Đang tải... (xem toàn văn)
Hệthống địnhvị toàn cầu GPS
1.Bản chất 1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS Các vệ tinh GPS bay vòng quanh Trái Đất hai lần ngày theo quỹ đạo xác phát tín hiệu có thơng tin xuống Trái Đất Các máy thu GPS nhận thông tin phép tính lượng giác tính xác vị trí người dùng Về chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu phát từ vệ tinh với thời gian nhận chúng Sai lệch thời gian cho biết máy thu GPS cách vệ tinh bao xa Rồi với nhiều quãng cách đo tới nhiều vệ tinh máy thu tính vị trí người dùng hiển thị lên đồ điện tử máy Máy thu GPS phải khố với tín hiệu ba vệ tinh để tính vị trí hai chiều (kinh độ vĩ độ) để theo dõi chuyển động Với bốn hay nhiều số vệ tinh tầm nhìn máy thu tính vị trí ba chiều (kinh độ, vĩ độ độ cao) Một vị trí người dùng tính máy thu GPS tính thơng tin khác, tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian Mặt Trời mọc, Mặt Trời lặn nhiều thứ khác Các máy thu GPS ngày xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song chúng Các máy thu 12 kênh song song (như Garmin) nhanh chóng khố vào vệ tinh bật lên chúng trì chắn liên hệ này, chí tán rậm rạp thành phố với tồ nhà cao tầng Tình trạng định khí nguồn gây sai số khác ảnh hưởng tới độ xác máy thu GPS Các máy thu GPS có độ xác trung bình vòng 15 mét Các máy thu với khả WAAS (Wide Area Augmentation System) tăng độ xác trung bình tới mét Không cần thêm thiết bị hay phí để có lợi điểm WAAS Người dùng có độ xác tốt với DGPS (Differential GPS,) có khả sửa lỗi tín hiệu GPS để có độ xác khoảng đến mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi Hệ thống bao gồm mạng đài thu tín hiệu GPS phát tín hiệu sửa lỗi máy phát hiệu Để thu tín hiệu sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm ăn-ten để dùng với máy thu GPS I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS: Như biết nguyên lý hoạt động hệ thống DOPPLER, nguyên lý thay đổi tần số tín hiệu nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật mô tả công thức: C t + C ∆t = (x s − x p ) + (y s − y p ) + (z s − z p ) đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh; p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất; c - Tọa độ sóng; (1) t - Thời gian sóng từ vệ tinh tới máy thu ∆t - Số hiệu chỉnh thời gian Tập hợp phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có ẩn số t, xp yp zp xs ys zs biết từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t xác định theo đồng hồ vệ tinh máy thu theo mã C/A, c số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật xác định tọa độ với độ xác 10 m Nếu kết gửi tới trạm điều khiển trung tâm, có tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ xác m Sở dĩ độ xác tăng lên đáng kể máy thu thu lịch vệ tinh dự báo, trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh xác Qua thấy tọa độ tuyệt đối điểm mặt đất xác định có độ xác phương pháp DOPPLER Sở dĩ vệ tinh hệ thống GPS có độ cao gấp đôi hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt độ xác 10 m hệ thống GPS dùng để đáp ứng mục đích: - Đạo hàng ( định vị cho đối tượng chuyển động tàu biển, máy bay ) - Cung cấp tọa độ gần cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS Ngược lại với độ xác tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đạt thành tựu đáng kể việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối xác định pha sóng mang L1 (với máy thu tần số) hay L1 L2 (với máy thu tần số) Chúng ta có cơng thức: S = Nλ + ϕλ (2) Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f) f: Tần số sóng; N: Số nguyên lần bước sóng; ϕ: Pha sóng; S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu Từ công thức (2) có: ϕ = (f/c).S - N (3) Xét cơng thức (3) từ phía khác viết: ϕ(t) = φ s(ts ) - φ p(t) + Nsp (4) s s φ (t ) - Pha sóng thời điểm ts vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu; φ p(t) - Pha sóng thời điểm t máy thu nhận tín hiệu; Nsp - Số ngun lần bước sóng Từ cơng thức ta suy ra: ϕ(t) = φ s(t) - (f/c).Ssp - φ p(t) + Nsp (5) Kết hợp thành phần vế phải công thức (5) biểu diễn dạng: ϕ(t) = - (f/c).Ssp - αp(t) + βs(t) + γ sp (6) Trong đó: αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) máy thu gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu) βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh gây (chủ yếu số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh) γ sp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) vệ tinh máy thu gây không phụ thuộc thời gian (chủ yếu φ s(to) - φ p(to) + Nsp , to thời điểm bắt đầu đo) Cơng thức (6) cơng thức để lập phương trình đo kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng phải tổ hợp trị đo cho khử thành phần hệ thống p(t), s(t) p • • Hình 2.3 Giao diện Um 2.4.1.1 Lớp vật lý- Layer 1:Lớp phân chia thành hai lớp lớp RF vật lý lớp liên kết vật lý • Lớp RF vật lý Thực điều chế dạng sóng tín hiệu từ chuỗi bit nhận từ lớp liên kết vật lý Lớp giải điều chế dạng sóng thu thành chuỗi bit để chuyển lên lớp liên kết vật lý Lớp sử dụng tảng cho GPRS • Lớp kết nối vật lý Cung cấp kênh vật lý trạm di động MS mạng Chức bao gồm ghép khối liệu, mã hoá số liệu, phát hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn đường truyền vật lý Lớp liên kết vật lý sử dụng dịch vụ lớp RF vật lý Chức điều khiển lớp liên kết vật lý cho phép trì thơng tin kênh vật lý MS mạng Các thủ tục chuyển giao khơng sử dụng GPRS, thay vào thủ tục cập nhật định tuyến cập nhật (cell) Lớp liên kết vật lý có nhiệm vụ thực thủ tục sau: - Mã hoá sửa lỗi trước, cho phép phát hiệu chỉnh từ mã phát thị từ mã hiệu chỉnh - Ghép xen - Thủ tục phát nghẽn liên kết vật lý - Thủ tục đồng để điều chỉnh tham số TA (Timing Advance - Định thời sớm) - Định thời sớm thủ tục giám sát đánh giá chất lượng tín hiệu - Thủ tục lựa chọn tái lựa chọn ô - Thủ tục điều khiển công suất phát - Thủ tục cho phép tiết kiệm pin thu không liên tục DRX (Discontinuous Reception) … 2.4.1.2 Lớp RLC/MAC MAC (Medium Access Control - Điều khiển truy nhập trung gian) : Xác định thủ tục cho phép nhiều máy di động chia sẻ tài nguyên chung (ví dụ chia sẻ kênh vật lý), MAC cho phép máy di động đơn lẻ sử dụng nhiều kênh vật lý đồng thời RLC (Radio Link Control - Điều khiển kết nối vô tuyến) xác định thủ tục truyền lại khối liệu RLC bị lỗi, cung cấp khả phân mảnh xếp lại khối liệu gói PDU lớp LLC vào