Tài liệu Nghiên cứu thiết kế chế tạo khóa thông minh trên gsm

` BỘ BỘ GIÁO GIÁO DỤC DỤC VÀ VÀ ĐÀO ĐÀO TẠO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA THÔNG MINH TRÊN GSM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA THÔNG MINH TRÊN GSM LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2017 ` BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHÓA THÔNG MINH TRÊN GSM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. HOÀNG MẠNH THẮNG TS. NGUYỄN HOÀNG DŨNG Hà Nội - 2017 ` MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1 TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ................................................................ 3 1.1. Tầm quan trọng của hệ thống ................................................................................ 3 1.2. Các hệ thống khóa thông minh hiện nay. .............................................................. 4 1.3. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 5 1.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 5 1.5. Kết luận chương .................................................................................................... 6 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN, CÁC CÔNG CỤ VÀ LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG ........................................................................................................................ 7 2.1. Giới thiệu chung về mạng GSM ........................................................................... 7 2.1.1. Lịch sử phát triển mạng GSM ........................................................................ 7 2.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM ............................................................ 8 2.1.3. Cấu trúc hệ thống GSM ............................................................................... 10 2.2. Các linh kiện chính được sử dụng ....................................................................... 13 2.2.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6 ................................................................. 13 2.2.2. Module SIM900A ........................................................................................ 19 2.2.3. IC Nguồn LM2576, AMS117 ...................................................................... 36 2.3. Các công cụ sử dụng ........................................................................................... 41 2.3.1. Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer .................................................. 41 2.3.2. Phần mềm lập trình vi điều khiển Keil C 5 .................................................. 50 2.4. Kết luận chương .................................................................................................. 51 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ HOÀN THIỆN CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG ......................................................................................................... 52 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ...................................................................................... 52 3.1.1. Khối nguồn ................................................................................................... 52 3.1.2. Khối nhập dữ liệu ......................................................................................... 53 ` 3.1.3. Khối truyền thông ........................................................................................ 54 3.1.4. Khối chấp hành ............................................................................................ 55 3.1.5. Khối xử lý trung tâm .................................................................................... 55 3.2. Xây dựng phần cứng hệ thống ............................................................................ 