Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS

Chương 1
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS
1.1. Tổng quan
UMTS là hệ thống 3G của châu Âu và sẽ là một thành phần họ của các
giao diện sóng radio hình thành nên IMT-2000, hoạt động dựa trên các băng
tần phân cấp cho FPLMTS tại WARC 92 và cho IMT-2000 tại WRC 2000.
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được xây dựng với mục đích cung cấp
cho một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại,
nhắn tin, Internet và dữ liệu băng rộng. Tại châu Âu hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 3 đã được tiêu chuẩn hóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thông
Châu Âu(ETSI), hệ thống có tên là UMTS( hệ thống di động toàn cầu).
UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống 2G/GSM nhằm đáp ứng
các yêu cầu phát triển dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyền
dẫn lên đến 2Mps và cung cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu.
UMTS được phát triển bởi 3GPP là dự án phát triển chung của nhiều
cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như ETSI, ARIB/TCC (Nhật bản), ANSI
(Mỹ),TTA( Hàn Quốc) và CWTS( Trung Quốc)
Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 dã đưa ra các phổ tần dùng cho hệ
thống UMTS
- 1920 - 1980MHz Và 2110 - 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD
đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz.
- 1900 - 1902 MHz và 2010 - 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDDTD/CDMA đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz.
- 1980 - 2010 MHz và 2170 - 2200 dành cho đường xuống và đường
lên hệ thống di động vệ tinh.
Phổ tần của UMTS thể hiện trong hình 1.1

1


Hình 1.1 Phổ tần dùng cho UMTS.
Năm 1998 3GPP đã đưa ra 4 tiêu chuẩn chính của UMTS:

- Dịch vụ.
- Mạng lõi.
- Mạng truy nhập vô tuyến.
- Thiết bị đầu cuối.
- Cấu trúc hệ thống.
1.2. Cấu trúc hệ thống UMTS
Trong mục này ta sẽ xét tổng quan cấu trúc UMTS. Cấu trúc bao gồm
các phần tử mạng logic và các giao diện. Hệ thống UMTS dùng cấu trúc như
hệ thống thế hệ 2, thậm chí một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ 1.
Mỗi phần tử mạng logic có một chức năng xác định, trong tiêu chuẩn các
phần tử mạng được định nghĩa cũng thường được thực hiện ở dang vật lí
tương tự, nhất là có một số giao diện mở.
Về mặt chức năng có 2 nhóm phần tử mạng:
- Mạng truy nhập vô tuyến (RAN) thực hiện chức năng liên quan đến
vô tuyến.
- Mạng lõi (CN) thực hiện chắc năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi
và kết nói số liệu.

2


Để hoàn thiện hệ thống còn có thiết bị người sử dụng ( UE : User
Equipment) để thực hiện giao diện người sử dụng vứi giao diện vô tuyến.
Cấu trúc hệ thống mức cao được thể hiện trong hình 1.2. Cả UE và
UTRAN đều bao gồm các giao thức mới. Việc thiết kế các giao thức này dựa
trên những nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới nhưng việc định
nghĩa CN dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống với công nghệ vô tuyến
mới mạng tính toàn cầu dựa trên công nghệ CN đã biết và phát triển.

Hình 1.2. Cấu trúc hệ thống UMTS

Một phương pháp khác để chia nhóm cho mạng UMTS là chia chúng
thành các mạng con. Với cách này, hệ thống UMTS được thiết kế theo modul
vì thế có thể có nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu. việc có nhiều phần tử
của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt
động độc lập hoặc cùng với mạng con khác. Các mạng con này được phân
biệt bởi các nhận dạng duy nhất, mạng con như vậy được gọi là mạng di động
mặt đất công cộng UMTS.
Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiết
chức năng bên trong của các phần tử mạng như định nghĩa giao diện giữa các
phần tử mạng logic. Các giao diện mở như:
Giao diện CU: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân
theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh.
3


Giao diện Uu : là giao diện vô tuyến của WCDMA giữa UE và nodeB trong
UMTS, đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng.
Giao diện Iu: Kết nối UTRAN và CN, nó gồm 2 phần, IuPS cho miền
chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến
nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. nhưng một UTRAN chỉ có
một kết nối đến một điểm truy nhập CN.
Giao diện Iur: Đây là giao diên RNC-RNC, ban đầu được thiếu kế để đám
bảo chuyển giao mền giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều
tính năng mới được bổ xung.Giao diện này được đảm bảo bốn tính năng nổi
bật sau :
1. Di động giữa các RNC.
2. Lưu thông kênh riêng.
3. Lưu thông kênh chung.
4. Quản lý tài nghuyên toàn cục.
Giao diện Iub: Nối nút B và RNC, khác với GSM đây là giao diện mở.

