(Luận văn) định vị trong vô tuyến băng siêu rộng uwb

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN MINH TÚ lu an n va p ie gh tn to ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB d oa nl w u nf va an lu ll LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT m oi (Theo định hướng ứng dụng) z at nh z m co l gm @ an Lu HÀ NỘI – 2019 n va ac th si HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - TRẦN MINH TÚ lu an n va ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB tn to p ie gh Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 w d oa nl LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) va an lu u nf NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: ll PGS.TS VŨ VĂN SAN oi m z at nh z m co l gm @ an Lu HÀ NỘI – 2019 n va ac th si i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên lu an n va p ie gh tn to Trần Minh Tú d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn thầy cô giáo tạo điều kiện cho môi trường học tập tốt, đồng thời truyền đạt cho vốn kiến thức quý báu, tư khoa học để phục vụ cho trình học tập công tác Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp Cao học Kỹ thuật viễn thơng M17CQTE01-B khóa 2017- 2019 giúp đỡ suốt thời gian học tập vừa qua lu Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS VŨ VĂN an SAN tận tình bảo cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu, giúp tơi va n có nhận thức đắn kiến thức khoa học, tác phong học tập làm việc, tạo tn to điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn ie gh Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp p động viên, giúp đỡ tơi q trình hồn thành luận văn năm 2018 d oa nl w Hà Nội, ngày tháng u nf va an lu ll Trần Minh Tú oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si iii MỤC LỤC lu LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CÁM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH SÁCH BẢNG vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 Giới thiệu .4 an n va 1.2 Định nghĩa tín hiệu hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB tn to 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn p ie gh 1.2.2 Tín hiệu UWB 10 1.3.Mơ hình hệ thống truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB 11 nl w 1.4 Đặc điểm tín hiệu hệ thống UWB 19 d oa 1.5 Các lĩnh vực ứng dụng vô tuyến UWB 25 an lu 1.6 Kết luận chương 27 ll u nf va CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 28 2.1 Giới thiệu 28 oi m 2.2 Ước tính tham số định vị 29 z at nh 2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị 31 2.3.1 Phương pháp cường độ trường tín hiệu thu RSS .31 z gm @ 2.3.2 Phương pháp góc đến AOA 34 2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA .36 l 2.3.4 Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA 42 m co 2.3.5 Một số phương pháp kết hợp điển hình 44 an Lu 2.4 Phương pháp định vị trí .45 n va ac th si iv 2.4.1 Định vị trí cầu 46 2.4.2 Định vị trí hyperbolic 47 2.4.3 Ước tính vị trí theo thuật tốn sai số bình phương nhỏ LSE 50 2.5 Giao thức định vị 51 2.6 Kết luận chương 58 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂN HÌNH TRONG VƠ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 59 3.1 Giới thiệu 59 lu an 3.2 Mơ hình kịch mô 59 n va 3.3 Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị tn to điển hình 61 ie gh 3.3.1 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng p cách 61 w 3.3.2 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến oa nl AOA 63 d 3.3.3 Tính tốn biểu diễn tính xác việc ước tính thời điểm đến TOA 65 lu va an 3.4 Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị 68 u nf 3.5 Kết luận chương 73 ll KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt AOA Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt lu an n va p ie gh tn to Angle of Arrival Additive White Gaussian AWGN Noise BPSK Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple CDMA Access CIR Channel Impulse Response CRLB Cramer-Rao Lower Bound Defense Advanced Research DARPA