TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ tiên tiến đã dẫn đến xu hướng hội tụ giữa công nghệ và dịch vụ mạng truyền thông trong các thế hệ mạng di động Hạ tầng mạng di động không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng, ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và dịch vụ.
Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ mạng lớn tại Việt Nam như VNPT, Viettel và Mobifone đã triển khai mạng di động 2G, 3G và 4G với băng thông rộng, mang đến nhiều dịch vụ tiện ích cho khách hàng Họ đã nghiên cứu và ứng dụng các dịch vụ dựa trên định vị di động, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Hệ thống tích hợp Media – LBS giải quyết các vấn đề xã hội như định vị, theo dõi và dự báo thời tiết Nó hỗ trợ tìm kiếm các đối tượng thực tế dựa trên vị trí số hóa, bao gồm nhà hàng, khách sạn và bến xe Đồng thời, hệ thống cũng đáp ứng nhu cầu về một ứng dụng truyền thông tổng hợp dựa trên vị trí, mang lại giá trị tiện ích cho người dùng.
Nghiên cứu kỹ thuật định vị di động trên mạng 3G của MobileFone tập trung vào việc phát triển các giải pháp dịch vụ, bao gồm định vị và theo dõi vị trí người sử dụng Ứng dụng mMap, được cài đặt trên thiết bị di động, cho phép người dùng tìm kiếm dịch vụ, xem bản đồ và theo dõi lịch trình một cách dễ dàng.
Hiện nay, các mạng GSM tại Việt Nam chưa thể xác định vị trí của thuê bao di động một cách chính xác theo tọa độ, mà chủ yếu dựa vào vị trí tương đối của các trạm BTS Điều này dẫn đến việc dịch vụ tìm kiếm trên thiết bị di động chỉ hoạt động dựa trên chương trình đã cài đặt sẵn, mà chưa giải quyết được vấn đề xác định chính xác vị trí của thuê bao ở bất kỳ đâu trong mạng lưới trạm BTS.
A, ta có thể hiểu là thuê bao đó đang ở trong khu vực bán kính từ 500m – 15 km xung quang A mà thôi
A-GPS kết hợp thông tin từ các vệ tinh để xác định vị trí thuê bao một cách chính xác Tuy nhiên, hệ thống này có thể gây bất tiện cho thiết bị thu GPS trong điện thoại di động Mặc dù A-GPS cung cấp độ chính xác cao ở khu vực rộng, nhưng hiệu suất của nó lại kém khi sử dụng trong những khu vực bị che chắn.
Liên quan đến lĩnh vực này có một số kết quả nghiên cứu nhƣ sau:
[1] Phạm Huy Bình, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Nghiên cứu kỹ thuật định vị di động ứng dụng trên mạng 3G MobileFone
[3] Lê Thành Đạt, Học viện Hàng không Việt Nam Định vị di động
Phạm Thị Hiền từ Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã phát triển một hệ thống cung cấp dịch vụ SMS dựa trên vị trí của thuê bao di động Hệ thống này nhằm nâng cao hiệu quả trong việc gửi thông tin và phục vụ nhu cầu của người dùng một cách chính xác và kịp thời.
[5] Đỗ Thị Huyên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ Kiến trúc hệ thống tích hợp Media - LBS
[6] Location Aware system using Mobile sation in GSM network ( Univercity Malaya KuAla Lumpur) 10/2007
[7] Critical Analysis and Modellong of location finding Services (Author: Kashif Raja Justfone ple and DSMA Group, School of computing
[8] Positioning a Mobile Subscriber in a cellular Network System based on Singnal Strength (Sharjer@ ciilahore edu.pk)
[9] Cell Sense An Accurate Energy Efficient GSM postionning System (Mohamed Ibrahim)
Trong đó [10], các tác giả (Milos.N.Borennovic, MirjaraI, Simic Sebia Montenegro, đã tính thời gian mà tín hiệu từ thiết bị di động cần đi đến trạm gốc
Kỹ thuật định vị Cell-ID và TA trong mạng GSM cơ bản có thể cải thiện chất lượng và giảm sai số định vị Các phương pháp ứng dụng giải thuật Cell-ID và TA giúp ước tính vị trí của người dùng di động Tuy nhiên, kỹ thuật TA chỉ xác định được vị trí của MS trong vùng địa lý của BTS mà nó đang phục vụ, với bán kính được xác định nhờ TA Cuối cùng, hiệu suất của Cell-ID và TA trong việc xác định vị trí vẫn chưa đạt độ chính xác mong muốn.
Khi mạng lưới di động mở rộng và số lượng thiết bị di động gia tăng, việc đảm bảo chất lượng kết nối khi di chuyển trở nên quan trọng Giải pháp là nâng cao độ chính xác trong việc định vị thuê bao gần các trạm BTS Nhiều nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc xác định vị trí thuê bao dựa trên vị trí các trạm BTS, nhằm đáp ứng nhu cầu tìm kiếm và phát triển các thuật toán mới để cải thiện độ chính xác của vị trí Mục tiêu là tận dụng tối đa mạng lưới trạm BTS hiện có, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ định vị cho khách hàng và xã hội.
Dựa trên bài báo "Định vị một thuê bao di động trong hệ thống mạng di động dựa trên cường độ tín hiệu" tại địa chỉ Sharjer @ciilahore.edu.pk, nghiên cứu đã tập trung vào việc xác định vị trí thuê bao di động trong một cell của mạng GSM thông qua cường độ tín hiệu Tôi đã tiến hành phân tích, đánh giá và so sánh phương pháp định vị thuê bao di động bằng giải pháp Cell-ID kết hợp với cường độ tín hiệu Sử dụng phần mềm Javascript, tôi sẽ mô phỏng các tình huống định vị để áp dụng và so sánh thực tế trên mạng BTS của Viễn thông Hậu Giang.
Tính cấp thiết
Sự phát triển của nền kinh tế thị trường và quá trình hội nhập quốc tế đã dẫn đến sự gia tăng hoạt động của các đối tượng chống đối, tạo ra những thách thức mới cho đất nước.
Trong các vụ bạo loạn và gây rối, những đối tượng chống đối thường sử dụng điện thoại di động để nhận thông tin từ bên ngoài Tuy nhiên, việc kịp thời xác định vị trí của những đối tượng này nhằm có biện pháp xử lý vẫn gặp nhiều khó khăn và chưa được thực hiện hiệu quả.
Do địa bàn rộng, công tác tìm kiếm các đối tƣợng không nhanh chóng hoặc tốn kém về thời gian, nguồn lực, vật chất có khi không thành công
Với sự bùng nổ của dịch vụ viễn thông, thiết bị di động đã trở thành phương tiện liên lạc chủ yếu trong xã hội hiện đại Do đó, việc xác định vị trí đối tượng thông qua các trạm BTS của mạng di động GSM là một giải pháp hiệu quả để giải quyết những vấn đề liên quan đến kết nối và giao tiếp.
Mục đích, nhiệm vụ của luận văn
Mục đích của nghiên cứu này là phân tích giải pháp định vị thuê bao di động, nhằm xác định tọa độ của một thuê bao đang sử dụng mạng GSM thông qua hạ tầng các trạm BTS Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng sẽ đánh giá khách quan về triển vọng phát triển của dịch vụ này trong tương lai.
