Mọi mạng điện thoại cần một cấu trúc nhất định để định tuyến các cuộc gọi vào tổng đài cần thiết và cuối cùng đến thuê bao bị gọi, ở một mạng di động cấu trúc này rất quan trọng do tính lưu thông của các thuê bao trong mạng.
Vùng mạng:
Tổng đài vô tuyến cổng GMSC kết nối các đường truyền giữa mạng GSM/PLMN và mạng PSTN/ISDN khác hay các mạng PLMN khác sẽ ở mức tổng đài trung kế quốc gia hay quốc tế. Tất cả các cuộc gọi vào cho mạng GSM sẽ được định tuyến đến một hay nhiều tổng đài vô tuyến cổng GMSC.
Vùng phục vụ MSC/VLR:
Vùng MSC là một bộ phận của mạng được một MSC quản lý. Để định tuyến một cuộc gọi đến một thuê bao di động, đường truyền qua mạng sẽ được nối đến MSC ở vùng phục vụ MSC nơi thuê bao đang ở.
Vùng phục vụ như là một bộ phận của mạng được định nghĩa như một vùng mà ở đó có thể đạt đến trạm di động nhờ việc MS này được ghi lại ở một bộ định vị khác (VLR).
Một vùng mạng GSM được chia thành một hay nhiều vùng phục vụ MSC/VLR.
Mỗi vùng phục vụ MSC/VLR được chia thành một số vùng định vị. Vùng định vị là một phần của vùng phục vụ MSC/VLR mà ở đó một trạm di động có thể chuyển động tự do mà không cần cập nhật thông tin về vị trí cho tổng đài MSC/VLR điều khiển vùng định vị này. Vùng định vị này là một vùng mà ở đó thông báo tìm gọi sẽ được phát quảng bá để tìm một thuê bao di động bị gọi. Vùng định vị có thể có một số cell và phụ thuộc vào một hay vài BSC nhưng nó chỉ phụ thuộc vào một MSC/VLR.
Hệ thống có thể nhận dạng vùng định vị bằng cách sử dụng nhận dạng vùng định vị LAI.
Vùng định vị được hệ thống sử dụng để tìm một thuê bao đang ở trạng thái hoạt động.
Ô (cell):
Vùng định vị được chia thành một số ô, là một vùng bao phủ vô tuyến được nhận dạng bằng nhận đạng ô toàn cầu (CGI).
Trạm di động tự nhận dạng một ô bằng cách sử dụng mã nhận dạng trạm gốc (BSIC).
2.2.1.7. Các đặc trƣng của GSM
Trong các hệ thống điện thoại di động hiện có cung cấp cho các thuê bao và nhà khai thác nhiều ưu điểm hơn một mạng điện thoại tiêu chuẩn. Nhưng ở đó còn nhiều hạn chế. GSM đã khắc phục được những hạn chế đó và được thể hiện qua các đặc trưng sau.
Tính tương thích:
Do sự phát triển nhanh chóng của các mạng tế bào ở Châu Âu, hiện có nhiều hệ thống tế bào khác nhau mà không tương thích với nhau. Vì vậy, hiển nhiên là cần phải có một tiêu chuẩn chung cho hệ thống thông tin di động. Và một hội đồng thực thi đã được thiết lập với một nhiệm vụ phức tạp là phân định chung-riêng ở mạng tiêu chuẩn mới. Tiêu chuẩn GSM đã được qui định và phát triển ở các nước Châu Âu đang hoạt động để khai thác chung với nhau . Kết quả là một hệ thống tế bào đã được thực hiện ở khắp Châu Âu. Sự thuận lợi do tiêu chuẩn GSM đem lại, sẽ có một thị trường lớn đối với các thiết bị GSM. Nghĩa là các nhà sản suất sẽ cung cấp các hiết bị với chất lương cao hơn và giá thành rẻ hơn. Các thành công của GSM đã được chấp nhận và thực hiện trên khắp thế giới.
Hệ thống thông tin di động số GSM tương thích với hệ thống báo hiệu số 7 và sử dụng băng tần (890-915 ) MHz để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc và băng tần (935-960) MHz để truyền dẫn tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động.
Loại bỏ các tạp âm:
Trong các hệ thống điện thọai tế bào hiện nay, máy di động thông tin với cell bằng các tín hiệu vô tuyến tương tự. Mặc dù kỹ thuật này có thể đảm bảo một chất lượng thoại rất tốt (nó được sử dụng nhiều đối vớ vô tuyến quảng bá stereo), nhưng nó dễ bị tạp âm xâm nhập .