khối liệu RLC Cụ thể: Chức MAC: - Cung cấp khả ghép kênh liệu báo hiệu đường lên đường xuống - Điều khiển truy nhập kênh vô tuyến, thực thủ tục phát hiện, khôi phục tránh xung đột (đối với việc truy nhập khởi tạo từ máy di động) - Quản lý hàng đợi gói liệu truy nhập kênh kết nối MS - Quản lý mức ưu tiên Chức RLC: - Truyền tải PDU LLC lớp LLC chức MAC - Phân mảnh xếp PDU LLC vào khối liệu RLC - Sửa lỗi cách phát lại BEC (Back Error Correction): Nó cho phép truyền lại từ mã khơng - Truyền tải từ mã tuỳ thuộc vào điều kiện kênh truyền dẫn 2.4.1.3 Lớp LLC Các chức lớp LLC bao gồm: - Truyền tải khối liệu giao thức phân hệ mạng SN – PDU (SubNetwork – Protocol Data Unit) lớp SNDCP lớp LLC - Truyền tải khối liệu gói PDU lớp điều khiển kết nối logic LLC (LLC – PDU) máy di động SGSN - Phân phát LLC – PDU từ điểm đến điểm hai chế độ: xác nhận không xác nhận máy di động SGSN - Phân phát LLC – PDU từ điểm đến đa điểm máy di động SGSN - Phát khôi phục LLC – PDU bị thất lạc - Điều khiển luồng LLC – PDU máy di động SGSN - Mã hoá LLC – PDU • 2.4.1.4 Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng SNDCP – Sub Network Dependent Convergence Protocol Giao thức dùng để ghép kênh liệu đến từ nguồn khác trước chúng gửi nhờ dịch vụ lớp LLC cung cấp Ở tầng phía trên, liệu xử lý để chuyển thành đơn vị liệu N-PDU ( Network Protocol Data Unit) Sau N-PDU phân đoạn thành SN-PDU ( SubNetwork PDU giao thức SNDCP Các SN-PDU xếp vào khung LLC có kích cỡ thay đổi Tiếp đến, LLC-PDU lại chia thành RLC/MAC block có kích cỡ tùy thuộc vào kỹ thuật mã hóa sử dụng (CS1,CS2,CS3,CS4) Cuối RLC/MAC block mã hố thành khối vơ tuyến lớp vật lý 2.4.2 Giao diện Gb Hình 2.4: Giao diện Gb Giao diện Gb giao diện BSS SGSN SGSN với hay nhiều khối điều khiển gói PCU (Packet Control Unit) kết nối với qua giao diện Gb Nó cho phép nhiều người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên chung Các tin báo hiệu liệu người dùng gửi nguồn tài nguyên vật lý GMM/SM (GPRS Mobility Management/ Session Management – Quản lý di động GPRS/ Quản lý phiên): Giao thức hỗ trợ cho chức quản trị di động mạng GPRS nhập mạng, rời mạng, cập nhật vùng định tuyến, cập nhật vùng định vị, khởi tạo/ huỷ bỏ PDP context Giao diện hỗ trợ: - Dùng chung hạ tầng mạng: cho phép lưu lượng giao diện A (trong GSM) Gb đường E1 - Kết hợp liên kết: cho phép kết hợp nhiều giao diện Gb nhiều đường E1 đường E1 - Điều khiển luồng 2.4.3 Giao diện Gc Hình 2.5 Giao diện Gc Giao diện Gc giao diện GGSN HLR Có cách thiết lập tuyến báo hiệu GGSN HLR: • Nếu giao diện SS7 cài đặt GGSN giao thức MAP sử dụng để trao đổi thơng tin GGSN HLR • Nếu giao diện SS7 khơng cài đặt GGSN GGSN HLR phải giao tiếp thông qua GGSN trung gian Nút trung gian phải có khả hỗ trợ nhóm giao thức: • Một nhóm giao thức để giao tiếp GGSN (GTP) • Một nhóm giao thức sử dụng báo hiệu số để giao tiếp với HLR (MAP) 2.4.4 Giao diện Gd Hình 2.6 Giao diện Gd Giao diện Gd giao diện SGSN với SMS-GMSC SGSN với SMSIWMSC cho phép sử dụng dịch vụ SMS mạng GPRS Giao diện sử dụng báo hiệu số 2.4.5 Giao diện Gf Là giao diện SGSN EIR nhằm hỗ trợ cho thủ tục xác nhận thuê bao thực trình kết nối vào mạng cách hỏi số IMEI