Luận văn này khảo sát cấu trúc tổng quan mạng GSM và đề xuất giải thuật tính toán để xác định vị trí thuê bao di động Mục tiêu là đáp ứng nhu cầu khách hàng và phát triển mạng trong tương lai, nâng cao độ chính xác và mở rộng ứng dụng cho các thiết bị đa dạng Điều này sẽ đảm bảo cung cấp dịch vụ phù hợp với nhu cầu của khách hàng, mang lại hiệu quả kinh tế cho ngành và góp phần vào an ninh xã hội.
Dựa trên dữ liệu từ hệ thống Tổng đài di động, việc xác định vị trí thuê bao di động thông qua bảng ghi cước cho phép tính toán và xác định vị trí MS, từ đó phát triển dịch vụ tiện ích đáp ứng nhu cầu xã hội hiện nay Do đó, tôi đã quyết định nghiên cứu và xây dựng giải pháp định vị thuê bao di động trong hệ thống GSM, nhằm phục vụ các thuê bao tầm trung với cấu hình thấp và không có GPS, chiếm khoảng 85% lượng điện thoại bán ra toàn cầu.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu hệ thống mạng di động GSM
- Tìm hiểu giải pháp kỹ thuật định vị thuê bao theo cell-ID kết hợp cường độ tín hiệu
- Đo đạc tính toán thực nghiệm theo giải pháp kỹ thuật định vị đƣợc nghiên cứu
- Sử dụng phần mềm dùng làm mô phỏng, để test khoảng cách giao nhau của các trạm BTS để tìm vị trí thuê bao di động MS
- Ứng dụng bản đồ google Map tích hợp toạ độ để xác định kết quả định vị thuê bao di động tại một vị trí nhất định
- Đánh giá kết quả đạt đƣợc
1.5 Những đóng góp luận văn
Nhà quản lý mạng đã sử dụng khai thác số liệu để xác định vị trí thuê bao một cách chính xác và kịp thời tại tất cả các địa điểm có hạ tầng trạm BTS.
- Đáp ứng được yêu cầu cho người cần sử dụng dịch vụ và cho công tác an ninh xã hội
- Hệ thống cũng đáp ứng cho các loại thiết bị di động bình thường không cần hệ thống GPS
Đề tài này chủ yếu nhằm chứng minh và kiểm tra tính khả thi của việc xác định vị trí thuê bao thông qua việc đo đạc thực nghiệm bằng hệ thống máy TEMS, từ đó xác định khoảng cách giữa trạm MS và hạ tầng mạng BTS.
- Do sự bảo mật, cho nên số liệu lấy từ Tổng đài MSC để xác định vị trí di động MS cần phải đƣợc nhà mạng cho phép
1.6 Kế hoạch thực hiện luận văn
Với mục dích yêu cầu nêu trên luận văn bao gồm các nội dung nhƣ sau:
Chương 1: Trình bày Tổng quan, tình hình nghiên cứu, những vấn đề tồn tại và mục đích nghiên cứu của luận văn
Chương 2 Cấu trúc và sự đo lường của hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM
Chương 3 Các phương pháp giải thuật định vị thuê bao qua hạ tầng trạm BTS Chương 4 Phép đo thực nghiệm và kết quả mô phỏng giải thuật định vị được nghiên cứu
Chương 5 Kết luận và định hướng phát triển
Kế hoạch thực hiện luận văn
Với mục dích yêu cầu nêu trên luận văn bao gồm các nội dung nhƣ sau:
Chương 1: Trình bày Tổng quan, tình hình nghiên cứu, những vấn đề tồn tại và mục đích nghiên cứu của luận văn
Chương 2 Cấu trúc và sự đo lường của hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM
Chương 3 Các phương pháp giải thuật định vị thuê bao qua hạ tầng trạm BTS Chương 4 Phép đo thực nghiệm và kết quả mô phỏng giải thuật định vị được nghiên cứu
Chương 5 Kết luận và định hướng phát triển
CẤU TRÚC VÀ ĐO LƯỜNG CỦA HỆ THỐNG DI ĐỘNG GSM
Giới thiệu về hệ thống thông tin di động
2.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm tăng cao nhu cầu thông tin, từ việc kết nối thông tin qua hệ thống điện thoại ở khoảng cách xa đến yêu cầu kết nối mọi lúc, mọi nơi Chính nhu cầu này đã dẫn đến sự ra đời của hình thức thông tin di động.
Một trong những hình thức thông tin di động đầu tiên là kỹ thuật máy bộ đàm, chủ yếu được sử dụng trong quân đội với công nghệ FDMA vào năm 1980 Tuy nhiên, các hệ thống bộ đàm này gặp phải nhiều hạn chế như khoảng cách kết nối ngắn, chất lượng thông tin kém và dung lượng nhỏ Khi nhu cầu về thông tin ngày càng tăng cao, các hệ thống thông tin hiện đại hơn đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu này.
Vào năm 1982, tại hội nghị Bưu chính Viễn thông châu Âu CEPT, tổ chức GSM (Groupe Special Mobile) được thành lập nhằm tiêu chuẩn hóa các hệ thống thông tin di động, đảm bảo khả năng kết nối toàn cầu và tạo ra một hệ thống thông tin di động chung cho toàn Châu Âu.
Năm 1988, Viện Tiêu chuẩn Thông tin Châu Âu đã công bố bản ghi chi tiết kỹ thuật về công nghệ GSM, đồng thời chính thức đổi tên đầy đủ của GSM thành Hệ thống Toàn cầu về Giao tiếp Di động (Global System for Mobile Communication).
1991 công nghệ viễn thông GSM chính thức được thương mại hoá
Hệ thống truyền thông di động toàn cầu GSM là mạng điện thoại hoàn toàn kỹ thuật số, khác biệt với hệ thống mạng analog đầu tiên của Mỹ ra đời năm 1983 GSM sử dụng cả kỹ thuật FDMA (Frequency Division Multiple Access) và TDMA (Time Division Multiple Access), trong đó mỗi thiết bị di động được cấp phát một khe thời gian riêng để truyền dữ liệu Hiện nay, kỹ thuật CDMA (Code Division Multiple Access) cũng đang được áp dụng rộng rãi, cho phép nhiều cuộc gọi chia sẻ cùng một tần số mà không gây nhiễu, nhờ vào việc mã hóa dữ liệu giúp người nhận chỉ truy cập vào các bit thông tin của mình.
Tiêu chuẩn GSM không chỉ mang lại tính lưu động quốc tế mà còn cung cấp nhiều tính năng hữu ích như thông tin tốc độ cao, fax, dữ liệu và dịch vụ nhắn tin SMS Ngày nay, điện thoại di động đã trở thành thiết bị cá nhân thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày, cung cấp các dịch vụ tiện ích như nhắn tin đa phương tiện, truy cập internet và nghe nhạc Mục tiêu tiếp theo của các nhà sản xuất là phát triển dịch vụ video phone, điều này cho thấy sự cạnh tranh mạnh mẽ trong công nghệ di động hiện nay.