57 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống............................................................................. 57 3.2.2. Layout sơ đồ mạch in ................................................................................... 58 3.3. Xây dựng phần mềm điều khiển ......................................................................... 60 3.4. Kết luận chương .................................................................................................. 60 CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN................................................ 61 4.1. Kết quả phần cứng .............................................................................................. 61 4.1.1. Ảnh khi lắp linh kiện BOTTOM. ................................................................. 61 4.1.2. Hình ảnh lắp linh kiện TOP ......................................................................... 62 4.1.3. Ảnh sản phẩm sau khi hoàn thiện. ............................................................... 62 4.2. Kết quả phần mềm điều khiển............................................................................. 63 4.3. Kết luận ............................................................................................................... 64 ` DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2-1: Mô hình hệ thống GSM ........................................................................... 11 Hình 2-2: Chip STM32F103C8T6 ........................................................................... 13 Hình 2-3: Sơ đồ chân của STM32F103C8T6 48-chân ............................................ 19 Hình 2-4: Module SIM900A. ................................................................................... 19 Hình 2-5: Chuyển từ chế độ bình thường sang chế độ nghỉ (sleep mode). ............. 26 Hình 2-6: Đưa module trở về trạng thái hoạt động. ................................................. 27 Hình 2-7: Khởi tạo cấu hình mặc định cho module SIM900 ................................... 28 Hình 2-8: Khởi tạo module SIM900A ..................................................................... 30 Hình 2-9: Nhận cuộc gọi. ......................................................................................... 31 Hình 2-10: Thiết lập cuộc gọi. ................................................................................. 32 Hình 2-11: Đọc tin nhắn từ 2 vùng nhớ 1 và 2 trên SIM. ........................................ 34 Hình 2-12: Gửi tin nhắn. .......................................................................................... 35 Hình 2-13: Cấu trúc LM2576................................................................................... 37 Hình 2-14: Sơ đồ ghép nối LM2576 không điều chỉnh điện áp. ............................. 39 Hình 2-15: Sơ đồ ghép nối LM2576 điều chỉnh điện áp ......................................... 39 Hình 2-16: Sơ đồ ghép nối AMS1117 không điều chỉnh điện áp ............................ 40 Hình 2-17: Sơ đồ ghép nối AMS1117 điều chỉnh điện áp ....................................... 40 Hình 2-18: Giao diện Thiết kế sơ đồ nguyên lý trong Altium Designer. ................ 42 Hình 2-19: Tạo PCB Project trong Altium Designer. .............................................. 45 Hình 2-20: Chọn đường dẫn khi lưu Project. ........................................................... 46 Hình 2-21: Tạo file nguyên lý trong Altium Designer. ........................................... 46 Hình 2-22: Tạo file PCB trong Altium Designer ..................................................... 47 Hình 2-23: Tạo thư viện nguyên lý trong Altium Designer..................................... 48 Hình 2-24: Tạo thư viện Footprinttrong Altium Designer....................................... 48 Hình 2-25: Project đầy đủ các file cần thiết trong Altium Designer. ...................... 