thuê bao MS Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho báo hiệu hai phần tử SGSN EIR phục vụ cho việc nhận dạng thiết bị đầu cuối 2.4.6 Giao diện Gr: • MAP (Mobile Application Port): cổng ứng dụng di động • TCAP (Transation Capabilities Application Part): phần ứng dụng khả giao dịch • SCCP (Signaling Connection Control Part): phần điều khiển kết nối báo hiệu • MTP (Message Transfer Part): phần chuyển giao tin báo • L1 (Layer 1): lớp Hình 2.7 Giao diện Gr Giao diện kết nối SGSN với HLR báo hiệu số 7, cung cấp khả truy cập tới tất nút mạng báo hiệu số 7, bao gồm HLR nội PLMN HLR mạng PLMN khác nhằm mục đích tham chiếu vị trí thuê bao GPRS.Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho khả trao đổi tín hiệu SGSN HLR Còn giao thức TCAP, SCCP, MTP3, MTP2 giống giao thức sử dụng hỗ trợ MAP mạng GSM 2.4.7 Giao diện Gs Hình 2.8 Giao diện Gs Giao diện Gs giao diện SGSN MSC/VLR, nhằm trao đổi thơng tin vị trí, tìm gọi phối hợp phân phối sử dụng tài nguyên vô tuyến để hỗ trợ cho thuê bao kết nối vào hai hệ thống GPRS GSM Giao diện sử dụng báo hiệu số Tại giao diện này, BSSAP+ ( Base Station System Application Part +): phận BSSAP nhằm hỗ trợ cho việc báo hiệu SGSN MSC/VLR 2.4.8 Giao diện Gi: Hình 2.9 Giao diện Gi Giao diện Gi giao diện GGSN mạng số liệu bên nh mạng X.25, mạng IP, Internet, Intranet… nhằm phục vụ cho việc trao đổi liệu thuê bao di động mạng ngồi 2.4.9 Giao diện Gn: Hình 2.10 Giao diện Gn Giao diện Gn giao diện SGSN với GGSN mạng GPRS để điều khiển báo hiệu ( quản lý di động, quản lý phiên) truyền dẫn liệu user mạng trục thuê bao di chuyển từ SGSN sang SGSN khác GTP- GPRS Tunnelling Protocol: giao thức đừơng hầm, cho phép truyền tin báo hiệu liệu user mạng trục GPRS thông qua đường hầm ( tunel) TCP/UDP( Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol): chuyển tin báo hiệu SGSN với GGSN 2.5 Các kênh kiến trúc mạng GPRS 2.5.1 Kênh vật lý GPRS : PDCH- Packet Data Channel: kênh vật lý ( khe thời gian khung TDMA) ấn định để sử dụng cho GPRS Sự ấn định cố định hay tạm thời ( trường hợp tái thiết lập cấu hình động cho việc sử dụng kênh vật lý GSM GPRS) Đa khung PDCH bao gồm 52 khung TDMA với khung rỗi, khung dùng để truyền thơng tin kênh PTCCH 48 khung lại chia làm 12 block, block có khung Đa khung coi tương tự đa khung 26 khung GSM Mỗi đa khung PDCH có độ dài 240 ms Hình 2.11 Cấu trúc đa khung GPRS • Ở huớng xuống: có kênh PDCH chọn để truyền PBCCH block Thông tin cụ thể quy định PDCH truyền PBCCH block chứa nội dung kênh BCCH Block cấu trúc đa khung truyền kênh PBCCH Các block lại truyền kênh PPCH, PAGCH, PNCH, PDTCH, PACCH • Ở hướng lên: truyền kênh PRACH, PDTCH, PACCH Thông thường block chọn để truyền kênh PRACH Đối với kênh vật lý không mang PCCCH: tất block dùng để truyền thông tin kênh PDTCH hay PACCH Hai khung rỗi hai khung dùng cho PTCCH MS sử dụng để đo tín hiệu nhận dạng trạm BTS Việc xếp kênh vào đa khung điều khiển tham số phát quảng bá kênh PBCCH 2.5.2 Các kênh logic: Hình 2.12 : Các kênh logic GPRS • 2.5.2.1 Kênh điều khiển quảng bá PBCCH-Packet Broadcast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá PBCCH: kênh hướng xuống dùng