1.3. Mạng lõi CN (core Network)
Chức năng chính của mạng lỡi UMTS:
- Quản lý di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và
mạng lõi.
- Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi
-Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài.
- Các vấn đề liên quan đến truy nhập gói.
- Giao diện Iu và các yêu cầu quản lý điều hành mạng.
Mạng lõi UMTS chia thành 2 phần: Chuyển mạch kênh và chuyển
mạch gói. Thành phần chuyển mạch kênh gồm MSC, VLR và cổng MSC,
Thành phần chuyển mạch gói gồm nút hỗ trợ dịch vụGPRS (SGSN: Serving
GPRS Support Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN : Gateway GPRS
Support Node). Một số thành phần của mạng như HLR và AUC được chia sẻ

4


cho cả hai phần. Cấu trúc mạng logic có thể được thay đổi khi các dịch vụ
mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra.
Các phần tử chính của mạng lõi như sau:
- HLR: thanh ghi định vị thường chú là một cơ sở dữ liệu được đặt tại
hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thông tin chính về lý lịch dịch
vụ của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ xung như trạng
thái chuyển hướng cuộc gọi , số lần chuyển hướng cuộc gọi.
- MSC/VLR: Trung tâm chuyển mạch tỏng đài (MSC) và thanh ghi
định vị tạm trú (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại
vị trí hiện thời của nó. Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao diện chuyển
mạch kênh VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng cũng
như vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ, CS là phần
mạng được truy cập qua MSC/VLR.

- GMSC ( Gateway MSC) : Là chuyển mạch tại điểm kết nói UMTS
PLMN với mạng CS bên ngoài.
- SGSN ( Serving GPRS : General Packet Radio Network Service
Node): Có chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho dịch vị
chuyển mạch gói PS ( Packet Switch). Vùng PS là phần mạng được truy nhập
qua SGSN.
- GGSN ( Gateway GPRS Support Node): Có chức năng giống như các
dịch vụ thoại. Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho dịch vụ chuyển mạch
gói.
1.4. Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN
UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS
( Radio Network Subsytem). Một RNS là một mạng con trong UTRAN, nó
bao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC ( Radio Network Controller)
và một hay nhiều Node B. Các RNC và các Node B được kết nối với nhau
bằng giao diện Iub.
Đặc tính của UTRAN:
5


- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan, đặc biệt các ảnh
hưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm và các thuật
toán quản lý tài nghuyên đặc thù WCDMA.
- Đảm bảo chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và
chuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất và
băng cách sử dụng cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai cùng
PS và CS của mạng lõi.
- Đảm bào tính chung nhất với GSM khi cần thiết.
- Sử dụng chuyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN.
UTRAN có hai thành phần chính đó là : bộ diều khiển mạng vô tuyến ( RNC)
và NodeB Như hình 1.3.

Hình 1.3 khối UTRAN
Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC:
RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vô
tuyến củ UTRAN. Nó giao diện với CN( thông thường Với một MSC và một
SGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguên vô tuyến RRC( Radio
Resource và UTRAN, nó đóng và trò như BSC
Các chức năng chính chủa RNC:
- Điều khiển tài nguyên vô tuyến.
- Cấp phát kênh.
- Thiết lập điều khiển công suất.
- Điều khiển chuyển giao.
6


- Phân tập Macro.
- Mật mã hóa.
- Báo hiệu quảng bá.
- ĐIều khiển công suất vòng hở.
NodeB( TRạm gốc):
Chức năng chính của NodeB là thực hiện xử lý L1của giao diện vô
tuyến( mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…), nó cũng thực hiện
một phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất
vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc ở GSM.
1.5. Thiết bị người dùng UE
UE là sự kết hợn giữa thiết bị di động và modul nhận dạng thuê bao
USIM(UMTS subscriber indentity). Giống như SIM trong mạng GSM/GPRS,
USIM là thẻ gna vào máy di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi. Hệ
thống GSM, Sim card lưu giữ thông tin cá nhân cài cứng trên card nhưng trng
UMTS, modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài trong một ứng dụng trên

UICC( là một card thông minh), sự khac biệt nayfcho phép lưu nhiều ứng
dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa)điện tử hơn cùng với một USIM cho các
mục đích khác. Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ
truy nhập đến nhiều mạng.
Thiết bị di động là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vo
tuyến giao diện Uu. Modul nhận dạng thuê bao UMTS là một thẻ thông minh
chứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện cá thuật toán nhận thực và lưu
giữ các khóa nhận thực trong cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu
cuối.Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã
PIN, nó có thể đảm bảo rằng thiết bị đầu cuối thuộc sở hữu người sử dụng
mới được truy nhập mạng UMTS.
1.6 Các dịch vụ phổ biến của mạng 3G - UMTS
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có thể cung cấp các dịch vụ tốc độ
bit cao lên đến 2Mbit/s. Các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại hình ảnh, dữ
7


liệu đường xuống nhanh, các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình số mặt
đất….Các dịch vụ có thể chia làm 3 loại:
- Dịch vụ di động.
- Dịch vụ viễn thông.
- Dịch vụ Internet.
Dịch vụ di động bao gồm dịch vụ di động và dịch vụ thông tin định vị.
Chi tiết của các dịch vụ di động bao gồm giữa di động đầu cuối, di động cá
nhân hoặc di động dịch vụ.Dịch vụ thông tin định vị thực hiện theo vết di
động hoặc theo vết di động thông minh.
Dịch vụ viễn thông bao gồm dịch vụ Audio, dịch vụ số liệu, và dịch vụ
đa phương tiện.Tương ứng với mỗi loại dịch vụ này là các tốc độ dữ liệu
truyền khác nhau với yêu cầu về độ chính xác độ trễ truyền dẫn khac nhau.
Thí dụ như dịch vụ Audio chất lượng cao yêu cầu tốc độ 16~64kbit/s nhưng