2.1.2 Mô hình tổng quát của mạng điện thoại di động
Hình 2.1 Mô hình tổng quát của mạng điện thoại di động
2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống tổng đài GSM
Hệ thống thông tin di động gồm nhiều phần tử chức năng Mạng GSM đƣợc phân chia thành các phân hệ:
* Phân hệ chuyển mạch SS ( Switching Subsystem)
* Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)
* Hệ thống khai thác và bảo dƣỡng OSS (Operation and Support System)
* Máy di động MS (Mobile Station)
PSTN : Mạng chuyển mạch điện thoại công cộng
ISDN : Mạng số liệu liên kết đa dịch vụ
PLMN : Mạng di động mặt đất công cộng
* Phân hệ chuyển mạch NSS bao gồm các khối chức năng:
- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Switching Center)
- Bộ ghi định vị thường trú HLR (Home Location Register)
- Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register)
- Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center)
- Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identification Register)
- Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng GMSC (Gateway Mobile Switching Center)
* Phân hệ trạm gốc BSS bao gồm các khối chức năng:
- Bộ điều khiển trạm gốc BSC (Base Station Controler)
- Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station)
* Hệ thống khai thác và hỗ trợ OSS bao gồm các khối chức năng:
- Trung tâm quản lý mạng NMC (Network Management Center)
- Trung tâm quản lý và bảo dƣỡng OMC (Operation & Maintenance Center)
- Thiết bị di động ME (Mobile Equipment)
- Modul nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity Module)
Mạng thông tin di động GSM gồm có ba thành phần: Hệ thống thiết bị di động
MS (Mobile-Station) là thiết bị di động mà người dùng mang theo Hệ thống trạm gốc BSS (Base-Station-Subsystem) bao gồm hai phần chính: trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station) Nhiều trạm BTS được quản lý bởi một trạm kiểm soát gốc (Base Station Controller - BSC), có nhiệm vụ điều khiển kết nối các thiết bị di động Hệ thống cấp cao hơn là các trung tâm chuyển mạch di động (Mobile Switching Center - MSC), thực hiện định tuyến cuộc gọi giữa các trạm di động và giữa các trạm di động với mạng điện thoại cố định.
Khu vực kiểm soát MSC, hay còn gọi là vùng định vị (LA), đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật định vị Số lượng BSC và BTS được kiểm soát bởi MSC có thể khác nhau giữa các nhà cung cấp và vùng miền Dữ liệu và thông tin định vị liên quan có thể thu thập qua nhiều giao diện khác nhau Giao diện Abis (Abis – interface) kết nối giữa BTS và BSC, trong đó dữ liệu được giới hạn bởi các trạm BTS phân bổ cho một BSC cụ thể, yêu cầu sự chi tiết và phức tạp hơn cho các giao diện cấp cao hơn.
Hệ thống cấp bậc tiếp theo là một giao diện đƣợc xác định giữa BSC và MSC
Hình 2.3 cho ta thấy một cái nhìn tổng quan về cấu trúc của mạng GSM và tương ứng giao diện có liên quan cho các tác vụ định vị [12]
Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống thông tin di động GSM
Chức năng các phần tử trong mạng GSM
2.3.1 Phân hệ chuyển mạch SS
Phân hệ chuyển mạch trong GSM đảm nhiệm các chức năng chuyển mạch quan trọng và quản lý cơ sở dữ liệu liên quan đến thông tin thuê bao và di động Chức năng chính của hệ thống này là quản lý thông tin liên lạc giữa người sử dụng mạng GSM và các mạng khác.
2.3.2.Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC
MSC là tổng đài quản lý tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu trong khu vực mà nó phụ trách Khác với tổng đài cố định, MSC cần phối hợp cung cấp tài nguyên vô tuyến cho thuê bao và thực hiện ít nhất hai thủ tục bổ sung.
MSC (Mobile Switching Center) vừa giao tiếp với BSS (Base Station Subsystem) vừa kết nối với mạng ngoài Phần MSC đảm nhận vai trò kết nối với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC), có chức năng tương tác với IWF (Inter Working Function) để điều chỉnh các đặc điểm truyền dẫn của GMS và các mạng bên ngoài Hệ thống chuyển mạch này tương tác với mạng ngoài nhằm tận dụng khả năng truyền tải của chúng cho việc truyền dữ liệu của người dùng hoặc báo hiệu giữa các thành phần trong mạng GSM.
MSC thường là một tổng đài lớn điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc BSC
2.3.3.Bộ ghi định vị thường trú HLR
HLR là cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng di động, có nhiệm vụ quản lý thông tin thuê bao Số lượng HLR trong một PLMN phụ thuộc vào số lượng thuê bao mà mạng đó phục vụ HLR lưu trữ hai loại số gán cho mỗi thuê bao di động.
+ MSISDN: số danh bạ (số thuê bao)
CC: Mã quốc gia (Việt nam: 84)
NDC: Mã mạng (Vinaphone: 91, Mobiphone: 90)
SN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
+ IMSI: Số nhận dạng thuê bao dùng để báo hiệu trong mạng
MCC: Mã quốc gia (Việt nam: 452)
MNC: Mã mạng (Vinaphone: 02, Mobiphone: 01)
MSIN: Số thuê bao trong mạng (gồm 7 số)
Mỗi MSISDN tương ứng với một IMSI duy nhất trong hệ thống GSM, đảm bảo rằng chỉ có một IMSI tồn tại IMSI đóng vai trò quan trọng trong việc giúp người dùng truy cập vào cơ sở dữ liệu, nơi lưu trữ thông tin cần thiết.
- Thông tin thuê bao dịch vụ thoại và phi thoại mang (bearer service)
- Giới hạn dịch vụ (giới hạn roaming)
- Các dịch vụ hỗ trợ HLR chứa các thông số của dịch vụ này; tuy nhiên nó còn có thể được lưu trong card thuê bao
HLR không có khả năng chuyển mạch nhưng có thể quản lý hàng ngàn thuê bao Khi có thuê bao mới, thông tin của thuê bao đó sẽ được đăng ký trong HLR.
2.3.4.Trung tâm nhận thực AuC
AuC kết nối với HLR để cung cấp các thông số hợp thức hóa và khóa mã, nhằm đảm bảo chức năng bảo mật cho thuê bao và nhà cung cấp dịch vụ.
Dữ liệu thuê bao được lưu trữ trong thẻ SIM, với mỗi khách hàng khi đăng ký sẽ nhận được thông số bảo mật Thông số này sẽ được sao chép và lưu trữ trong thẻ SIM, trong khi bản sao còn lại được lưu trữ trong AuC.
AuC kết nối với HLR, đảm nhiệm việc cung cấp tần số nhận thực và khóa mật mã cho HLR nhằm đảm bảo an ninh Ngoài ra, AuC cũng cung cấp mã bảo mật để ngăn chặn nghe lén, với mã này được thay đổi riêng biệt cho từng thuê bao.
2.3.5.Bộ ghi định vị tạm trú VLR
VLR là cơ sở dữ liệu lớn thứ hai trong mạng, có chức năng lưu trữ tạm thời thông tin thuê bao và vị trí của họ trong vùng phục vụ của MSC Khi MS di chuyển vào vùng định vị mới, nó cần thực hiện thủ tục đăng ký với MSC quản lý vùng đó, và MSC sẽ gửi số nhận dạng vùng định vị (LAI) tới VLR Một VLR có thể quản lý nhiều vùng MSC khác nhau, và dữ liệu từ VLR cũng được sử dụng để tính cước cho các cuộc gọi.
Thông tin cần thiết để thiết lập và nhận cuộc gọi của thiết bị di động (MS) được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu của VLR Để hỗ trợ một số dịch vụ, VLR có khả năng truy vấn thông tin từ HLR, bao gồm IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN của máy di động), số chuyển vùng MS (MSRN), số nhận dạng thuê bao di động tạm thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và vùng định vị nơi đăng ký MS Ngoài ra, VLR cũng lưu trữ các thông số gán cho từng MS, được nhận từ VLR.
VLR cung cấp thông tin chính xác hơn về vị trí của MS trong khu vực MSC, tuy nhiên, khi thuê bao tắt máy hoặc rời khỏi vùng phục vụ của MSC, các dữ liệu liên quan sẽ không còn giá trị.
