điểm truy cập BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BS Base Station Trạm gốc BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Truy nhập đa phân theo mã Cell-ID Cell-Identification Nhận dạng tế bào CM Connection Management Quản lý kết nối CN Core Network Mạng lõi CPCH Common Packet Chanel Kênh gói chung CRC Cyclic Redundancy Check (Mã phát lỗi) DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối liệu DCE Data Circuit – Terminating Equipment Mạch truyền dẫn liệu DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution EVDO Evolution Data Optimized FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập theo tần số FH/SS Frequency Hopping Spreading Trải phổ kiểu nhảy tần Hệ thống điện thoại di động tiên tiến Các tốc độ số liệu tăng cường cho phát triển GSM Phát triển-Tối ưu hóa liệu Song công phân chia theo tần số Spectrum FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS GIS Geographic Information System Bản đồ số Gateway Mobile Service Switching trung tâm chuyển mạch Center dịch vụ di động cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn Telecommunication cầu GTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức hỗ trợ GPRS HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú HSDPA High Speed Downlink Pakage Access IP Internet Protocol Giao thức Internet ISP Internet Service Provide Nhà cung cấp dịch vụ Internet GMSC GSM ITU International Telecommunications Union LAN Local Area Network MAC Media Access Control MM Mobile Management MMS MultiMedia Messaging Service MS Mobile Station MSC Mobile Switching Centre MSC/VL Mobile Switching Centre/Visitor R Location Register MSISDN Truy cập gói đường xuống tốc độ cao Tổ chức viễn thông quốc tế Mạng cục Điều khiển truy cập đa phương tiện Quản lý di động Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện Trạm di động Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động Mobile Station International Subscriber Directory Number (1 thành phần mạng lõi) Số nhận dạng Đầu cuối di động MT Mobile Terminal OTDoA- Observed Time Difference of Arrival IPD with Idle Period Downlink PCU Packet Control Unit Bộ đơn vị điều khiển gói tin PTP Point to point Điểm nối điểm PTT Push to Talk Dịch vụ đàm thoại QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc RACH Random Access Chanel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RSS Radio Signal Strong Độ mạnh tín hiệu vô tuyến SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin ngắn SS Spread Spectrum Trải phổ Chênh lệch thời gian quan sát tín hiệu đến với chu kỳ rỗi đường xuống CDMA song công phân chia TD-CDMA Time-division-CDMA theo thời gian Ghép song công phân chia theo TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian TDoA Time Difference of Arrival Sai khác thời gian đến TD- Time Division Synchronous Code CDMA đồng song công SCDMA Division Multiple Access phân chia theo thời gian TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TH/SS Time Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy thời gian ToA Time of Arrival Thời gian đến UE User Equipment Thiết bị người sử dụng Universal Mobile Telecommunications Hệ thống thông tin di động toàn System cầu UMTS UTRAN thời gian UMTS Terestrial Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến WAN Wide Area Network Mạng diện rộng WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không dây Wideband Code Division Multiple Truy nhập đa phân mã băng Access rộng WCDMA DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các mô hình mã hóa GPRS 18 Bảng 1.2: Tổng quan 3G/IMT-2000 23 Bảng 1.3: Những điểm khác biệt WCDMA GSM 26 Bảng 2.1: Các đặc tính hiệu phương pháp định vị di động 56 Bảng 2.2: Một số đặc tính khác phương pháp định vị di động 56 Bảng 4.1: Ký hiệu thứ tự chân cổng USB 80 Bảng 4.2 Miêu tả chân PL2303 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Kiến trúc chung hệ thống GPRS 15 Hình 1.2: Cấp phát địa IP tĩnh GPRS 17 Hình 1.3: Cấp phát địa IP động GPRS 17 Hình 1.4: Phân bố tần số FDD TDD 26 Hình 1.5: Mô hình cấu trúc hệ thống 3G 27 Hình 1.6: Sơ đồ khối tổng quát mạng thông tin di động hệ WCDMA 28 Hình 1.7: Cấu trúc quản lý tài nguyên 29 Hình 1.8: Cấu trúc dịch vụ 30 Hình 1.9: Tín hiệu trải phổ 31 Hình 2.1: Xác đinh vị trí giao điểm ba đường tròn 37 Hình 2.2: Phương pháp xác định vị trí dựa giao ba đường Hyperbol 39 Hình 2.3: Xác định vị trí dựa vào góc 40 Hình 2.4: Hệ thống vệ tinh GPS xung quanh Trái đất 41 Hình 2.5: Ba thành phần GPS 42 Hình 2.6: Các loại vệ tinh hệ thống định vị 43 Hình 2.7: Các trạm điều khiển GPS 44 Hình 2.8: Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh 46 Hình 2.9: Kỹ thuật định vị tuyệt đối 47 Hình 2.10: Tính toán tọa độ máy thu 47 Hình 2.11: Tính toán tọa độ máy thu với vệ tinh 48 Hình 2.12: Kỹ thuật định vị tương đối 48 Hình 2.13: Kỹ thuật định vị động 49 Hinh 2.14: Tóm tắt độ xác định vị GPS 50 Hình 2.15: Cấu trúc tín hiệu GPS 52 Hình 2.16: Các phương pháp định vị dựa cell 54 Hình 2.17: Phương pháp đo OTDoA- IPDL 55 lưu cầu Nguồn đưa vào hai chân đầu vào LM317 để tạo điện áp VBAT(điều chỉnh thông qua biến trở tinh chỉnh 10K) sử dụng cho Module SIM5218A sử dụng sau LM7805 cho điện áp 5VDC Nguồn chiều từ Adapter sử dụng làm điện áp đầu vào cho LM317 đầu cho mức điện áp 1,3V, 2,5V, 2,8V Nguồn cung cấp cho mạch yếu tố quan trọng cho ổn định hiệu vận hành mạch, thiết kế khối nguồn cần lưu tâm đặc biệt phải tính toán cẩn thận để đảm bảo cung cấp đủ điện áp công suất cho mạch IC nguồn LM7805 Họ IC 7805 họ có điện áp đầu 5V, dòng điện 1A với dải điện áp đầu vào phong phú từ 5V đến 24V, giá thành rẻ dễ tìm thị trường chọn làm IC cấp nguồn 5V cho mạch IC nguồn LM317 LM317 linh kiện ổn áp bù nối tiếp dùng để biến đổi ổn định điện áp dương Nó cấp dòng 1.5 A điện áp ngã biến thiên từ 1.25V đến 37 V Là linh kiện tương đối dễ sử dụng cần thêm điện trở bên để đặt điện áp ngã Điện áp cấp cho tải ổn định so với loại IC ổn áp cố định Ngoài việc có hiệu suất cao ổn áp cố định, loại IC tích hợp khả hạn dòng ngắn mạch, bảo vệ tải nhiệt Sau hình dạng thực tế sơ đồ chân IC LM317: Hình 4.13: Sơ đồ chân IC LM317 TO-220 dạng đóng gói thường gặp LM317 dùng cho ứng dụng thông thường, trang bị thêm để tản nhiệt cho IC Các chân bao gồm: Chân điều chỉnh điện áp Ngã điện áp Ngã vào điện áp Thông số quan trọng: - Độ lệch điện áp ngã vào điện áp ngã ra: Vi-Vo= 35 Volt (hay 40 volt tùy nhà sản xuất) 74 - Nhiệt độ giới hạn: 230 độ C - Nhiệt độ vận hành: đến +125 độ C - Nhiệt độ lưu trữ: -65 đến +125 độ C - Công suất tiêu thụ: khoản giới hạn ( tối đa 20W) - Điều kiện làm việc thông thường: 5V