dịch vụ Audio FM lại yêu cầu tốc độ 64~384Kbit/s. Tuong tự với dịch vụ đa
ohuowng tiện có dịch vụ số liệu tốc độ trung bình thấp nên yêu cầu tốc độ
64~ 144kbit/snhuwng dịch vụ video chuyển động thời gian thực yêu cầu tốc
độ siêu cao >= 2Mbit/s.
Dịch vụ internet có các loại dịch vụ và tốc độ bit tương ứng cho mỗi
loại như: Truy nhập Web yêu cầu tốc độ bit ~38kbit/s, dịch vụ inter netyeue
cầu 382~2Mbit/s. Riêng dịch vụ Web đa phương tiện thời gian thực thì yêu
cầu độ trễ nhỏ nhất có thể.
UMTS cho phép người sử dụng lựa chọn các đặc tính mạng phù hợp
nhất cho việc mang thông tin. Ngoài ra cũng có thể thay đổi đặc tính mạng
thông qua thủ tục đàm phán lại trong quá trình kết nối tích cực.
3GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho dịch vu của hệ thống UMTS nhằm đáp
ứng:
- Định nghĩa và đặc điểm yêu cầu của dịch vụ.
- Phát triển dung lượng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổ
ong, mạng cố định, mạng di động.
8


-Thuê bao và tính cước.
UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa như thoại hoặc qua bản tin ngắn và các
loại dịch vụ mạng. Các mạng có tham số QoS khác nhau cho độ trễ truyền
dẫn tối đa độ trễ truyền biến thiên và tỉ lệ lỗi bít (BER). Những tốc đọ dữ liệu
được yêu cầu là :
- 144 Kbqs cho môi trường về tinh và nông thôn.
- 384 Kbqs cho môi trường thành phố ( ngoài trời).
- 2048 Kbqs cho môi trường trong nhà và ngoài trời với khoảng cách
ngắn.
Cấu trúc phân lớp của dịch vụ mạng UMTS được thể hiện trong hình
1.4. Mỗi mạng ở một lớp đặc thù cung cấp các dịch vụ riêng sử dụng các dịch

vụ do lớp dưới cung cấp. Dịch cụ mạng UMTS đóng vai trò chính trong việc
đảm bảo dịch vụ đầu cuối.
Hình 1.4 Cấu trúc của dịch vụ mạng UMTS
Hệ thống UMTS có 4 loại QoS , yếu tố chủ yếu để phân biệt các loại này là
độ nhạy cảm với trễ. Mỗi loại có độ nhạy cảm riêng, chẳng hạn loại hội thoại
rất nhạy cảm với trễ nhưng ngược lại loại cơ bản có độ nhạy trễ thấp nhất.
Các loại QoS của UMTS được tổng kết ở bảng 1.1
Loại

lưu

Loại

lượng
thoại
Các đặc tính Dành
cơ bản

hội Loại Luồng
trước Dành

Loại

tương Cơ bản

tác
trước Yêu cầu mẫu Nơi

quan hệ thời quan hệ thời trả lời

nhận

không đợi số

gian giữa các gian giữa các Dành trước số liệu

trong

thực thể thông thực thể thông liệu trọn vẹn

khoảng

thời

tin của luồng tin của luồng

gian

nhất

Mẫu hội thoại

định.

( chặt chẽ và
trễ nhỏ)

Dành trước
số liệu toàn
vẹn

9


Thí dụ về ứng Thoại
dụng

Điện

Luồng
thoại phương tiện

đa Trình

duyệt

web

thấy hình

Các trò chơi

Các trò chơi

mạng

Tải

xuống

mail

thoại
1.6.1 Loại hội thoại
Ứng dụng nhiều người biết nhất của loại này là dịch vụ thoại trên các
vật mạng chuyển mạch kênh. Cùng với Internet và đa phương tiện một số ứng
dụng mới sẽ đòi hỏi loại này, như thoai IP và điện thoại thấy hình. Hội thoại
thời gian thực luôn được thực hiện giữa người đồng cấp. Đây là kiểu duy nhất
trong bốn kiểu có đặc tính yêu cầu liên quan chặt chẽ đến sự nhận biết của
con người.
Tham số đặc trưng của hội thoại thời gian thực là độ trễ đâu cuối nhỏ
và lưu lượng đối xứng. Dựa vào sự cảm thụ của con người ở cuộc hội thoại
video người ta đánh giá chủ quan rằng trễ đầu cuối phải nhỏ hơn 400ms.
1.6.2 Loại luồng
Luồng được hiểu như là một khả năng của ứng dụng phát đi các môi
trường được đồng bộ như các luồng âm thanh, hình ảnh một cách liên tục mà
trong khi các luồng này lại được đến khách hàng trên mạng số liệu.
Các loại ứng dụng được xây dựng trên các dịch vụ luồng có thể được phân
loại thành các dịch vụ truyền tin theo yêu cầu và trực tiếp như truyền tin tức
yêu cầu, truyền hình trực tiếp.Mạng 3G dịch vụ PSS (Packet Streaming
Service ) có thể bổ xung dịch vụ truyền bản tin đa đường thế hệ 3 và dịch vụ
hội thoại. PSS có thẻ thực hiện các ứng dụng luồng di động có sự phức tạp
của giao thức và đầu cuối thấp hơn trong các dịch vụ thoại
1.6.3 Loại cơ bản

10


Các kiểu cơ bản có thể dùng để truyền e- mail, SMS, tải xuống các cơ
sở dữ liệu và bản tin vừa tải. Các ứng dụng này không đòi hỏi thời gian thực,
trễ có thể giao động từ vài giây, vài chục giây thậm chí đến vài trăm giây.