để phát quảng bá thơng tin hệ thống liệu gói PBCCH xếp lênh kênh vật lý tương tự BCCH hệ thống GSM Sự tồn cảu PBCCH hệ thống BCCH thông báo Thực sự, tồn kênh PBCCH hệ thống GPRS khơng q cần thiết, PBCCH khơng cấp thơng tin quảng bá phát BCCH • 2.5.2.2 Các kênh điều khiển chung PCCCH – Packet Common Control Channel Các kênh điều khiển chung PCCCH có chức tương tự CCCH mạng GSM Nếu khơng tồn PCCCH việc truyền tải liệu khởi tạo từ CCCH • Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH- Packet Random Access Channel: kênh hướng lên MS sử dụng để khởi đầu cho việc gửi thông tin số liệu thơng tin báo hiệu ( ví dụ trả lời tin tìm gọi) Cụm truy nhập- Access Burst sử dụng kênh PRACH chứa đựng thơng tin định thời MS • Kênh tìm gọi PPCH - Packet Paging Channel: kênh hướng xuống, sử dụng để tìm gọi MS có yêu cầu gửi liệu đến MS PPCH dùng để tìm MS hoạt động hai chế độ chuyển mạch kênh chuyển mạch gói, có hiệu lực máy MS lớp A lớp B Khi chế độ nhận/gửi liệu nhắn tìm MS cho dịch vụ chuyển mạch kênh thơng qua kênh điều khiển kết hợp PACCH • Kênh cho phép truy cập PAGCH – Packet Access Grant Channel: kênh hướng xuống, sử dụng để gửi tin ấn định tài nguyên đến MS sau MS gửi tin truy cập kênh PRACH Bản tin ấn định tài nguyên gửi PACCH trường hợp MS thực truyền tải liệu • Kênh thơng báo gói PNCH – Packet Notification Channel: kênh hướng xuống, dùng để gửi thông báo PTM-M – Point to Multipoint- Multicast đến nhóm MS trước truyền gói PTM-M Bản thơng báo có dạng tin ấn định tài nguyên • 2.5.2.3 • Các kênh điều khiển dành riêng PDCCH: Kênh điều khiển liên kết PACCH – Packet Associated Control Channel: sử dụng cho hướng lên hướng xuống để truyền thông tin báo hiệu liên quan đến máy di động chọn : thông tin điều khiển công suât, báo nhận, tin ấn định ấn định lại tài nguyên cho MS… Một PACCH kết hợp với hay vài kênh lưu lượng gói dành cho máy di động Ngồi ra, PACCH truyền tải tin tìm gọi MS cho dịch vụ chuyển mạch kênh MS gửi/nhận liệu • Kênh PTCCH – Packet Timing Advance Control Channel: truyền thông tin đồng khung, bao gồm loại: • PTCCH/U – TCCH Uplink: truyền cụm truy nhập ngẫu nhiên cho phép mạng ước lượng sớm pha thời gian MS chế độ truyền gói • PTCCH/D – PTCCH Downlink: truyền thông tin cập nhật sớm pha thời gian cho nhiều MS Một PTCCH/D kết hợp với nhiều PTCCH/U • 2.5.2.4 Kênh lưu lượng PDTCH Kênh lưu lượng PDTCH dùng để truyền liệu qua giao diện vơ tuyến, dành riêng tạm thời cho hay nhóm MS ( trường hợp PTM – M) Một MS sử dụng đồng thời nhiều PDTCH (tối đa cho đường lên/xuống) để phục vụ cho việc truyền tải liệu.Tất cá kênh PDTCH kênh đơn hướng: • PDTCH/U: sử dụng cho hướng lên trình truyền tải liệu khởi tạo từ MS • PDTCH/D: sử dụng cho hướng xuống trình truyền tải liệu kết cuối MS Khi sử dụng khe TS để truyền liệu PDTCH kênh tồn tốc PDTCH/F hay kênh bán tốc PDTCH/H tuỳ thuộc vào việc dùng PDCH/F hay PDCH/H tương ứng Còn sử dụng đồng thời nhiều TS để truyền liệu PDTCH kênh toàn tốc Như tập hợp kênh logic GPRS gần giống với GSM có điểm bật khả linh hoạt sử dụng kênh lưu lựơng PDTCH tuỳ thuộc vào nhu cầu thuê bao trạng thái hoạt động mạng để phục vụ việc truyền tải liệu qua giao diện vô tuyến