VLR, hay còn gọi là cơ sở dữ liệu trung gian, là nơi lưu trữ tạm thời thông tin về thuê bao trong khu vực phục vụ của MSC Dữ liệu trong VLR được tham chiếu từ cơ sở dữ liệu HLR, giúp quản lý và xác thực thông tin thuê bao một cách hiệu quả.
Các số nhận dạng: IMSI, MSISDM, TMSI
Số hiệu nhận dạng vùng định vị đang phục vụ MS
Danh sách các dịch vụ mà MS đƣợc và bị hạn chế sử dụng
Trạng thái MS: ( Bận: Busy; rỗi: Idle)
2.3.6 Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register)
Thực thể chức năng EIR lưu trữ một hoặc nhiều cơ sở dữ liệu chứa IMEI (số nhận dạng thiết bị) trong hệ thống GSM EIR kết nối với MSC qua một đường báo hiệu, cho phép MSC kiểm tra tính hợp lệ của thiết bị.
2.3.7.Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC (Gate Mobile services switching center) Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời
Phân hệ trạm gốc BSS
BSS kết nối các MS với tổng đài, giúp liên kết người dùng di động với các dịch vụ viễn thông khác Để hoạt động hiệu quả, BSS cần được điều khiển và kết nối với OSS Các phân hệ của BSS đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và cung cấp dịch vụ viễn thông.
BTS ( Base Transceiver Station ) Trạm thu phát gốc
TRAU ( Transcoding and rate Adapter Unit ) Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ
BSC ( Base Station Controller): Bộ điều khiển trạm gốc
2.4.1.Trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Station)
BTS, hay trạm phát sóng vô tuyến, là thiết bị trung gian giữa mạng GSM và thiết bị thuê bao MS, bao gồm các thiết bị thu/phát tín hiệu, anten cùng bộ phận mã hóa và giải mã giao tiếp với BSC Mỗi BTS đảm nhiệm việc trao đổi thông tin với MS qua giao diện vô tuyến và tạo ra các khu vực vùng phủ sóng gọi là tế bào (cell).
2.4.2.Bộ điều khiển trạm gốc BSC ( Base Station Controller)
BSC (Bộ điều khiển trạm cơ sở) có vai trò quan trọng trong việc quản lý tất cả các giao diện vô tuyến, thực hiện các lệnh điều khiển từ BTS (Trạm phát sóng cơ sở) và MS (Thiết bị di động) như ấn định và giải phóng kênh vô tuyến, cũng như quản lý quá trình chuyển giao Một BSC có khả năng quản lý nhiều BTS, và số lượng BTS mà một BSC có thể quản lý phụ thuộc vào lưu lượng của từng BTS.
Giao diện giữa BSC và MSC là giao diện A, giao diện giữa BTS và BSC là giao diện Abis
Các chức năng của BSC:
Quản lý mạng vô tuyến là quá trình điều phối các cell và kênh logic của chúng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng Các số liệu quản lý, bao gồm lưu lượng thông tin, môi trường vô tuyến, số lượng cuộc gọi bị mất, và tỷ lệ chuyển giao thành công hoặc thất bại, được gửi về BSC để thực hiện đo đạc và xử lý Việc này giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu người dùng trong mạng di động.
Quản lý trạm vô tuyến gốc BTS là quá trình quan trọng trước khi đưa vào khai thác, trong đó BSC thực hiện cấu hình cho BTS, bao gồm số máy thu/phát TRX và tần số cho mỗi trạm Nhờ vào việc này, BSC có sẵn một tập các kênh vô tuyến để điều khiển và kết nối cuộc gọi hiệu quả.
BSC (Bộ điều khiển chuyển mạch) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập và giải phóng các kết nối cuộc gọi tới máy di động (MS) Trong suốt quá trình gọi, BSC giám sát sự đấu nối và nhận thông tin về cường độ tín hiệu cũng như chất lượng cuộc gọi từ MS và TRX Dựa trên dữ liệu này, BSC quyết định công suất phát tối ưu cho MS và TRX, đồng thời quản lý quá trình chuyển giao khi cần thiết để cải thiện chất lượng cuộc gọi Nếu việc chuyển giao yêu cầu chuyển sang một cell thuộc BSC khác, BSC sẽ cần sự hỗ trợ từ MSC Ngoài ra, BSC cũng điều khiển chuyển giao giữa các kênh trong cùng một cell hoặc từ cell này sang kênh của cell khác khi xảy ra tình trạng nghẽn.
Quản lý mạng truyền dẫn là chức năng quan trọng của BSC, giúp cấu hình các đường truyền dẫn tới MSC và BTS nhằm đảm bảo chất lượng thông tin BSC còn tự động điều khiển sang các tuyến truyền dẫn dự phòng khi cần thiết.
2.5 Phân hệ khai thác và bảo dƣỡng OSS[20]
Phân hệ khai thác và hỗ trợ OSS
Nhà khai thác mạng theo dõi hành vi của hệ thống như tải mạng, mức độ chặn và số lượng chuyển giao giữa các cell, giúp giám sát chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng và thực hiện nâng cấp kịp thời.
Hệ thống viễn thông hiện đại được trang bị khả năng tự phát hiện và định vị hỏng hóc, giúp nâng cao hiệu quả khai thác Ngoài ra, các thiết bị này còn có khả năng dự báo sự cố thông qua quá trình kiểm tra định kỳ.
Hệ thống khai thác và bảo dưỡng được xây dựng dựa trên nguyên lý của Mạng Quản Lý Viễn Thông (TMN) Hệ thống này kết nối với máy tính chủ, đóng vai trò quan trọng trong việc giao tiếp giữa người và máy Theo tiêu chuẩn GSM, hệ thống này được gọi là Trung Tâm Vận Hành và Bảo Dưỡng (OMC).
Quản lý đăng ký thuê bao bao gồm các hoạt động như nhập và xoá thuê bao khỏi mạng, đồng thời xử lý các dịch vụ và tính năng bổ sung có thể phức tạp Nhà khai thác có khả năng thâm nhập các thông số liên quan, trong khi một nhiệm vụ quan trọng là tính cước các cuộc gọi và gửi thông tin đến thuê bao HLR và SIM Card đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý thuê bao.
2.5.3.Trung tâm quản lý mạng NMC [21]
NMC đƣợc đặt tại trung tâm của hệ thống, chịu trách nhiệm cung cấp chức năng quản lý cho toàn bộ mạng
Giám sát các nút trong mạng
Giám sát các trạng thái các bộ phận của mạng
Giám sát trung tâm bảo dƣỡng và khai thác OMC của các vùng và cung cấp thông tin đến các bộ phận OMC
2.5.4.Trung tâm quản lý và khai thác OMC
OMC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giám sát các thành phần mạng như BTS, MSC và các cơ sở dữ liệu Các chức năng chính của OMC bao gồm quản lý cảnh báo, quản lý sự cố, quản lý chất lượng, quản lý cấu hình và quản lý bảo mật.
Trạm di động MS
MS là thiết bị đầu cuối với chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diện vô tuyến và cung cấp giao diện người dùng như màn hình, loa và bàn phím Một trạm di động bao gồm hai phần chính.
Thiết bị di động (ME) là phần cứng cho phép người dùng thuê bao truy cập vào mạng ME bao gồm các kết cuối di động, tùy thuộc vào ứng dụng và dịch vụ, có khả năng kết hợp nhiều nhóm chức năng và thiết bị đầu cuối khác nhau.