Lưu lượng cơ bản là một trong số các sơ đồ thông tin số liệu kinh điển được
đặc trưng bởi yếu tố nơi nhận không đợi số liệu trong khoảng thời gian nhất
định, nó ít nhiều không nhạy cảm với độ trễ. Một đặc trưng khác là nội dụng
của gói không nhất thiết phải được truyền trong suốt. Số liệu phát đi phải
được thu không mắc lỗi.
1.6.4 Loại tương tác
Khi người sử dụng đầu cuối yêu cầu số liệu từ thiết bị xa thì loại sơ đồ
tương tác này được áp dụng.
Lưu lượng tương tác là sơ đồ thông tin số liệu đặc trưng bởi mẫu yêu
cầu và trả lời trong một thời gian đã tính trước. Với loại lưu lượng tương tác
này nội dung của các gói tin phải chính xac hay có tỉ lệ lỗi bít thấp nhất có
thể. Ứng dụng cụ thể của loại dịch vụ này gồm hai loại: Các dịch vụ trên cơ
sở định vị và các dịch vụ Game online( trò chuyện trực tuyến).
1.6.4.1 Các dịch vụ trên cơ sở định vị
Các ứng dụng và các dịch vụ trên cơ sở định vị là một hướng mới ở
UMTS. Dịch vụ trên cơ sở định vị được cung cấp hoặc bởi các nhà khai thác
tù xa hoặc nhà cung cấp dịch vụ của đối tác thứ ba bằng cách sử dụng thong
tin vwf vị trí đầu cuối, dịch vụ có thể là kiểu đẩy hoặc kéo. Các dịch vụ khác
trên cở sở định vị là các cuộc gọi giảm giá ở mọt cùng nhất định, phát quảng
bá một dịch vụ ở một số lượng nhất định các đài trạm, thu và hiển thị thông
tin trên cơ sở định vị như: Vị trí ngân hàng trường học, cơ quan gần nhất…
Phụ thuộc vào dịch vụ số liệu có thể thu nhận theo cách tương tác hoặc cơ
bản. Thông tin định vị có thể được nhận biết và đưa vào từ người sử dụng
dịch vụ hoặc từ thiết bị đầu cuối. Vị trí định vị được cung cấp theo các yêu
cầu và được thiết lập bởi một số thuật ngữ như độ chính xác phương ngang,
phương đúng, thời gian trả lời và mức ưu tiên cũng như độ an toàn.
11


Việc đo vị trí là một quá trình thống kê, không phải tất cả các phép đo

vị trí đều cho cùng một kêt quả. Độ chính xác tổng thể của hệ thống được báo
cáo bao gồm đo thống kê của nhiều lần thực hiện và tại nhiều vị trí qua vùng
phủ UTRAN. Độ chính xác được báo cáo cho một phép đo có thể thay đổi rất
lớn so với kết quả hệ thống.
1.6.4.2 Dịch vụ game online
Trò chơi tương tác qua mạng có thể được coi là một ứng dụng thuộc
lợi tương tác tuy nhiên nó thuộc vào tính chất của trò chơi, nó cũng thuộc loại
hội thoại do yêu cầu cao đối với trễ cho phép cực đại đầu cuối - đầu cuối.
Tóm lại :
Nội dung chương 1 của đồ án đã nghiên cứu tổng quan về hệ thống
thông tin di động UMTS, các phổ tần số, cấu trúc và các giao diện của hệ
thống 3G - UMTS. Dựa trên cơ sở cấu trúc của hệ thống này tìm hiểu các loại
dịch vụ của hệ thống 3G - UMTS. Có bốn loại hình dịch vụ tiêu biểu là : loại
hội thoại, loại luồng, loại cơ bản và loại tương tác. Các loại hình dịch vụ này
mang lại nhiều ứng dụng khác nhau, trong các ứng dụng đó thì dịch vụ dựa
trên vị trí LBS hứa hẹn mạng lại nhiều tiềm năng to lớn. Việc khai thác các
dịch vụ này đòi hỏi phải hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật định vị.