Project Agency DSA Dynamic Spectrum Access DSDirect Sequence Spread UWB Spectrum UWB Equivalent Isotropically EIRP Radiated Power ESD Energy Spectral Densty European telecommunication ETSI Standards Institue Federal Communications FCC Commission FEC Forward Error Correction FH Frequency Hoping FSK Frequency Shift Keying GPS Global Positioning System Global System for Mobile GSM Telecommunications Inverse Discrete Fourier IDFT Transform Institute of Elictrical and IEEE Elictronics Engineers IRImpluse Radio-Ultra Wide UWB Band IR Impulse Radio Góc tới (góc đến) Tạp âm Gausơ trắng cộng Khóa chuyển pha pha hai trạng thái Đa truy nhập phân chia theo mã Đáp ứng xung kim kênh Giới hạn Cramer-Rao Cơ quan phụ trách dự án nghiên cứu cao cấp Quốc phòng (ở Mỹ) Truy cập phổ tần động UWB trải phổ chuỗi trực tiếp Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương Mật độ phổ lượng d oa nl w Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu Ủy ban truyền thông Liên bang (ở Mỹ) ll u nf va an lu Hiệu chỉnh lỗi trước Nhảy tần Khố dịch tần Hệ thống định vi tồn cầu oi m Hệ thống thơng tin di động tồn cầu z at nh @ Vô tuyến xung kim – Băng siêu rộng l gm Vô tuyến xung kim Giao thoa ký hiệu (nhiễu xuyên ký hiệu) m co Inter-Symbol Interference Viện kỹ sư Điện Điện tử z ISI Biến đổi Fourier rời rạc nghịch an Lu n va ac th si vi LOS LSE MB MCCDMA ML International Telecommunications Union International Telecommunications UnionRadio Sector Line of Sight Least Square Error Multi Band Multi Carrier Code Division Multiple Access Maximum Likelihood LSE Least Square Error MUI NLOS Multi User Interference None Line of Sight Orthogonal Frequency Division Multipex Pulse Amplitude Modulation Power Delay Profile Pseudo Noise Pulse Position Modulation Pricise Positioning System Power Spectral Density Phase Shift Keying Primary User Received Signal Strength Self – Positioning Algorithm Signal to Noise Ratio Standard Positioning Systerm Secondary User Time difference of Arrival Time Hopping Time Hopping Ultra Wide Band Time of Arrival Ultra Wideband Wireless Local Area Network Wireless Personal Access Network ITU ITU-R lu an n va tn to OFDM p ie gh d oa nl w ll u nf va an lu oi m Trực xạ (đường truyền thẳng) Sai số quân phương nhỏ Đa băng Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang Khả giống cực đại (hợp lý cực đại) Sai số bình phương nhỏ (bình phương sai số nhỏ nhất) Nhiễu đa người dùng Không trực xạ (truyền không trực tiếp) Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Điều chế biên độ xung Lý lịch trễ công suất Giả tạp âm Điều chế vị trí xung Hệ thống định vị xác Mật độ phổ cơng suất Khóa dịch pha Người dùng sơ cấp Cường độ trường tín hiệu thu Thuật tốn tự định vị Tỷ số tín hiêu tạp âm Hệ thống định vị tiêu chuẩn Người dùng thứ cấp Vi sai thời gian đến Nhảy thời gian z at nh Vô tuyến băng siêu rộng nhảy thời gian @ Thời gian đến (góc tới) Băng siêu rộng Mạng nội không dây m co l gm WPAN Liên minh Viễn thông quốc tế phận vô tuyến z PAM PDP PN PPM PPS PSD PSK PU RSS SPA SNR SPS SU TDOA TH THUWB TOA UWB WLAN Liên minh Viễn thông Quốc tế Mạng truy nhập cá nhân không dây an Lu n va ac th si vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: a) Phân bổ kênh UWB – tín hiệu băng rộng; b) Quy hoạch kênh UWB – tín hiệu băng hẹp .14 Bảng 2: Các tham số đặc trưng số hệ thống vơ tuyến điển hình .20 Bảng 1: Các tham số kênh môi trường kênh truyền sóng UWB 61 lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si viii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1: Độ rộng băng tần lượng Hình 2: Phổ công suất hệ thống UWB phổ công suất hệ thống vơ tuyến hành điển hình Hình 3: Các tới hạn để thiết kế tín hiệu UWB 12 Hình 4: a)Phân bổ băng tần cho kênh UWB (hình bên trên); b) Quy hoạch băng tần cho kênh UWB 500 MHz (hình bên dưới) 13 Hình 5: a) Minh họa mơ hình khái niệm hệ thống UWB dạng đơn giản; b) lu Minh họa máy phát xung tín hiệu UWB 18 an Hình 6: Minh họa khả năng, đặc tính, tính cách hệ thống UWB 22 va n Hình 