Tạp âm sẽ giao thoa với hệ thống hiện hành, có thể được phát sinh bởi các nguyên nhân sau :
Một nguồn công suất mạnh hoặc kéo dài , gần với hệ thống thông tin di động (như hệ thống đánh lửa trên ô tô , sét ...)
Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau trên cùng một tần số (nhiễu kênh chung).
Sự truyền dẫn ở các máy di động khác nhau, theo kiểu “xuyên ngang “ từ một tần số lân cận (nhiễu kênh lân cận ).
Nhiễu nền xâm nhập vì tín hiệu quá yếu.
Để đối phó với nhữnh vấn đề gây ra nhiễu trong hệ thống tế bào mới người ta sử dụng các tín hiệu số tay cho tín hiệu tương tự. Các tín hiệu được phát trên một giao diện vô tuyến - số có thể được bảo vệ để chống lại các lỗi phát sinh do tạp âm. Việc bảo vệ này sẽ hình thành từ sự mã hoá của tín hiệu, mà cơ chế là do sự quyết định của phần mềm và sử dụng giải mã viterbi. Các cơ chế này cho phép phát hiện và sửa chữa các lỗi ở một tín hiệu. Kết quả là có một giao diện vô tuyến mạnh hơn nhiều.
Thông tin di động số có thể chịu được mức nhiễu cao hơn so với các hệ thống tương tự hiện có, dẫn đến việc cải thiện cả chất lượng lẫn hiệu quả ở hệ thống thông tin di động .
Tính linh hoạt và tăng thêm dung lượng:
Với giao diện vô tuyến tương tự hiện có, mỗi kết nối giữa một thuê bao di động với một Cell đòi hỏi phải có sóng mang RF riêng, điều đó dẫn đến đòi hỏi ở Cell phải lắp đặt thêm modul (phần cứng ) RF. Vì vậy, để mở rộng dung lượng của một Cell thì phải tăng thêm số lượng các kênh và các modul RF có chất lượng tương đương phải được đưa thêm vào thiết bị của Cell. Do đó, việc mở rộng hệ thống là tốn nhiều thời gian, tiền của và công sức. Như vậy, các hãng khai thác cũng bao hàm cả việc lập kế hoạch RF rất phức tạp. Để khai thác một cách hợp pháp, tất cả các hệ thống phải sử dụng một khoảng tần số RF đã đựoc qui định chặt chẽ, chỉ trong khoảng tần số (872-960 MHz).
Rõ ràng phổ tần số bị nhiều hạn chế và chỉ một số lượng có hạn các cuộc đàm thoại là có thể chèn được trên một số lượng kênh vô tuyến đã cho, do đó, thường xuyên có sự quá tải xảy ra tại giờ cao điểm của nhu cầu, kết quả là “ call
blocking “ (tức thuê bao sẽ nghe một cho biết đường truyền đang bận ), hậu qủa là sự không thoả mãn của thuê bao.
Khi mà giao diện số được sử dụng ở hệ thống GSM sẽ đưa đến việc giải quyết việc sử dụng phổ vô tuyến có sẵn một cách hiệu quả hơn. Tám cuộc gọi đồng thời được thực hiện trên một sóng mang RF. Điều đó có nghĩa là mỗi modul RF riêng sẽ đáp ứng cho 8 thuê bao cùng một lúc, và như vậy hệ thống sẽ được mở rộng, yêu cầu thay đổi modul RF thường ít hơn so với các hệ thống cũ. Do đó hệ thống là rất linh hoạt vì nó có thể thay đổi dung lượng bằng một bộ phận khác của mạng bằng cách đặt lại cấu hình từ cơ sở dữ liệu của hệ thống.
Sử dụng các giao diện tiêu chuẩn:
Trong mạng tế bào mỗi thiết bị được sử dụng là được chế tạo bởi một nhà sản suất. Điều đó là vì một hãng sản xuất chỉ sản xuất thiết bị đã được thiết kế để thông tin với nhau. Tình trạng này có thể rất có lợi cho các hãng sản xuất như họ có ảnh hưởng lớn lên sự định giá các sản phẩm của họ, nhưng lại là điều không có lợi đối với người sử dụng điện thoại di động và nhà khai thác mạng vì giá thành thiết bị cao.