SIM (Mô-đun Nhận dạng Thuê bao) là một thẻ điện tử thông minh, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định danh tính người dùng và cho phép họ sử dụng dịch vụ trên nhiều thiết bị di động khác nhau Thẻ SIM được cắm vào thiết bị di động (ME) để nhận dạng thuê bao và bảo vệ thông tin dịch vụ mà người dùng đã đăng ký Nó bao gồm cả phần cứng và phần mềm, với bộ nhớ có khả năng lưu trữ thông tin, bao gồm thông tin cố định và thông tin có thể thay đổi.
Số nhận dạng thuê bao MSISDN và IMSI sẽ được kiểm tra tính hợp lệ trước khi truy cập vào mạng Quá trình xác thực này được thực hiện bởi trung tâm nhận thực AuC thông qua số IMSI.
* Mã khoá cá nhân Ki
* Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI
* Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI
Một số TMSI được cấp phát tạm thời tương ứng với IMSI nhằm nâng cao tính bảo mật trong quá trình giao tiếp giữa thiết bị di động (MS) và hệ thống TMSI sẽ được thay đổi khi thiết bị di động cập nhật vị trí mới.
Sự đo lường trong mạng toàn cầu GSM
Trong mạng GSM, ID tế bào là thông tin quan trọng, giúp xác định vị trí của thiết bị di động (MS) trong hệ thống Khi MS di chuyển từ trạm BTS này sang trạm BTS khác, sẽ có hai địa chỉ ID được sử dụng, dẫn đến việc thực hiện nhiệm vụ bàn giao vùng Mỗi vùng được định vị với một LA ID duy nhất, và địa chỉ này có thể được xác định dựa trên khoảng thời gian liên lạc Các nhà quản lý mạng xác định khoảng thời gian này dựa vào tải thông tin Để thiết lập truyền thông hiệu quả giữa BTS và MS, các khe thời gian phải đồng bộ, điều này được đảm bảo bằng giá trị định thời ứng trước (TA), phản ánh khoảng cách giữa MS và BTS Giá trị TA cho biết thời gian delay để MS gửi gói dữ liệu với độ chính xác trong khoảng 550m, và giá trị này sẽ tăng khi MS tiếp cận trạm BTS.
Cường độ tín hiệu từ các trạm điện thoại di động là thông tin quan trọng cho quyết định bàn giao vùng Thiết bị di động (MS) có khả năng đo cường độ tín hiệu từ các trạm ô tế bào đang cung cấp dịch vụ và tối đa ba trạm BTS lân cận Trong suốt quá trình truyền thông, MS sẽ gửi các thông số đo này đến hệ thống mạng Tuy nhiên, độ chính xác của cường độ tín hiệu có thể bị ảnh hưởng bởi sự biến động, do nó phụ thuộc vào quá trình đo lường, đường truyền dẫn và các hiệu ứng che khuất từ các đối tượng di chuyển và cố định.
Truyền dẫn sóng vô tuyến
Trong công nghệ GSM, băng tần 900 MHz (GSM 900) và 1800 MHz (GSM 1800) được sử dụng, nhưng bài viết này chỉ tập trung vào GSM 900 Mỗi kênh trong hệ thống này mang một tần số đặc trưng, gọi là kênh tần số RFCH (Radio Frequency Channel), với khoảng cách giữa các tần số thu phát là 200 KHz.
Trong hệ thống GSM 900, dải tần uplink từ thiết bị di động (MS) đến trạm thu phát nằm trong khoảng 890-915 MHz, trong khi dải tần downlink từ trạm thu phát đến thiết bị di động là 935-960 MHz Cả hai dải tần này đều có độ rộng băng tần 25 MHz và hỗ trợ 125 kênh truyền dẫn.
Để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phổ tần, công nghệ GSM áp dụng kỹ thuật TDMA, chia mỗi kênh tần số 200 KHz thành 8 khe thời gian từ 0 đến 7 Mỗi khe thời gian này được cấp phát cho người dùng, và tất cả người dùng trên cùng một tần số sẽ chia sẻ khung 8 khe này.
Nếu MS được cấp phát khe 1, nó chỉ hoạt động trong khe này và tắt máy phát ở 7 khe còn lại trong một khung sự đóng ngắt theo chu kỳ khung của máy phát, gọi là burst Mỗi khe thời gian (tương ứng với một burst) có độ dài 577 µs, trong khi một khung TDMA có độ dài 4,615 ms, tương ứng với 8 khe thời gian.
Hình 2.5 Mức công suất phát biến thiên theo thời gian
(nếu mức phát chuẩn 0 dB là 34 dBm, thì mức nghỉ -70dB, sẽ ứng với -36dBm)
MS chỉ hoạt động trong một khe thời gian và phải chờ trong 7 khe thời gian còn lại của một khung, do đó yêu cầu về việc ngắt năng lượng tần số vô tuyến là rất nghiêm ngặt.
Nếu MS không tuân thủ nghiêm ngặt yêu cầu, sẽ gây ra nhiễu cho các MS khác Thời gian đúng và thời gian ngắt chỉ là 25às, tương ứng với mức công suất nhảy 70db trong 28às Sau khi kết thúc thời gian quá độ mức phát, MS có 542,8às để truyền tin.
Sự sớm định thời và điều khiển công suất
Trong một cell, khoảng cách giữa MS và các BTS khác nhau dẫn đến thời gian trễ và mức suy hao tín hiệu cũng khác nhau Kỹ thuật TDMA sử dụng định thời thích ứng để quản lý việc phát burst, giúp tránh xung đột và trùng lặp giữa các burst ở các khe thời gian liền kề.
BTS đo thời gian trễ truyền sóng từ các MS và phát lệnh cho từng MS phát sớm hơn nếu khoảng cách đến BTS xa hơn, đảm bảo tín hiệu từ BTS nhận được đúng trong khe thời gian Quá trình điều chỉnh này được gọi là sớm định thời (Timing advance) Đồng thời, BTS cũng yêu cầu các MS phát công suất vô tuyến ở mức thích hợp để tín hiệu từ các MS khác nhau trong cell đạt đến máy thu BTS xấp xỉ bằng nhau, với bước điều chỉnh mức phát là 2db.
MS đo lường chất lượng truyền dẫn và mức công suất phát xuống Khi BTS phát hiện thông tin giảm chất lượng hướng xuống, nó sẽ điều chỉnh công suất phát một cách phù hợp tại từng khe thời gian, tùy thuộc vào các tùy chọn đã được cài đặt trong BTS.
Quá trình chuyển giao thông tin giữa máy di động (MS) và trạm BTS này với trạm BTS khác diễn ra khi máy di động di chuyển Có hai loại chuyển giao trong quá trình này.
Chuyển giao hai ô thuộc cùng một BSC
Trong quá trình gọi MS, cường độ trường và chất lượng ở kênh TCH cùng với cường độ của các ô lân cận được đo liên tục MS đánh giá giá trị trung bình của kết quả đo và hai lần trong một giây, nó gửi kết quả đo đến BTS, kèm theo thông tin của các ô lân cận tốt nhất BTS sau đó bổ sung kết quả đo từ kênh TCH và gửi báo cáo về BSC.
Tại BSC, chức năng định vị đóng vai trò quan trọng trong việc xác định liệu có cần chuyển giao cuộc gọi đến ô khác hay không, đặc biệt khi chất lượng tín hiệu kém hoặc có nhiều nhiễu Nếu cần thiết, BSC sẽ chỉ định BTS ở ô mới để kích hoạt một kênh TCH và yêu cầu BTS này gửi thông báo cho MS về tần số và khe thời gian mà cuộc gọi sẽ được chuyển đến.