49 Hình 2-26: Giao diện PCB. ...................................................................................... 49 Hình 2-27: Giao diện hình ảnh 3D ........................................................................... 50 ` Hình 2-28: Phần mềm Keil C lập trình cho STM32F103C8T6. .............................. 51 Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ thống. ................................................................................ 52 Hình 3-2: Sơ đồ kết nối chi tiết bên trong khối nguồn. ........................................... 53 Hình 3-3: Sơ đồ kết nối chi tiết bên trong khối nhập dữ liệu. ................................. 54 Hình 3-4: Sơ đồ kết nối chi tiết bên trong khối truyền thông. ................................. 54 Hình 3-5: Sơ đồ kết nối chi tiết bên trong khối chấp hành ...................................... 55 Hình 3-6: Sơ đồ kết nối chi tiết bên trong khối. ...................................................... 56 Hình 3-7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống. ....................................................................... 57 Hình 3-8: Hình dạng mặt TOP. ................................................................................ 58 Hình 3-9: Hình dạng mặt BOTTOM. ...................................................................... 59 Hình 3-10: Hình layout toàn mạch. .......................................................................... 59 Hình 4-1: Hình ảnh phía BOTTOM......................................................................... 61 Hình 4-2: Hình ảnh phía TOP. ................................................................................. 62 Hình 4-3: Hình ảnh sản phẩm. ................................................................................. 62 Hình 4-4: Hình ảnh nạp Code cho sản phẩm. .......................................................... 63 ` DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Thông số kĩ thuật ................................................................................17 Bảng 2-2: Chi tiết một số chân chính của module SIM900A: ............................21 ` DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GSM Hệ thống thông tin di động toàn cầu DCS Tiêu chuẩn không dây số PDC Chuẩ n Ma ̣ng tế bào kỹ thuâ ̣t số cá nhân CDMA Đa truy câ ̣p theo phân chia mã số FDMA Đa truy câ ̣p theo phân chia theo tần số TDMA Đa truy câ ̣p theo phân chia theo thời gian CCITT Uỷ ban tư vấn quốc tế về điện thoại và điện báo UIT Liên hiệp Viễn thông Quốc tế SMS Dịch vụ tin nhắn ngắn NVIC Bộ điều khiển vector ngắt lồng nhau PWM Điều xung DMA Truy cập bộ nhớ trực tiếp PVD Điện áp lập trình máy dò GPRS Dịch vụ dữ liệu di động dạng gói ADC Chuyển đổi tương tự sang số SPI Chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây RTC Đồng hồ thời gian thực SS Phân hệ chuyển mạch BSS Phân hệ trạm gốc OSS Phân hệ khai thác MS Trạm di động MSC Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động VLR Bộ ghi định vị tạm trú HLR Bộ ghi định vị thường trú AUC Trung tâm nhận thức ` EIR Bộ nhận dạng thiết bị GMSC Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng BSC Bộ điều khiển trạm gốc BTS Trạm thu phát gốc ISDN Mạng số tích hợp đa dịch vụ PSPDN Mạng số liệu chuyển mạch gói công cộng CSPDN Mạng dữ liệu chuyển mạch kênh công cộng PSTN Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN Mạng di động mặt đất công cộng ` LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi phối hợp cùng với nhóm nghiên cứu phòng lab của các thầy, dưới sự hướng dẫn của hai thầy, PGS.TS. Hoàng Mạnh Thắng và TS. Nguyễn Hoàng Dũng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, hoàn toàn chính thống không sao chép từ bất kỳ luận văn nào đã được công bố. Các thông tin sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu ` LỜI NÓI ĐẦU Thế giới đang trên đà phát triển mạnh