12


Chương 2
Các phương pháp định vị trong thông tin di động
2.1 Giới thiệu
Việc nghiên cứu về kỹ thuật định vị và các ứng dụng của nó trong
thông tin di động nói riêng và trong các nghành công nghệ khác nói chung
đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới. Ngày
nay nờ sự tiến bộ của khoa học mà ý tưởng về các phương pháp định vị được
phát triển từ đó cho ra đời các hệ thống định vị khác nhau, lúc đầu là dành cho
mục đích phục vụ quân sự nhưng ngày nay nó được ứng dụng rộng rãi cho

hiều mục đích dân sự như điều hành xe taxi, nghành công nghiệp hàng hải,
thám hiểm… trong đó thông tin di động được ứng dụng như mọt ngành công
nghệ tiên tiến. Trong các mạng thông tin di động xác định vị trí của các thuê
bao trong mạng này là một yêu cầu cấp thiết. Định vị được vị trí của thuê bao
nhà điều hành mạng có thế xác định được vị trí của các thuê bao đang sử dụng
một cách nhanh chóng và chính xác từ đó thực hiện các dịch vụ di động, có
thể quản lý các nguồn tài nguyên của mạng lưới mình một cách hiệu quả nhất
cung cấp nhiều ứng dụng khác nhau cho khách hàng khi đã xác định được vị
trí của họ. Các kỹ thuật định vị đang mở ra các ứng dụng dựa trên vị trí, thông
qua việc tích hợp các công nghệ vào thiết bị di động. Chúng được gọi là các
dịch vụ dựa trên vị trí thuê bao LBS( Location Based Services). Nhà cung cấp
dịch vụ LBS có thể cung cấp dịch vụ bằng nhiều phương pháp khác nhau dựa
trên địa điểm để người dùng cuối có thể hoàn toàn thỏa mãn với dịch vụ. Đặc
biệt nó có thể được sử dụng như một yêu cầu thiết yếu cho việc triển khai các
giao thức mới , công nghệ mới, ứng dụng mới trong di động. Việc lựa chọn
một phương pháp định vị để sử dụng vào các ứng dụng riêng có ảnh hưởng
rất lớn đến thiết kế và các công nghệ sử dụng trong các hệ thống định vị. Có
nhiều vấn đề phức tạp khác nhau chẳng hạn như về mặt công nghệ, công suất
tiêu thụ, tính bảo mật của hệ thống…Chính vì vậy lựa chon được một phương
pháp định vị có thể ứng dụng đạt kết quả tối ưu sẽ giúp người thiết kế có thể
13


hoàn thành mục địch của mình và người sử dụng hệ thống có thể đạt được
hiệu quả cao nhất. Nội dung của chương 2 đồ án sẽ trình bày chi tiết các
phương pháp định vị có thể ứng dụng được trong thông tin di động.
2.2. Các phương pháp định vị
2.2.1 Phương pháp định vị dựa trên cơ sở mạng.
2.2.1.1 Phương pháp Cell - ID
Tế bào gốc ( COO) hay Cell - ID là một giải pháp định vị vị trí hoàn

toàn dựa trên mạng cơ sở. Giải pháp này sử dụng các vĩ độ và kinh độ của
trạm cơ sở phục vụ cho thiết bị di động như vị trí người dùng. Như vậy, COO
có thời gian đáp ứng cao nhất và là giải pháp định vị triển khai rộng rãi nhất
trong năm 2001. Tuy nhiên, phương pháp này có thể không chính xác, vị trí
của MS luôn được xác định thông qua khoảng cách từ nó đến BTS mà nó
đang trực thuộc ( hoặc nhiều BTS), điều này được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1: Kỹ thuật định vị Cell - ID
Độ chính xác của kỹ thuật định vị phụ thuộc vào kích thước của các tế
bào mạng vì MS có thẻ ở mọi vị trí bất kỳ trong Cell. Các mạng di động đơn
giản có các máy phát được đa hướng, phát như nhau theo nọi hướng tạo ra
một vòng tròn. Bởi vì vòng tròn tessellate không tốt, nhà thiết kế mạng di
động cố gắng để gần đúng cho hình lục giác. Và COO cũng thường được gọi
là CGI.

14


Đây là phương pháp định vị đơn giản nhất, phương pháp này cho biết
kết quả vị trí định vị trong khu vực lớn tương đương với vùng tế bào của Cell
đó. Tại các vùng thành thị vùng định vị thương dưới 250m 2. Tại các vùng
nông thôn, vùng định vị tế bào lớn hơn một vài km 2 do đó độ chính xác tương
ứng giảm.
Phương pháp định vị này được quét theo hình quạt trong các vùng định
vị tế bào hoặc có thể kết hợp với phương pháp xác định khoảng cách theo TA.
Để quét được toàn vùng ( theo diện tích hình tròn) ta chỉ cần bố trí 3 anten
trên mỗi trạm BTS định vị theo hướng xen kẽ nhau 1200. Để tăng độ chính
xác người ta dùng sector ID hoặc có thể kết hợp với một hay cả hai kỹ thuật
TA ( Timing Advance) và dựa vào cường độ của tín hiệu. Cả hai kỹ thuật này
bạn đâu được dành cho cho các mục đích khác do đó khi dùng để xác định vị