Với hệ thống thông tin di động số GSM thì ngược lại, vì do các giao diện tiêu chuẩn như C7 và X25 được sử dụng trong toàn hệ thống. Điều này có nghĩa là các nhà qui hoạch hệ thống có thể lựa chọn thiết bị với giá thành khác nhau của các hãng sản xuất khác nhau. Vì vậy, sự cạnh tranh giữa các hãng sản xuất với nhau sẽ tăng lên và giá thành sẽ hạ xuống.
Ngoài ra, các nhà thiết kế mạng sẽ có nhiều linh hoạt hơn khi đặt mua các cấu kiện của mạng, tức là họ có tể tạo ra nhiều hiệu quả sử dụng ở các đường truyền mặt đất mà họ đang khai thác.
An toàn và bảo mật tuyệt đối:
Vấn đề an toàn được xem đứng đầu danh mục các vấn đề sẽ được cạnh tranh của các nhà khai thác ở các hệ thống tương tự. Trong một vài hệ thống thế hệ đầu có khoảng 20% cuộc gọi bị ăn cắp. Để bảo mật số liệu và thoại được tốt, GSM đưa ra đề nghị bảo mật cả về phương pháp truyền dẫn trên giao diện vô tuyến và cả ở cách thức lưu lượng được xử lý trước khi truyền dẫn. Các dữ liệu được điều khiển và báo hiệu sẽ được mật mã cùng với các kỹ thuật nhận thực thuê bao tinh vi sẽ loaị trừ việc ăn cắp cuộc gọi. ở hệ thống GSM thiết bị di động sẽ được nhận dạng một cách độc lập từ thuê bao di động. Mỗi máy di động có một số nhận dạng được mã hoá cứng khi sản xuất để kiểm tra nếu như nó được khai báo là đã bị mất cắp.
Hệ thống GSM đảm bảo ở một mức độ cao tính bảo mật cho các thuê bao, các cuộc gọi sẽ được số háo, mã háo và sau đó được gài mật mã trước khi phát lên không gian.
Chuyển vùng nhanh hơn:
Chuyển vùng xảy ra khi máy di động di chuyển giữa các cell. Một cuộc gọi sẽ được chuyển từ một kênh này đến kênh khác và từ một cell này đến một cell khác để duy trì cuộc gọi được liên tục. Trong các hệ thống tương tự hiện có, chỉ có thuê bao rất tốt mới nhận ra một chuyển vùng đã xảy ra. Còn hệ thống GSM đã giải quyết vấn đề này và quá trình chuyển vùng được điều khiển chặt chẽ hơn nhiều. GSM cho phép đưa nhiều yếu tố vào tính toán và được tính toán chi tiết hơn (Đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận).
Nhận dạng thuê bao:
So với các hệ thống tương tự, mỗi thuê bao di động được nhận dạng bởi số máy điện thoại mà nó được gắn lên thiết bị di động của nó. Vì vậy nếu thuê bao muốn thu/phát các cuộc gọi thì cần phải có thiết bị di động. Trong hệ thống GSM, thuê bao và thiết bi di động được nhận dạng một cách riêng rẽ. Thuê bao được nhận dạng bằng một card thông minh (Smart card),được biết như một khối nhận dạng thuê bao SIM. Nghĩa là người sử dụng chỉ cần mua thuê bao ở một hệ thống di động nhưng có khả năng sử dụng cho nhiều kiểu thiết bị di động khác nhau (Fax, Computer, điện thoại di động). Nghĩa là khi di chuyển thuê bao chỉ cần mang theo SIM card của nó. Vì SIM card nhận diện người sử dụng nên bất kỳ nơi nào các cuộc gọi của thuê bao tạo ra, háo đơn tính cước sẽ luôn luôn được được gửi tới bộ ghi định vị thường trú (HLR) của thuê bao.
Tính tương thích với ISDN:
ISDN là một tiêu chuẩn mà hầu hết các nước đang phát triển đã cam kết thực hiện. Đây là một mạng thông tin mới và tiên tiến được thiết kế để truyền thoại và số liệu thuê bao trên các đường truyềnthoại tiêu chuẩn. Mạng GSM đã được thiết kế để khai thác với hệ thống ISDN và sẽ cung cấp các đặc tính có thể tương thích với nó.
2.2.1.8. Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN
Do đặc điểm đoàn tàu luôn di động trên các khu gian, do vậy để đáp ứng được yêu cầu thông tin về vị trí của đoàn tàu luôn luôn được cập nhật theo thời gian thực về các ga và trung tâm điều hành vận tải thì việc sử dụng công nghệ GSM của các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động là rất thực tế và khả thi nhất. Trong khuôn khổ bài luận văn này đề xuất sử dụng 2 mạng di động có phạm vi phủ sóng ổn định và rộng nhất đó là mạng Vinaphone và mạng Viettel.