MS điều chỉnh tần số mới và gửi bản tin thâm nhập chuyển giao (HO) tại khe thời gian tương ứng MS không sử dụng thông tin định thời trước khi BTS phát hiện cụm HO Đồng thời, MS nhận thông tin về công suất cần sử dụng ở kênh FACCH, được lấy từ kênh tiếng, với cờ lấp cắp gán = 1 trong từng trường hợp.
BSC sẽ nhận thông tin từ BTS về việc chuyển giao thành công sau khi MS gửi bản tin hoàn thành Đường tiếng trong chuyển mạch nhóm sẽ thay đổi, và BTS cũ sẽ ra lệnh tháo gỡ TCH cũ cùng với lệnh liên kết SACCH Trong quá trình chuyển giao bên trong, BSC sẽ tự xử lý mọi việc mà không cần sự can thiệp của MSC, MSC chỉ nhận thông báo về việc thực hiện chuyển giao.
Hình 2.6 Chuyển giao cuộc gọi cùng một BSC
Chuyển giao hai ô thuộc hai BSC khác nhau nhƣng cùng MSC
BSC cũ dựa trên báo cáo kết quả đo để quyết định chuyển giao đến ô mới thuộc một BSC khác Để thực hiện việc này, BSC cũ sẽ gửi bản tin "yêu cầu chuyển giao" kèm theo nhận dạng ô mới (1) đến MSC.
MSC biết BTS điều khiển ô mới, nó gửi yêu cầu chuyển giao đến BSC mới
CÁC PHƯƠNG PHÁP KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ THUÊ BAO TRONG MẠNG THÔNG TIN GSM
Giới thiệu
Mỗi thiết bị di động trong mạng GSM được cấp một số nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMSI) duy nhất, được lưu trữ trong SIM và trong bộ đăng ký HLR Khi thiết bị di động tham gia vào mạng, nó gửi mã IMSI từ SIM đến mạng di động qua trạm thu phát gần nhất, từ đó nhận được một kênh vô tuyến từ trạm gốc BSS Sau khi gia nhập mạng, thiết bị sẽ được cấp một mã số nhận dạng tạm thời (TMSI) để sử dụng trong suốt quá trình trao đổi thông tin với mạng, kể cả khi thiết bị di động di chuyển và kết nối với trạm BTS mới.
Bộ công cụ SIM (STK) hoạt động như một API kết nối giữa nhận dạng SIM của điện thoại di động GSM và ứng dụng, cung cấp phương tiện định vị cho đơn vị di động Thông tin định vị có thể gần đúng như COO (Cell of Origin) hoặc chính xác hơn thông qua các phương tiện như mạng lưới hoạt động thời gian (TA) và mạng lưới báo cáo đo lường (NMR) STK cho phép giao tiếp giữa các SIM, có thể tích hợp các thuật toán bổ sung cho vị trí, và máy chủ ứng dụng, giúp hỗ trợ định vị di động hiệu quả Đây là một kỹ thuật hữu ích để thu thập thông tin vị trí khi thiết bị ở trạng thái nhàn rỗi.
Cell
Cell lớn: Bán kính phủ sóng khoảng: 1km ÷ 32km
Vị trí thiết kế các Cell lớn:
- Sóng vô tuyến ít che khuất ( Vùng Nông thôn, ven biển …)
- Mật độ thuê bao thấp
- Yêu cầu công suất phát lớn
Cell nhỏ: Bán kính phủ sóng khoảng 100m ÷ 1km
Vị trí thiết kế các cell nhỏ:
- Sóng vô tuyến bị che khuất (vùng đô thị lớn)
- Mật độ thuê bao cao
- Yêu cầu công suất nhỏ
Bán kính phủ sóng của một Cell phụ thuộc vào độ cao và độ lợi của anten, thường dao động từ vài trăm mét đến vài chục km Trong thực tế, trạm GSM có khả năng phủ sóng xa nhất lên tới 32 km.
Hình dạng của cell được xác định bởi loại anten và công suất phát của trạm BTS Hai loại anten phổ biến là anten vô hướng (omni), phát sóng đồng đều trong mọi hướng, và anten có hướng, tập trung năng lượng trong một khu vực cụ thể, thường được gọi là sector.
Khái niệm site: Site đƣợc định nghĩa là vị trí của BTS
Phát sóng vô hướng – Omni directinal cell 360 0
Anten vô hướng hay 360 0 bức xạ đều theo mọi hướng
Với anten vô hướng 1 site = 1 cell 360 0
Hình 3.1 Site dùng anten Omni (360 0 )
Phát sóng định hướng – sectorization:
Lợi ích của sectorization ( Sector hoá)
Cải thiện chất lƣợng tín hiệu ( Giảm can nhiễu kênh chung)
Tăng dung lƣợng thuê bao
Với anten định hướng 120 0 : 1 site = 3 cell 120 0 Đặc điểm : Khi sóng truyền trong không gian sẽ gặp số điểm nhƣ sau:
Phản xạ khi gặp vật cản
Nhiểu xạ từ các sóng cùng tần số hay gần tần số
Tán xạ khi gặp chướng ngại vật trên đường truyền
Suy hao trong quá trình truyền sóng, phụ thuộc vào khoảng cách tới đài phát
Hình 3.2 Site dùng anten Sector (120 0 )
Khi hệ thống mới bắt đầu hoạt động với số lượng thuê bao thấp, kích thước cell cần phải lớn để tối ưu hóa hiệu suất Khi dung lượng hệ thống tăng lên, kích thước cell sẽ giảm để phù hợp với nhu cầu mới Phương pháp này được gọi là chia cell.
Khu vực có mật độ thuê bao cao cần được chia thành các vùng nhỏ hơn để cải thiện chất lượng dịch vụ mạng Các thành phố lớn thường được phân chia thành các khu vực địa lý nhỏ hơn với các cell có mức độ phủ sóng hạn chế, nhằm tối ưu hóa chất lượng dịch vụ và lưu lượng sử dụng Ngược lại, khu vực nông thôn nên sử dụng các cell có vùng phủ sóng rộng hơn, dẫn đến việc sử dụng ít cell hơn để phù hợp với lưu lượng thấp và mật độ người dùng thấp.
Mỗi tổng đài MSC kết nối với một hoặc nhiều hệ thống điều khiển BSC, và mỗi BSC lại kết nối với nhiều trạm BTS Mỗi trạm BTS phát sóng theo nhiều hướng, thường là ba hướng, tạo thành các ô tế bào (Cell hay Sector) phục vụ nhiều thiết bị di động Mỗi ô tế bào được xác định bằng mã số dạng XXYYZ, trong đó XX là mã BSC, YY là mã BTS, và Z là số thứ tự ô tế bào Nếu trạm BTS có nhiều ô tế bào, Z sẽ từ 1 đến 3; nếu chỉ có một ô tế bào, Z thường từ 0 đến 9 Ví dụ, mã ô tế bào 12352 cho biết thuê bao đang ở ô tế bào thứ 2 của BTS số 35 thuộc BSC 12, giúp nhà quản lý mạng xác định vị trí của thiết bị di động.
Hình 3.4 BTS phát sóng theo 3 hướng
Khi điện thoại hoạt động, nó tự động tìm kiếm trạm BTS gần nhất và thông báo vị trí nếu kết nối thành công Mỗi vùng BSC và BTS quản lý có cơ sở dữ liệu VLR chứa thông tin thuê bao trong khu vực Khi một điện thoại gia nhập vùng VLR, thông tin chi tiết sẽ được báo cho HLR để cập nhật Các nhà cung cấp dịch vụ mạng, như Vianaphone với các HLR tại Hà Nội, Đà Nẵng và TPHCM, luôn nắm rõ vị trí của các thuê bao nhờ dữ liệu từ HLR và VLR.