trí nó có thể sử dụng các thiết bị đã tồn tại trong mạng GSM/GPRS. Kỹ thuật
TA sử dụng thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS tới hiệu chỉnh
thời gian phát của MS sao cho tín hiệu từ MS tới BTS đúng với khe thời gian
dành cho MS để tính ra khoảng cách từ MS đên BTS. Tuy nhiên kỹ thuật TA
chỉ cho biết MS trong vùng địa lý của BTS đang phục vụ nó với bán kính xác
định được nhờ TA. Ngoại ra, trong mạng thông tin di động MS thường đo
cường độ của tín hiệu từ một số BTS và gửi thông tin này đến BTS đang phục
vụ nó, vì vậy có thể dựa vào thông tin về cường độ tín hiệu này dể tính ra
được vị trí MS với độ chính xác cao hơn TA. Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tố
làm hạn chế hiệu quả của phương pháp này như địa hình , suy hao ở môi
trường trong nhà ( các vật liệu xây dựng, hình dạng, kích cỡ tòa nhà).
Thủ tục định vị Cell - ID được trình bày trong hình 2.2. Tùy thuộc trạng
thái RCC của UE để xác định Cell, phục vụ RNC có thể thực hiện các hoạt
động bổ xung. Yêu cầu vị trí của CN làm cho SRNC kiểm tra mục tiêu của
UE. Nếu UE trong Cell, mục tiêu Cell - ID được lựa chọn, trong chuyển giao
mềm, UE có một nhánh tín hiệu kết nối với các tế bào khác nhau báo cáo kết
quả Cell - ID khác nhau. SNRC kết hợp thông tin về tất cả các tế bào liên kết
15


vơi UE này. Nó cũng liên quan đến việc UE chuyển giao mềm hơn và SNRC
kết hợp các thông tin về tất cả các tế bào liên kết với UE. Vì vậy, khi UE vào
mức độ thiết lập hoạt động, tính chính xác của Cell - ID thường được tăng
cường.

Hình 2.2 : Lưu đồ tín hiệu Cell- ID
Như vậy, Cell - ID và các kỹ thuật tăng cường hỗ trợ nó mặc dù có một
số ưu điểm như ít phải thay đổii phần cứng của mạng, ít tốn kém và đồ chính
xác giảm, tính phụ thuộc và bảo mật cell làm cho phương pháp xác định này
có khả năng hỗ trợ cho một số ít các dịch vụ.

16


2.2.1.2 Phương pháp TOA
Phương pháp định vị dựa trên phương pháp giao đường tròn kết hợp
với phương pháp đo thời gian tạo ra một phương pháp định vị mới gọi là
phương pháp xác định thời gian tới ( Time of Arrial TOA). Hệ thống định vị
GPS là một ví dụ phổ biến nhất sử dụng phương pháp này . một bộ thu GPS
xác định khoảng cách giả tới ít nhất ba vệ tinh và dựa vào đó để tính toán các
khoảng cách. Để đồng bộ và tăng độ chính xác giữa bộ phát và bộ thu phải sử
dụng tín hiệu từ về tinh thứ 4.
Các đại lượng đo lường nội tại của hệ thống thông tin di động toàn cầu
là khoảng định thời sớm TA , giá trị độ thu nhận RXLEV ( Peceive level) cho
biết cường độ tín hiệu thu được của một số MS đối với BTS đang quản lý và
các BTS kế cạnh nó. Cả hai thông số này có thể được chuyển đổi thành
khoảng cách, được sử dụng cho việc định vị qua các vùng cung giao. Người ta
gọi phương pháp này là Time of Arrival (TOA). Vị trí có thể được xác định
một cách có định hướng bởi người sử dụng hay nói cách khác đối với một
người sử dụng tương ứng với nó có một giá trị định thời sớm TA thích hợp
hay các đại lượng đo lường khoảng thời gian truyền sẽ cho phép định vị một
cách chính xác có thể đặtt trong khoảng 500m đối với chế độ định vị 2D. Đối
với phương pháp giản đồ cung giao nhau với giá tri RLXV vị trí có thể được
định vị với độ chính xác từ 800m - 1000m. Nguyên tắc của phương pháp này
thể hiện như hình 2.3.

17


Hình 2.3: Phương pháp TOA
2.2.1.3 Kỹ thuật định vị AOA

Kỹ thuật định vị AOA là kỹ thuật định vị dựa trên mạng để đo các tham
số liên quan đến góc của tín hiệu tới một điểm. Kỹ thuật AOA sử dụng anten
mảng nhiều phần tử được lắp đặt tại các trạm gốc, trong đó vị trí của mỗi
phần tử đã biết chính xác. Mỗi phần tử anten nhỏ và có khả năng thu được tín
hiệu riêng biệt. Bằng cách đo cường độ tín hiệu thu, thời gian tới, pha tại mỗi
phần tử của mảng, người ta có thể tính toán được khoảng cách theo tầm nhìn
thẳng LOS từ thiết bị di động đến trạm gốc. Lặp lại quá trình đo tại các vị trí
khác nhau, giao điểm của hai đường LOS là vị trí của MT.
Kỹ thuật AOA yêu cầu tối thiểu hai trạm gốc cố định với anten định
hướng có độ rộng búp sóng hẹp. Kỹ thuật này dễ thực hiện, được sử dụng
trong các trường hợp như : khảo sát, định vị các nguồn phát tín hiệu bất hợp
pháp, theo dõi các thiết bị di động...
Kỹ thuật định vị AOA
Kỹ thuật AOA sử dụng nguyên tắc tam giác đơn giản để tính toán vị trí
của thiết bị di động dựa trên các vector khác nhau. Kỹ thuật này cần ít nhất
hai trạm cố định để đo đạc hướng các tín hiệu vô tuyến nhận được. Vị trí của
18


đối tượng được thể hiện bởi giao điểm các đường nối từ các trạm tham chiếu
đến đối tượng. Các trạm gốc có tọa độ đã biết được sử dụng như các điểm
tham chiếu để có được ước lượng chính xác của các thông tin cần thiết.
Các thông tin về AOA có thể được đo bằng ba cách:
Thứ nhất, dựa trên phép đo độ lệch pha tín hiệu thu được từ các phần tử
anten mảng.
Thứ hai, dựa trên phép đo mật độ chùm tia hoặc phổ năng lượng trên
anten mảng.
Thứ ba, tìm AOA bằng cách sử dụng anten đa chùm tia. Kỹ thuật này
được dựa trên sự khác biệt giữa việc tính toán biên độ của tín hiệu ở chùm tia
chính và biên độ của tín hiệu liên quan ở chùm liền kề.