mẽ, khoa học công nghệ, kĩ thuật phát triển. Đời sống người dân nâng cao dẫn đến nhu cầu sở hữu sử dụng các thiết bị công nghệ ngày càng nhiều. Ứng dụng cả về công nghệ cũng tăng theo. Những thiết bị công nghệ giúp con người không cần phải động tay trực tiếp mà vẫn có thể điều khiển một thiết bị gì đó hay không cần phải về tận nhà để giải quyết hay mỗi khi bị kẻ trộm đột nhập. Những việc như vậy đối với khoa học viễn thông, điện tử ngày nay không còn là chuyện khó nữa và mục tiêu hướng tới của con người là không những chỉ điều khiển thiết bị đơn thuần mà còn tích hợp nhiều chức năng truyền thông, đa phương tiện vào một thiết bị điện. Chính vì vậy, tác giả đã chọn đề tài luận văn: “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo khóa thông minh trên GSM ” Tôi xin chân thành bầy tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới hai thầy PGS.TS. Hoàng Mạnh Thắng và TS. Nguyễn Hoàng Dũng, đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ trong suốt thời gian vừa qua. Đồng thời, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn các quý thầy cô, các anh chị và đặc biệt các sinh viên trong phòng Lab của thầy Hoàng Mạnh Thắng và thầy Nguyễn Hoàng Dũng tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hỗ trợ và có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh. Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu 1 ` TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài tập trung vào khai thác ứng dụng của hệ thống GSM phổ biến hiện nay để nghiên cứu, thiết kế ra thiết bị khóa điện tử thông minh và có độ an toàn cao. Hệ thống bao gồm phần thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm hoạt động trong hệ thống đó. Hệ thống bao gồm việc nghiên cứu, thiết kế thiết bị ứng dụng phục vụ cho nhu cầu của gia đình. Hệ thống sử dụng chính những chiếc điện thoại luôn bên cạnh mỗi cá nhân. Chiếc điện thoại cá nhân chính là chìa khóa chính để có thể mở khóa được thiết bị khóa điện tử thông minh. Khi có tín hiệu truyền thông đến thiết bị thông qua tin nhắn SMS hoặc cuộc gọi của người sử dụng hệ thống thì thiết bị khóa điện tử sẽ nhận diện và điều khiển khối chấp hành kích hoạt. Tùy theo quyền hạn đã được cấp phép của người sử dụng mà khối chấp hành sẽ điều khiển. Ở nội dung luận văn tác giả áp dụng cho khóa cửa của ngôi nhà. Luận văn gồm 4 chương  Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về hệ thống o Tầm quan trọng của hệ thống o Các lợi ích khi sử dụng các thiết bị điều khiển các thiết bị từ xa o Mục đích nghiên cứu o Phương pháp nghiên cứu  Chương 2: Nghiên cứu công cụ và các linh kiện được sử dụng o Giới thiệu chung về mạng GSM o Các linh kiện chính được sử dụng o Các công cụ sử dụng  Chương 3: Nghiên cứu thiết kế và hoàn thiện các thành phần của hệ thống o Sơ đồ khối của hệ thống o Xây dựng phần cứng hệ thống o Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống  Chương 4: Đánh giá kết quả và kết luận 2 ` CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Chương này sẽ giới thiệu chung về lý thuyết được ứng dụng vào hệ thống. Các lợi ích khi sử dụng và phương pháp giải quyết vấn đề thực thi hệ thống. 1.1. Tầm quan trọng của hệ thống Ai trong chúng ta cũng có lúc vội vã rời khỏi nhà mà quên tắt thiết bị điện, máy lạnh hay quên đóng cửa … lúc đó chúng ta không tránh khỏi cảm giác lo lắng về an toàn cho ngôi nhà mình. Vậy làm sao để có thể kiểm soát được các thiết bị đó. Nhà thông minh ra đời để đáp ứng các yêu cầu trên, nhà thông minh giúp kiểm soát các thiết bị trong nhà, giúp các thiết bị gia dụng trong nhà có thể tương tác vơi nhau. Hệ thống nhà thông minh với các tiện ích vượt trội về tiện ích, an toàn, tiết kiệm… giúp thực hiện tự động các kịch bản được lập trình sẵn theo ý thích riêng của mỗi gia đình, đồng thời chủ nhà còn có thể điều khiển và theo dõi từ xa mọi hoạt động trong ngôi nhà của mình. Điều này đem đến cho người sử dụng