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối 29 tn to Hình 2: Minh họa ước tính khoảng cách dựa vào RSS khi: a) khơng có sai số ie gh (chính xác); b) có sai số, khoảng cách nhận có độ bất định biểu thị p vùng màu xám 33 nl w Hình 3: Minh họa ước tính góc đến AOA: a) nút tham chiếu đo xác định góc ψ oa nút đích; b) quan hệ khác thời điểm đến ψ dàn d anten .34 lu va an Hình 4: Xung chữ nhật có độ rộng T đầu lọc thích hợp .38 u nf Hình 5: Ảnh hưởng trễ trước lên đầu đồng mở ll cổng sớm muộn (early-late gate synchronizer ) 40 m oi Hình 6: Quá trình trao đổi bắt tay đo cự ly thiết bị định vị UWB z at nh (được đề xuất Fleming and Kushner, 1997) 41 Hình 7: a) Ước lượng TDOA xác định đường hyperbol mà nút đích thơng qua z @ có tiêu cự nút tham chiếu; b) Minh họa ước lượng lai ghép TOA/AOA .43 l gm Hình 8: Minh họa định vị trí cầu nút Ni khơng gian hai chiều với N1, N2, N3 nút tham chiếu .47 m co Hình 9: Minh họa định vị hyperbolic nút Ni không gian hai chiều với an Lu nút tham chiếu N1, N2 N3 .49 n va ac th si 77 Phụ lục 1A TĨM TẮT CÁC CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Sim_UWB 3.01 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách theo biểu thức (2.7) kịch truyền sóng mơ hình kênh IEEE 802.15.4a cho chương trình Prog3.01 Prog 3.01 [result_CRLB] = CRLB_RSS_Distance(d, n1, n2, n3, n4, sigma_sh1,… sigma_sh2, sigma_sh3, sigma_sh4) lu an Chức va Đầu vào Thực tính tốn biểu diễn giới hạn độ lệch chuẩn ước tính khoảng cách dựa vào RSS theo biểu thức (2.7) n Các đầu vào chương trình gồm ba tham số  sh ; n; d Thiết trị cho tham tn to số đặc trưng này: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Đầu gh p ie Sim_UWB 3.02 Đầu chương trình ước tính khoảng cách theo biểu thức (2.7) d oa nl w Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA theo biểu thức (2.12) khảo sát theo SNR dùng dàn anten loại ULA có phần tử khoảng cách phần tử cm Tín hiệu chọn phương trình (7.8) xung tín hiệu UWB có độ rộng thay đổi, tín hiệu đến máy thu có góc đến    / hệ số kênh a = lu m Chương trình tính toán biểu diễn giới hạn Cramer-Rao sai số ước tính trễ cho biểu thức (2.18), ta ước lượng giá trị tín hiệu UWB oi Sim_UWB 3.03 Đầu chương trình băng tần hiệu dụng tín hiệu theo phương trình (2.13) ll Đầu Chương trinh nhận hai tham số đầu vào là: độ rộng xung tín hiệu, Tp; tần số, f u nf Đầu vào Chương trình thực tính băng tần hiệu dụng tín hiệu va Chức an [beta] = uwb70201_effective_bandwidth(Tp, f) Prog 3.02 z at nh z Chương trình thực tính tốn biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA theo biểu thức (2.12) khảo sát theo  thực Sim_UWB 7.03 dàn anten ULA có phần tử khoảng cách phần tử cm Tín hiệu chọn phương trình (2.8) xung tín hiệu UWB có độ rộng thay đổi, tín hiệu đến máy thu có SNR = dB hệ số kênh a = m co l gm @ an Lu n va ac th si 78 Sim_UWB 3.04 Ước lượng biểu diễn tính xác thuật tốn LSE cho toán định vị định nghĩa hệ phương trình (2.28), hàm cấp độ sai số qua trình đo cự ly số lượng nút tham chiếu Trong Sim_UWB 7.04 này, ta thực phân tích tốn khơng gian hai chiều phép đồ thị hóa kết Sai số mơ hình hóa giá trị xác rút q trình Gausơ trắng có trị trung bình Việc ước lượng thực ba chương trình: Prog3.03 tạo vị trí nút; Prog3.04 chọn nút đích nút tham chiếu; Prog3.05 thực ước lượng vị trí theo thuật tốn LSE Prog 3.03 [positions, ranges]=uwb30401_create_network(N, area_side, G) Chương trình tạo vị trí tập nút vùng diện tích hình vng tính tốn khoảng cách cặp nút Đầu vào Chương trình nhận đầu vào gồm: số lượng nút, N; độ dài side vùng diện tích hình vng, area_side; cờ kích hoạt đồ họa đầu ra, G Đầu Chương trình trả đầu ra: (1) ma trận kích thước Nx2 chứa vị trí (X, Y) nút, positons; (2) ma trận kích thước NxN chứa khoảng cách cặp nút, ranges lu Chức an n va tn to [Nx, Ref] = uwb30402_select_nodes(N, k) Prog 3.04 Đầu vào p ie gh Chức Đầu Chương trình nhận đầu vào là: tổng số nút, N; số lượng nút tham chiếu, k Chương trình trả đầu ra: (1) số nguyên biểu trưng cho nút đích, Nx; (2) vector độ dài k