Giả sử có một tín hiệu truyền từ thiết bị di động có tọa độ (x, y) tới trạm
gốc (điểm tham chiếu) thứ i có tọa độ (xi, yi). Đường nối thiết bị di động và
điểm tham chiếu giao nhau với trục X tạo ra góc φi như trong hình 2.4
Góc tới φi được định nghĩa:
y− y
i
tan ϕ =
i x−x
i

(2.38)

Hình 2.4. Nguyên tắc góc sóng tới
Kỹ thuật định vị AOA biểu diễn trên hình 2.5. Để xác định tọa độ của
MT, giải các phương trình sau:
19


x=

R tan ϕ2
tan ϕ2 − tan ϕ1

y=

R tan ϕ1 tan ϕ2
tan ϕ 2 − tan ϕ1

(2.39)

(2.40)
Ở đây:

- R là khoảng cách giữa hai điểm tham chiếu BS1 và BS2;
- φ1 là góc tới tại điểm tham chiếu BS1;
- φ2 là góc tới tại điểm tham chiếu BS2 ;
- (x, y) là tọa độ của MT.

Hình 2.5. Kỹ thuật định vị AOA
Trong bài toán ước lượng AOA truyền thống, điều kiện để thực hiện là:
- Tín hiệu băng hẹp.
- Tín hiệu không tương quan.
- Tạp âm Gauss trắng tác động theo phương thức cộng.
Tuy nhiên, thực tế tín hiệu anten nhận được là tín hiệu từ nhiều nguồn
khác nhau trong không gian cũng như vấn đề truyền đa đường nên các tín
hiệu có khả năng tương quan với nhau. Mặt khác, trong thực tế nhiều tín hiệu
có băng thông rộng và mật độ phổ công suất của nhiễu không hoàn toàn bằng
phẳng trên toàn bộ dải tần. Chính vì những lý do này làm cho kỹ thuật ước
lượng AOA truyền thống còn có nhiều hạn chế và xảy ra sai số khi thực hiện
định vị.
20


Trong kỹ thuật ước lượng AOA cần phải chú ý:
- Số phần tử trong anten mảng phải lớn hơn số nguồn. Thực tế, số phần
tử anten không thể quá lớn để hạn chế kích thước cũng như giá thành hệ
thống, trong khi số nguồn tín hiệu đôi khi khá nhiều. Do đó, việc chọn lựa số
phần tử trong mảng anten có vai trò quyết định đến độ chính xác của việc ước
lượng.
- Khi thiết kế hệ thống anten cần chú ý đến điều kiện khoảng cách giữa

các phần tử trong anten mảng thông thường là 0,5 lần bước sóng.
- Khi tăng số lượng mẫu cũng làm tăng độ phân giải. Tuy nhiên, thông
số này ảnh hưởng không nhiều đối với hệ thống.
- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm lớn thì độ chính xác của phép ước lượng
cao hơn.
Kỹ thuật ước lượng AOA dựa trên thuật toán MUSIC
Hầu hết kỹ thuật ước lượng AOA dựa trên không gian con với thuật
toán phân loại tín hiệu đa đường (MUSIC: Multiple Signal Classification).
Thuật toán không gian con hoạt động dựa trên việc tách tín hiệu từ nhiễu và
sử dụng các tính chất thống kê của mỗi không gian con. Các biến thể của
thuật toán MUSIC đã được phát triển để cải thiện độ phân giải của nó và giảm
độ phức tạp khi tính toán bao gồm Root-MUSIC và Cyclic-MUSIC.
Thuật toán MUSIC-Phân loại tín hiệu đa đường là một kỹ thuật ước
lượng hướng sóng tới AOA dựa vào không gian con. Thuật toán này còn được
gọi là phương pháp không gian con. Trong các thuật toán ước lượng có độ
phân giải cao, thuật toán MUSIC có nhiều ưu thế nổi bật, có thể ước lượng
nhiều tham số của tín hiệu như góc ngẩng, phân cực, dải hoạt động và góc
phương vị của sóng tới. Là một kỹ thuật dựa trên phương pháp không gian
con, MUSIC có nhiều ưu điểm như phân bố độc lập các tần số và không yêu
cầu thông tin AOA ban đầu. MUSIC biểu diễn đơn giản, có lỗi ước lượng
AOA nhỏ hơn các thuật toán không gian con nhiều tham số khác. Đặc biệt,