cảm giác thoái mái và hài lòng khi mọi việc được thực hiện trong tầm tay. Trong những năm gần đây nhà thông minh đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam và là một xu hướng phát triển của thế giới. Khi cuộc sống ngày càng được phát triển và cải thiện sẽ kéo theo sự nâng cao trong nhu cầu hằng ngày. Việc ra đời những sản phẩm phục vụ tốt cho cuộc sống chính là điều tất yếu, là nền tảng mà khoa học, công nghệ kĩ thuật đang hướng tới. Những thiết bị điện thông minh, hệ thống ánh sáng thông minh, rèm thông minh, hệ thống khóa cửa thông minh…tất cả đều là những sản phẩm dựa trên thành tựu công nghệ và đang nhận được rất nhiều tín hiệu tốt từ thị trường. Như đã trình bày ở trên nhà thông minh hiện tại không còn xa lạ. Điện thoại di động thì phổ biến, ai cũng có trên tay chiếc điện thoại từ chức năng cơ bản đến những chiếc smartphone. Vì thế các ứng dụng GSM là phổ biến với nhiều người. Đối với nhiều người thì chiếc điện thoại như là một vật khó rời. Nhiều công nghệ bảo mật được áp dụng trên điện thoại như vân tay, mật khẩu, đặc biệt mới đây là nhận dạng khuôn mặt của apple. Tác giả đã nảy ra ý tưởng thiết kế thiết bị sử dụng chính những chiếc 3 ` điện thoại quen thuộc này để làm chiếc chìa khóa cho chính ngôi nhà thông minh của mình. 1.2. Các hệ thống khóa thông minh hiện nay. Hệ thống khóa thông minh là hệ thống khóa công nghệ cao. Điều khiển tự động không cần sử dụng công cơ học để mở cửa. Trên thị trường có rất nhiều loại khóa thông minh khác nhau nhưng chủ yếu là ba loại sau: khóa thông minh bằng mã số, khóa thông minh bằng thẻ từ, khóa thông minh bằng sinh chắc học. Khóa thông minh bằng mã số: Đây là khóa thông minh cơ bản và phổ biến nhất với chi phí lắp đặt rẻ. Trên mặt khóa có bảng các chữ số. Nếu nhập sai sẽ có thông báo đèn Led hoặc âm thanh, bạn nhập sai nhiều lần khóa sẽ bị đóng và hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo. Khóa thông minh bằng thẻ từ: trên khóa được trang bị một đầu quét từ, người dùng chỉ cần đưa thẻ của mình vào đầu quét, cửa sẽ mở nếu đúng thẻ, sai thẻ cửa sẽ báo hiệu. Hệ thống khóa cửa thông minh bằng thẻ từ thường được sử dụng cho khách sạn, khu nghỉ dưỡng, tổ chức, công ty …. Khóa thông minh bằng ứng dụng sinh trắc học: đây là loại khóa sử dụng công nghệ nhận dạng chính cơ thể con người như bằng vân tay, võng mạc, giọng nói. Thương được sử dụng cho các cơ quan an ninh, phòng bí mật…chi phí lắp đặt cho loại khóa này thường rất cao. Tuy nhiên mỗi loại đều có nhược điểm riêng của mình, ví dụ khóa bằng mã số đôi khi dễ bị lộ mật khẩu dẫn đến mất an toàn. đối với khóa bằng thẻ từ thì có thể bị mất thẻ từ dẫn đến không an toàn cho ngôi nhà bạn khi người lấy chỉ cần có thẻ mở được cửa nhà bạn, độ an toàn không cao. Đối với khóa bằng ứng dụng sinh chắc học thì đôi khi xảy ra hiện tượng không nhận dạng được do điều kiện không khí nóng và ẩm ở Việt Nam, dẫn đến khó khăn khi sử dụng vào một số thời điểm trong năm. Chính vì những yêu cầu thực tế trên tác giả thiết kế và chế tạo ra hệ thống khóa thông minh khắc phục và làm giảm tối đa các nhược điểm trên. Đối với luận văn này 4 ` thì tác giả sẽ tập trung đi vào thiết bị khóa điện tử thông minh sử dụng nền tảng của hệ thống GSM. 1.3. Mục đích nghiên cứu Đề tài được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường và nhu cầu thực tế để thiết kế, tạo ra một hệ thống “Khóa điện tử thông minh” hoàn chỉnh. Hệ thống tích hợp module nhận tin nhắn sử dụng mạng GSM, module xử lý dữ liệu, module công suất cho các thiết bị chấp hành. Qua xử lý, dữ liệu sẽ được gửi về thiết bị đầu cuối (mobile) của người điều khiển để báo cho biết trạng thái của các thiết bị được điều khiển. Hệ thống điều khiển thiết bị khóa điện tử thông minh từ xa bằng điện thoại di động dùng ứng dụng GSM có chức năng như sau:  Điều khiển khối chấp hành bằng cuộc gọi.  Kích hoạt hoặc tắt kích hoạt hệ thống bằng SMS.  