Có hai phương pháp xác định vị trí của thuê bao di động: thứ nhất, dựa vào các bản ghi cước tại tổng đài để kiểm tra vị trí của thuê bao khi thực hiện cuộc gọi; thứ hai, xem trực tiếp vị trí hiện tại của thuê bao trên tổng đài.
Xác định vị trí của thuê bao di động dựa vào số liệu của các bản ghi cước:
Bản ghi cước trong tổng đài chứa các thông tin quan trọng như số thuê bao gọi, số thuê bao bị gọi, số IMEI của thuê bao gọi, thời gian bắt đầu và độ dài cuộc gọi, loại cuộc gọi (gọi đến, gọi đi, hoặc tin nhắn) Ngoài ra, nó còn bao gồm mã nhận dạng ô tế bào nơi thực hiện cuộc gọi và tên tổng đài Thông qua những dữ liệu này, nhà khai thác mạng có khả năng xác định vị trí của bất kỳ thuê bao nào khi thực hiện cuộc gọi.
Kiểm tra trực tiếp vị trí của thuê bao trên tổng đài:
Nhà khai thác có thể xác định vị trí của thuê bao thông qua mã nhận dạng ô tế bào, nhưng cần lưu ý rằng đây không phải là vị trí hiện tại mà là vị trí của cuộc gọi gần đây nhất Hệ thống chỉ biết chính xác thuê bao đang ở ô tế bào nào khi thực hiện cuộc gọi, còn trong trạng thái rỗi, không thể xác định chính xác ô tế bào mà thuê bao đang thuộc về.
Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, nhà khai thác mạng di động có khả năng nắm bắt thông tin chi tiết về thuê bao, bao gồm cả loại máy di động mà thuê bao đang sử dụng thông qua số IMEI trong các bản ghi cước.
Có nhiều phương pháp định vị bằng hình học cho thiết bị di động, tất cả đều dựa trên nguyên lý trắc địa hình học Bảng 3.1 cung cấp cái nhìn tổng quát về các phương pháp định vị di động và phép trắc địa loại suy của chúng.
Bảng 3.1 Nguyên tắc định vị điện thoại di động bằng hình học
Tên phạm vi định vị thuộc tế bào
Phép loại suy trắc học Phép đo Sự hạn chế nhận dạng tế bào toàn cầu (CGI) - cell ID không
Chuyển giao/ cập nhật vùng định vị
2 cell IDs / 2 LA-IDs + 1 cell
Sự việc có giá trị đặc biệt
3.3 Kỹ thuật định vị Cell site Indentity (Cell- ID) [13]
Cell-ID là một giải pháp định vị vị trí dựa trên mạng cơ sở, sử dụng tọa độ vĩ độ và kinh độ của trạm cơ sở để xác định vị trí của người dùng qua thiết bị di động.
Cell-ID (Cell Identification) là công nghệ định vị đơn giản nhất trong mạng GSM, dựa vào trạm BTS phục vụ kết nối với thuê bao Mỗi trạm BTS có một mã ID riêng và phủ một phạm vi diện tích nhất định Nhờ đó, vị trí của các thuê bao di động trong khu vực quản lý của trạm BTS được xác định với độ chính xác từ 50-100m, đặc biệt trong các vùng đô thị.
Phương pháp xác định vị trí của MS dựa vào việc xác định vị trí của BTS mà MS đang kết nối Nếu thông tin về BTS được xác định, vị trí của MS sẽ trùng khớp với vị trí của BTS Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào kích cỡ của cell, với MS có thể ở bất kỳ vị trí nào trong cell Trong các khu vực đô thị có mật độ dân cư cao, kích cỡ cell nhỏ hơn dẫn đến độ chính xác cao hơn, trong khi ở vùng ngoại ô, kích cỡ cell lớn có thể gây ra sai lệch vị trí lên tới hàng chục km.
Như thể hiện hình 3.5 phương pháp định vị này theo hình quạt trong các vùng định vị tế bào
Time-of-Arrival / TOA Sự cắt hình cung khoảng cách không
BTSs have to be synchronised Angle-of-Arrival / AOA
–Góc đến Sự giao nhau Góc Cần 2 antene ở một trạm
RXLEV (Cường độ tín hiệu)
Liên quan số liệu phải có sẳn
Quá trình cập nhật vị trí thuê bao diễn ra qua thủ tục “Location Update” khi thuê bao di chuyển giữa các ô hoặc vùng khác nhau Đối với các ô được chia thành các sector, số nhận dạng sector sẽ được sử dụng để xác định vị trí Kỹ thuật Cell-ID cho phép đánh giá vị trí, nhưng độ chính xác phụ thuộc vào kích thước của các cell, dẫn đến khả năng sai số tương đối lớn Để cải thiện độ chính xác, người ta thường áp dụng các phương pháp bổ sung khác.
ID kết hợp với một hay cả hai kỹ thuật: TA (Timing Advance), dựa vào độ mạnh của tín hiệu
Bảng 3.2 Bảng đánh giá kỹ thuật định vị Cell-ID
Kỹ thuật cell-ID kết hợp với TA
Trong hệ thống GSM, Timing Advance (TA) là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu từ thiết bị di động đến được trạm gốc (BTS) Kỹ thuật này sử dụng thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS để điều chỉnh thời gian phát của thiết bị di động (MS), đảm bảo rằng tín hiệu từ MS đến BTS khớp với khe thời gian đã được phân bổ Mặc dù TA giúp xác định rằng MS nằm trong vùng phục vụ của BTS, nó chỉ cung cấp thông tin về khoảng cách tương đối giữa MS và BTS trong một bán kính xác định.
Hình 3.6.Kỹ thuật định vị sử dụng Cell - ID và TA
Bảng 3.3 Sự ảnh hưởng của một số trạm BTS đến độ chính xác Cell-ID – TA
Số Trạm BTS Độ chính xác [m ] 67%
Chuyển giao/ cập nhật vùng định vị
Phương pháp xác định vị trí di động được áp dụng khi điện thoại chuyển vùng giữa các trạm BTS Khi tín hiệu truyền thông yếu (giá trị RXLEV thấp), ưu điểm của phương pháp này là có hai Cell ID tồn tại đồng thời trong quá trình chuyển giao vùng Nhờ đó, việc xác định vị trí di động chỉ cần dựa vào đường giới tuyến giữa hai Cell này.
Phương pháp này có hạn chế là không đảm bảo độ chính xác trong mọi trường hợp, và độ chính xác phụ thuộc vào kích thước của tế bào ô Hình 3.7 minh họa mô hình học của phương pháp chuyển giao vùng.
Khi một điện thoại di động chuyển từ vùng định vị (LA) này sang vùng định vị khác, độ chính xác vị trí có thể giảm do phạm vi quản lý của các LA lớn hơn nhiều so với các BTS Tuy nhiên, các Cell ID tương ứng trong LA mới sẽ giúp bù đắp phần nào sự giảm sút này, cải thiện độ chính xác tổng thể.