Các thông tin về đoàn tàu sau khi được cập nhật từ các thiết bị gắn trên đầu máy sẽ được tổ chức thành các bản tin ngắn và gửi về trung tâm điều hành
vận tải thông qua mạng GSM. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống sẽ được thể hiện cụ thể trong Chương III.
2.2.2. Hệ thống nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID [3],[7],[11]
2.2.2.1. Khái niệm
RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng bằng sóng radio. Công nghệ này cho phép các máy tính nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu nhận sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý và lưu vết từng đối tượng riêng rẽ khi chúng được di chuyển giữa các vị trí vật lý khác nhau.
Hình 2.16. Thẻ RFID
Thẻ RFID là những tấm thẻ plastic có gắn các microchip bé chỉ bằng một nửa hạt cát. Chúng bắt được các tín hiệu sóng radio và đáp ứng bằng cách phát ra mã số nhận diện tương ứng. Hầu như tất cả các thẻ RFID không dùng nguồn pin để cung cấp năng lượng hoạt động mà sử dụng năng lượng từ sóng radio kích hoạt để hoạt động.
Để quản lý một đối tượng, người ta gắn vào nó một thẻ có khả năng thu/phát tín hiệu radio, đồng thời sử dụng một anten để tiếp nhận tín hiệu này. Nội dung của tín hiệu thu được sẽ được anten chuyển về hệ thống thông tin quản lý đối tượng, thông thường là một hệ thống máy tính phân tán. Dựa vào thông tin đó, hệ thống có thể biết được đối tượng đang ở đâu, trạng thái ra sao, đồng thời có thể cập nhật các thông tin cần thiết lên thẻ.
2.2.2.2. Cấu trúc hệ thống và các loại thẻ
Mô ̣t hê ̣ thống RFID có ba bô ̣ phâ ̣n cấu thành : - Thẻ (tag): gồm chip kết n ối với anten
- Đầu đọc RFID (reader): kết nối vớ i máy tính và ăngten (antenna) kết nối với đầu đo ̣c.
Hình 2.17. Mô hình kỹ thuật của hệ thống ứng dụng công nghệ RFID
Có một loạt các đặc điểm kỹ thuật quan trọng trong một hệ thống RFID: phổ tần vô tuyến, phạm vi mà các thẻ sẽ đọc được, môi trường mà các thẻ có vai trò, những vật liệu nào được mà thẻ được gắn. Ở mức cao nhất, các thẻ được phân loại theo 2 tiêu chí:
2.2.2.3. Thẻ thụ động (passsive)
Đây là loại thẻ được sử dụng rộng rãi hiện nay, giá thành rẻ.
- Phương thức hoạt động của thẻ thụ động như sau: Bộ phận đọc thẻ sẽ truyền sóng radio đến thẻ bị động và kích hoạt thẻ. Sau đó thẻ sẽ tự động truyền thông tin được mã hóa của nó đến bộ phận đọc.
- Hạn chế của thẻ bị động: tầm hoạt động hạn chế, thường chỉ sấp xỉ 1-2m.
- Lợi điểm của thẻ thụ động: thẻ thụ động không đòi hỏi phải có pin để hoạt động, có vòng đời sử dụng rất lâu, kích thước nhỏ và rẻ, có thể tái sử dụng.
2.2.2.4. Thẻ chủ động (active)
Loại thẻ này có gắn pin (có loại sử dụng pin gắn cố định trong thẻ, có loại sử dụng pin rời).
- Phương thức hoạt động: thẻ hoạt động sẽ tự động phát ra tín hiệu trong một bán kính khoảng 100m để tự động phát tín hiệu đến cho các bộ phận đọc và truyền thông tin được mã hóa.
- Hạn chế của thẻ hoạt động: thẻ không thể hoạt động nếu không có pin, đắt và có kích thước tương đối lớn
- Lợi điểm của thẻ hoạt động: tầm phủ sóng lớn (hơn 100m), có thể sử dụng các nguồn điện để hoạt động. Trong tương lai gần, các thẻ hoạt động có thể sẽ mang nhưng chức năng sau:
+ Khả năng tư kiểm soát và theo dõi sản phẩm nó gắn vào. + Có khả năng lưu trữ dung lượng thông tin rất lớn.
+ Có thể được gắn với bộ phận tìm kiếm mạng lưới tự động, cho phép nó lựa