Phản hồi lại người sử dụng khi thành công.  Lưu lại lịch sử người sử dụng Tác giả thực hiện tiến hành khảo sát Module Sim900A, ứng dụng để thi công mạch cụ thể điều khiển đóng mở khóa từ tượng trưng cho khóa cửa với đặc điểm sau: Điều khiển bật tắt thiết bị khóa từ và báo tình trạng về cho người sử dụng bằng tin nhắn SMS tại ví trí có phủ sóng của mạng điện thoại di động đang hoạt động trong nước như Viettel, Mobile Phone, Vina Phone … Tự động gửi tin nhắn ngược trở lại cho người điều khiển, với nội dung tin nhắn chứa thông tin hoạt động của khóa từ (on/off). 1.4. Phương pháp nghiên cứu Trong đề tài này, tác giả đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử, viễn thông, truy cập từ mạng internet, các khóa luận của khóa trước. Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện từ mạng internet, khảo sát các điện thoại di động để chọn lựa phương án thiết kế sau này. 5 ` Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức, kết hợp sự hướng dẫn của giáo viên, tác giả đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu. 1.5. Kết luận chương Chương 1 đã khái quát được tầm quan trọng của đề tài, đưa ra được hướng và phương pháp giải quyết vấn đề trong quá trình thực hiện. 6 ` CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN, CÁC CÔNG CỤ VÀ LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG Chương này sẽ giới thiệu về cơ sở lý thuyết liên quan, linh kiện được sử dụng trong hệ thống cũng như các công cụ hỗ trợ thiết kế phần cứng, phần mềm để hoàn thành được hệ thống. 2.1. Giới thiệu chung về mạng GSM 2.1.1. Lịch sử phát triển mạng GSM Thông tin di động ra đời và phát triển vào những năm 70 thế kỷ 19, khi mà vùng phủ sóng được chia thành các vùng phủ sóng riêng lẻ và liên kết với nhau thành công. Năm 1971 đưa ra hệ thống cellular kỹ thuật tương tự, FM, ở dải tần số 850Mhz. Dựa trên công nghệ này đến năm 1983, mạng điện thoại di động AMPS (Advance Mobile Service ) phục vụ thương mại đầu tiên tại Chicago, nước Mỹ. Sau đó hàng loạt các chuẩn thông tin di động ra đời như: Nordic Mobile Telephone (NTM), Total Access Communication System (TACS). Giai đoạn này gọi là hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên (1G) với dải tần hẹp, tất cả các hệ thống 1G sử dụng điều chế tần số FM cho đàm thoại, điều chế khóa dịch tần FSK (Frequency Shift Keying) cho tín hiệu và kỹ thuật truy cập được sử dụng là FDMA (Frequency Division Multiple Access). Thế hệ thứ 2 (2G) được phổ biến trong suốt thập niên 90. Sự phát triển công nghệ thông tin di động thế hệ thứ hai cùng các tiện ích của nó đã làm bùng nổ lượng thuê bao di động trên toàn cầu. Đây là thời kỳ chuyển đổi từ các công nghệ analog sang digital. Giai đoạn này có các hệ thống thông tin di động số như : GSM – 900MHZ (Global System for Mobile), DCS – 1800MHZ (Digital Cordless System), PDC – 1900MHZ (Personal Digital Cellular), IS – 54 và IS – 95 (Interior Standard). Trong đó GSM là tiền thân của hai hệ thống DCS, PDC. Các hệ thống sử dụng kỹ thuật TDMA (Time Division Multiple Access) 7 ` Thế hệ 2G có khả năng cung cấp dịch vụ đa dạng, các tiện ích hỗ trợ cho công nghệ thông tin, cho phép thuê bao thực hiện quá trình chuyển vùng quốc tế tạo khả năng giữ liên lạc trong một diện rộng khi họ di chuyển từ quốc gia này sang quốc gia khác. Thế hệ thứ ba (3G), từ năm 1992 hội nghị thế giới truyền thông dành cho truyền thông một số dải tần cho hệ thống di động 3G: phổ rộng 230MHZ trong dải tần 2GHZ, trong đó 60MHZ được dành cho liên lạc vệ tinh. Sau đó Liên Hiệp Quốc Tế Truyền Thông (UIT) chủ trương một hệ thống di động quốc tế toàn cầu với dự án IMT– 2000 sử dụng trong các dải 1885 – 2025MHZ và 2110 – 2200 MHZ. Thế hệ 3G gồm có các kỹ thuật : W – CDMA (Wide band CDMA) kiểu FDD và TD – CDMA (Time Division CDMA) kiểu TDD. Mục tiêu của IMT – 2000 là giúp cho các thuê bao liên lạc với nhau và sử dụng các dịch vụ đa truyền thông trên phạm