21


MUSIC sử dụng tự tương quan để phân biệt không gian tín hiệu và không
gian nhiễu.
Mặc dù MUSIC có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một nhược điểm
đó là hoạt động phụ thuộc vào góc tới của các anten thu. Như vậy, khi góc
anten thay đổi so với vị trí ban đầu, kết quả là độ chính xác ước lượng sẽ bị

giảm đi rõ rệt, mà thực tế là góc của anten là một biến thay đổi theo thời gian.
Đánh giá kỹ thuật AOA
- Ưu điểm:
Phương pháp AOA không cần phải đồng bộ thời gian giữa thiết bị di
động và các trạm tham chiếu, chỉ cần hai trạm gốc là đủ để định vị một đối
tượng.
Thiết bị di động không tham gia các phép đo ước lượng vị trí. Với việc
sử dụng anten mảng có tính định hướng cao, có thể loại bỏ nhiễu từ các thiết
bị di động. Việc xử lý số tín hiệu cho phép cải thiện độ chính xác định vị và
loại bỏ nhiễu không mong muốn.
- Nhược điểm
Khi khoảng cách giữa thiết bị di động và các trạm gốc tăng, độ chính
xác của phép định vị sẽ giảm do đặc tính truyền sóng.
Yêu cầu về phần cứng phức tạp, hệ thống cần phải sử dụng anten có tính định
hướng cao để xác định góc tới dẫn đến tăng chi phí của hệ thống
2.2.1.4 Kỹ thuật định vị TDOA
Sử dụng kỹ thuật này phải đồng bộ thời gian tất cả các thành phần
trong mạng. Kỹ thuật TDOA sử dụng nguyên tắc hyperbol để ước tính vị trí
của thiết bị di động. Thiết bị di động nằm trên giao điểm của hai đường
hyperbol tạo bởi hai cặp điểm tham chiếu. Kỹ thuật định vị TDOA sử dụng
nguyên tắc hyperbol thể hiện ở hình 2.6 dưới đây.

22


Hình 2.6. Kỹ thuật định vị TDOA
Tính toán TDOA giữa điểm tham chiếu RPi và RP1 như sau:

d

i,1

=d −d
i 1

(2.28)

d

i,1

= ct − ct = c(t − t )
i
1
i 1

(2.29)
Ở đây:

d = ct
i (với i = 2, 3, 4,... là số điểm tham chiếu);
- i
- di là khoảng cách MT tới RP thứ i;
- c là tốc độ ánh sáng;
- ti là thời gian truyền từ MT tới RP thứ i.

Trong trường hợp có một số điểm tham chiếu liên quan đến việc định
vị thiết bị di động, sử dụng phương trình sau:

d

i,1

= (t − t )c − (t − t )c = (t − t )c
1 0
1 0
i 1

(2.30)
ở đây:

t0 là thời gian thực tại MT.

Những sai khác này không bị ảnh hưởng bởi lỗi thời gian t0 tại MT.

23


Khoảng cách d2 giữa MT và điểm tham chiếu RP2 có thể tính toán theo
phương trình:
d 2 = ( x − x )2 + ( y − y )2
2
2 0
2
0
(2.31)
Các TDOA liên quan đến điểm tham chiếu RPi, ti − t1 là sự khác biệt
các TOA của tín hiệu MT tại RPi và RP1. Sự sai khác khoảng cách được xác

d

định bởi: i,1

=d −d
i 1

Phương trình (2.31) có thể được viết lại với phép đo d2,1:

(d

2,1

+ d )2 = K 2 − 2 x x − 2 y y + d 2
1
2
2 0
2 0 1

(2.32)
Ở đây:

K 2 = x2 + y 2
2
2;
- 2
- (0, 0) là tọa độ RP1;
- (x0, y0) là tọa độ MT;
- (x2, y2) là tọa độ RP2;
- (x3, y3) là tọa độ RP3;
- d1 là khoảng cách MT và RP1;

- d2 là khoảng cách MT và RP2;
- d3 là khoảng cách MT và RP3.

Viết lại (2.32) nhận được:
1
− x x − y y = d d + (d 2 − K 2 )
2 0
2 0
2,1 1 2 2,1
2

(2.33)
Thực hiện tương tự, có kết quả:

1
− x x − y y = d d + (d 2 − K 2 )
3 0 3 0
3,1 1 2 3,1
3
(2.34)
24


Ở đây :

K 2 = x2 + y 2
3
3
- 3

d

- i,1

=d −d
i 1

Phương trình (2.33) và (2.34) có thể viết dưới dạng ma trận:
Hx = Sd + M
1
(2.35)

Ở đây:

 −d 
2,1 
S =
 −d 
 3,1  ,

K 2 − d 2 
2,1 
1 2
M= 
2  K 2 − d 2 
3,1 
 3

Giải phương trình này với d1 chưa biết:
x = H −1Sd + H −1M

1
(2.36)
Thay thế kết quả vào biểu thức:
d 2 = x2 + y 2
1
0
0
(2.37)
Nhận được phương trình bậc hai, thay trị số dương vào phương trình (2.36) để
tìm ra x.
2.2.2 Phương pháp định vị dựa trên thiết bị vệ tinh
2.2.2.1 E-OTD( Enhaced Observed Time Diference)
Thông thường E-OTD được sử dụng trong mạng GSM/GPRS. Cơ sỏ
của phương pháp này là trong mạng di động MS giám sát các cụm truyền từ
các BTS lân cận và đo độ lệch thời gian các khung từ các BTS này để xác
định vị trí như được thực hiện trên hình 2.7

25