Hình 3.7 Giao tuyến - Sự việc chuyển giao các vị trí
3.6.Kỹ thuật định vị Thời gian đến (Time of Arrival TOA)
Các đo lường nội tại của hệ thống GSM toàn cầu bao gồm khoảng định thời sớm TA (Timing Advance) và giá trị thu nhận RXLEV (Receive Level) RXLEV cho biết cường độ tín hiệu mà một thiết bị di động (MS) nhận được từ trạm phát sóng cơ sở (BTS) đang quản lý, cũng như từ các BTS lân cận.
Hai thông số này có thể chuyển đổi thành khoảng cách và được sử dụng để định vị qua các vùng cung giao nhau Phương pháp này được gọi là thời gian đến (TOA) Tuy nhiên, trong thực tế, khi có hơn ba khoảng cách định vị, việc xác định vị trí không chỉ đơn thuần là tìm ra một giải pháp duy nhất.
Người dùng có thể xác định vị trí một cách có định hướng thông qua việc sử dụng giá trị định thời sớm (TA) thích hợp, giúp đo lường khoảng thời gian truyền Điều này cho phép định vị chính xác hơn, với độ chính xác đạt khoảng 500m trong trường hợp định vị 2D.
Hình.3.8 Thời gian đến - Sự cắt hình cung
3.7.Kỹ thuật định vị sai lệch của thời gian đến (Time Deffrence of Arrival TDOA)
Phương pháp định vị thời gian đường lên đến (TDOA) dựa trên việc xác định thời điểm tín hiệu từ thiết bị di động được phát đi và nhận bởi ba hoặc nhiều trạm gốc (BTS) Phương pháp này cho phép xác định vị trí chính xác của thiết bị thông qua sự khác biệt về thời gian mà tín hiệu đến các trạm nhận khác nhau.
Hình.3.9 Sự truyền tín hiệu TDoA
Các khoảng cách đo đạc từ giá trị TA và RXLV thường có độ chính xác thấp do độ sai lệch tỉ lệ với khoảng cách định vị Để cải thiện độ chính xác, cần loại bỏ độ lệch định thời của MS Phương pháp hình học được áp dụng trong trường hợp này được gọi là giao tuyến hy-pec-pôn (Hyperbola section).
Phương pháp định vị T-DOA (Time Difference of Arrival) sử dụng khoảng sai lệch thời gian để xác định vị trí Để nâng cao độ chính xác trong việc tính toán sai số, các trạm phát sóng (BTS) cần được đồng bộ hóa chính xác thông qua thiết bị đo đạc cục bộ (Local Measurement Units).
3.8.Kỹ thuật định vị Enhanced Observed Time Difference (EOTD)
[7] Phương pháp thực hiện đồng bộ gọi là (E-OTD) nhằm tăng khả năng quan sát độ sai lệch thời gian,
Phương pháp này có thể được thực hiện trên thiết bị cầm tay hoặc thiết bị hỗ trợ cầm tay Đầu tiên, người dùng cần đo giá trị TA và xác định vị trí MS, sau đó chuyển giao thông tin định vị tới mạng GSM Độ chính xác của phương pháp này có thể đạt khoảng 500m.
Trong hình học, tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách tới hai điểm cố định là một đường hyperbol, bao gồm hai đường tương ứng với hiệu số dương và âm Giao điểm của ít nhất ba đường hyperbol khác nhau sẽ xác định duy nhất một điểm Dựa trên hai phương pháp hình học này, E-OTD phát triển phương pháp hyperbol, trong đó thời gian khác biệt được quan sát tại trạm gốc BTS và thiết bị tính toán vị trí LMU.
Phương pháp E-OTD sử dụng để định vị dựa trên hyperbol, trong đó thiết bị không xác định trực tiếp khoảng cách đến từng trạm BTS mà tính toán hiệu khoảng cách giữa các cặp trạm thông qua sự chênh lệch thời gian Qua đó, thiết bị xác định được hyperbol tương ứng, với tốc độ sóng điện từ bằng tốc độ ánh sáng.
- d 1 khoảng cách từ MS đến trạm BTS1, d 2 khoảng cách từ MS đến trạm BTS2, d 3 khoảng cách từ MS đến trạm BTS3
- GTD: Thời gian sai khác địa lý( Geometric Time Difference) tương ứng với sai khác về khoảng cách từ BTS đến MS
- RTD: Thời gian sai khác thực tế (Read Time Difference) là sai lệch thời gian
𝐺𝐷𝑇2 = 𝑑1−𝑑2 𝑐 ; 𝐺𝐷𝑇3 = 𝑑1−𝑑3 𝑐 (1) giữa hai trạm BTS khi truyền tín hiệu đi
OTD (Thời gian sai khác quan sát được) là khoảng thời gian mà thiết bị có thể nhận diện thông qua việc ghi lại thời điểm tín hiệu từ BTS đến.
Ta có: GTD = OTD – RTD
Để xác định khoảng cách giữa hai trạm BTS và MS, cần tìm hai tham số quan trọng: OTD được đo từ thiết bị và RTD được đo từ LMU Để đảm bảo RTD đo chính xác, vị trí của LMU cần phải được xác định rõ ràng.
-t 1 thời gian tín hiệu giữa trạm BTS1 đến MS, t 2 thời gian tín hiệu giữa trạm BTS2 đến MS ta có OTD = t2 – t 1
-t a thời gian tín hiệuừ trạm BTS1 đến MS, t b thời gian tín hiệu từ trạm BTS2 đến MS ta có RTD = t a – t b
Bảng 3.4 Đánh giá kỹ thuật định vị EOTD
Chỉ tiêu Đánh giá Chú thích Độ chính xác Trung bình Độ chính xác phụ thuộc vào mật độ, vị trí BTS, từ
First Fix) Tốt Khoảng 5 giây Đầu cuối Tốt Chỉ yêu cầu thay đổi phần mềm
Roaming Kém Yêu cầu phải có LS (Location server) và LMU trong mạng khách
Hiệu suất Kém Sử dụng băng thông và dung lƣợng của mạng cho lưu lượng của LMU
Khả năng mở rộng của hệ thống gặp khó khăn khi cần lắp đặt thêm các LMU, dẫn đến hiệu suất không tối ưu Bên cạnh đó, tính tương thích cũng hạn chế, khi thiết bị chỉ hoạt động hiệu quả trong mạng GPRS/GSM mà không thể áp dụng cho mạng WCDMA.
3.9 Kỹ thuật định vị theo góc tới (Angle of Arrival) (AOA)
Kỹ thuật định vị theo cường độ tín hiệu
Phương pháp định vị di động không sử dụng GPS được gọi là so sánh đa đường (Multipath Matching) hay so sánh mẫu (Pattern Matching), dựa trên cường độ tín hiệu đo được từ ít nhất ba trạm BTS Các số liệu chuẩn (số liệu tham khảo) được thu thập thông qua thiết bị đo đạc đặc biệt hoặc di động MS, bao gồm thời gian, giá trị cường độ tín hiệu và kết quả so sánh, phụ thuộc vào môi trường xung quanh Trong mạng GSM, phân tích cường độ tín hiệu là một trong những phương pháp đầu tiên và chủ yếu để xác định vị trí Việc đo cường độ tín hiệu từ ít nhất ba trạm BTS tới MS cho phép tính toán vị trí MS gần đúng thông qua giao nhau của ba vòng tròn với bán kính tương ứng, giúp giảm thiểu sai số.
Trong mạng thông tin di động, MS thường đo độ mạnh tín hiệu từ nhiều BTS và gửi thông tin này về BTS đang phục vụ Nhờ vào thông tin độ mạnh tín hiệu, có thể xác định vị trí của MS với độ chính xác cao hơn.
Hình 3.12 Phân tích cường độ tín hiệu