vi thế giới, với lưu lượng bit đi từ 144 Kbit/s trong vùng rộng và lên đến 2Mbps trong vùng địa phương. Dịch vụ bắt đầu vào năm 2001 – 2002. Ở nước ta, mạng thông tin di động đầu tiên ra đời vào năm 1992 với khoảng 5000 thuê bao. Hai nhà cung cấp dịch vụ thông tin di động lớn là Mobifone (VMS) ra đời năm 1993 – liên doanh giữa công ty bưu chính viễn thông VN (VNPT) và tập đoàn COMVIK và Vinafone của trung tâm dịch vụ viễn thông (GPC) thuộc VNPT ra đời năm 1996. Đến năm 2002 Sfone của tập đoàn TELECOM của Hàn Quốc và tháng 6/2004 Viettel của công ty Viễn Thông Quân Đội cùng bước vào cuộc. Cuộc chạy đua của các nhà khai thác làm cho giá cước giám xuống và các dịch vụ càng đa dạng. Hiện nay tại Việt Nam các nhà mạng đã và đang cung cấp mạng GSM thế hệ 4G với các dịch vụ và tiện ích đa dạng phong phú. 2.1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng GSM Hệ thống thông tin di động GSM cho phép chuyển vùng tự do của các thuê bao trong các nước, có nghĩa là một thuê bao có thể thâm nhập sang mạng của nước khác khi di chuyển qua biên giới. Trạm di động GSM – MS (GSM Mobile Station) phải có khả năng trao đổi thông tin tại bất cứ nơi nào trong vùng phủ sóng quốc tế. - Về khả năng phục vụ: 8 ` o Hệ thống được thiết kế sao cho MS có thể dùng được trong tất cả các nước có mạng. o Cùng với phục vụ thoại, hệ thống phải cho phép sự linh hoạt lớn nhất cho các loại dịch vụ khác liên quan tới mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN). o Tạo một hệ thống có thể phục vụ cho các MS trên các tàu viễn dương như một mạng mở rộng cho các dịch vụ di động mặt đất. - Về chất lượng phục vụ và an toàn bảo mật: o Chất lượng của thoại trong GSM phải ít nhất có chất lượng như các hệ thống di động tương tự trước đó trong điều kiện vận hành thực tế. o Hệ thống có khả năng mật mã hóa thông tin người dùng mà không ảnh hưởng đến hệ thống cũng như không ảnh hưởng đến các thuê bao khác không dùng đến khả năng này. - Về việc sử dụng tần số: o Hệ thống cho phép mức độ cao về hiệu quả của dải tần mà có thể phục vụ ở vùng thành thị và nông thôn cũng như các dịch vụ mới phát triển. o Dải tần số hoạt động là 890 -915 và 935 -960 MHZ. - Về mạng: o Kế hoạch nhận dạng dựa trên khuyến nghị của CCITT. o Kế hoạch đánh số dựa trên khuyến nghị của CCITT. o Hệ thống phải cho phép cấu trúc và tỷ lệ tính cước khác nhau khi được dùng trong các mạng khác nhau. o Trung tâm chuyển mạch và các thanh ghi định vị phải dùng hệ thống báo hiệu được tiêu chuẩn hóa quốc tế. o Chức năng bảo vệ thống tin báo hiệu và thông tin điều khiển mạng phải được cung cấp trong hệ thống. 9 ` 2.1.3. Cấu trúc hệ thống GSM Một hệ thống GSM có thể được chia thành nhiều phân hệ sau đây: - Phân hệ chuyển mạch (SS: Switch Subsystem): bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của SS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác - Phân hệ trạm gốc (BSS: Base Station Subsystem): thực hiện nhiệm vụ giám sát các đường ghép nối vô tuyến, liên kết kênh vô tuyến với máy phát và quản lý cấu hình của các kênh này (cụ thể: Điều khiển sự thay đổi tần số vô tuyến của đường ghép nối (Frequency Hopping) và sự thay đổi công suất phát vô tuyến; Thực hiện mã hoá kênh và tín hiệu thoại số, phối hợp tốc độ truyền thông tin; Quản lý quá trình chuyển giao Handover; Thực hiện bảo mật kênh vô tuyến) - Phân hệ khai thác (OSS: Operation Subsystem): Khai thác và bảo dưỡng mạng, quản lý thuê bao, quản lý di động - Trạm di động (MS: Mobile Station) : là thiết bị duy nhất mà người sử dụng có thể thường xuyên nhìn thấy của hệ thống. MS có thể là: máy cầm tay, máy xách tay hay máy đặt trên ô tô. Ngoài việc chứa các chức năng vô tuyến chung và xử lý cho giao diện vô tuyến MS còn phải cung cấp các giao diện với người sử dụng (như micrô, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với môt số các thiết bị khác (như giao diện với máy tính cá nhân, Fax…) 10