chứa ID nút tham chiếu, Ref [PosNx, ErrNx] = uwb30403_find_LSE_position(positions, ranges, Nx, Ref, sigma_2, G) oa nl w Prog 3.05 Chương trình lựa chọn nút đích k nút tham chiếu từ tập nút Chương trình tìm nghiệm LSE cho tốn định vị khơng gian hai chiều Chương trình thực nhiệm vụ bản: (i) đưa sai số vào ước tính khoảng cách với giá trị sai số lấy từ trình Gausơ trung bình khơng; (ii) ước tính vị trí nút đích cách giải hệ phương trình tuyến tính (2.28); (iii) xác định sai số định vị định nghĩa khoảng cách Euclide vị trí ước tính vị trí xác d Chức u nf va an lu Chương trình nhận đầu vào gồm: (1) ma trận chứa vị trí nút, positions; (2) ma trận chứa khoảng cách cặp nút, ranges; (3) ID nút đích Nx; (4) vector độ dài k chứa ID nút tham chiếu, Ref; (5) giá trị của phương sai tạp âm, sigma_2; (6) cờ cho cho phép đồ thị hóa kết quả, G Đầu Chương trình trả hai đầu ra: (1) ma trận biểu trưng cho vị trí ước tính nút đích, PosNx; (2) giá trị sai số tương ứng với vị trí xác, ErrNx ll Đầu vào oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 79 Phụ lục 1B Mà CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG lu an n va p ie gh tn to %======================================================================== %============================ Sim_UWB_301================================ %======================================================================== % [result_CRLB] = CRLB_RSS_Distance(d,n1,n2,n3,n4, % sigma_sh1,sigma_sh2,sigma_sh3,sigma_sh4) %======================================================================== % clc; clear; close all; % -% According to Table 3.01 d = 0:0.3:10; % Residential, LOS n1 = 1.79; sigma_sh1 = 2.22; % Residential, NLOS n2 = 4.58; sigma_sh2 = 3.51; % Indoor office, LOS n3 = 1.63; sigma_sh3 = 1.9; % Indoor office, NLOS n4 = 3.07; sigma_sh4 = 3.9; %======================================================================== % minimum SD: Eq(3.7) MSD1 = log(10)*sigma_sh1*d/n1/10; MSD2 = log(10)*sigma_sh2*d/n2/10; MSD3 = log(10)*sigma_sh3*d/n3/10; MSD4 = log(10)*sigma_sh4*d/n4/10; %======================================================================== num_fig = 74; h = figure(num_fig); set(h,'name','Sim_UWB_701, MSD_RSS_Distance'); P1 = plot(d,MSD1,'-or',d,MSD2,'-*m',d,MSD3,'-sb',d,MSD4,'-^k'); set(P1,'LineWidth',2); xlabel('Khoảng cách (m)','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); ylabel('Độ lệch chuẩn nhỏ nhất, (m)','fontname','.Vntime','fontsize',16,'color','b'); title('Giới hạn -ớc tính khoảng cách dựa vào RSS môi tr-ờng truyền sóng khác nhau', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); LS = legend('Trong nhà riêng, LOS (n=1,79; \sigma=2,22)','Trong nhà riêng, NLOS (n=4,58; \sigma=3,51)', 'Trong văn phòng, LOS (n=1,63; \sigma=1,9)','Trong văn phßng, NLOS (n=3,07; \sigma=3,90)'); set(LS,'fontname','.Vntime','fontsize',16); grid on; d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 80 result_CRLB = [MSD1; MSD2; MSD3; MSD4]; AX = gca; set(AX,'fontsize',14); %======================================================================== %============================ Sim_UWB_302=============================== %======================================================================== % clc; clear; close all; % -% CRLB vs SNR clc; clear; close all; SNR_dB N = -10:0.5:10; = length(SNR_dB); lu an n va for i=1:N SNR=exp(SNR_dB*log(10)/10); end = ones(1,N); = 1e8; = 10^-9*[0.5 2]; ie gh tn to ONES fc T p for i=1:3 beta(i) = uwb30201_effective_bandwidth(T(i),fc); % Prog 3.02 end nl w = = = = 3*10^8; 4; 5*10^-2; pi/4; d oa an lu c N_a l phi ll u nf va % Minimum SD: Eq(3.12) MSD1=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(1)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*cos(phi))*ONES./(sqrt(SNR)); MSD2=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(2)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*cos(phi))*ONES./(sqrt(SNR)); MSD3=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(3)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*cos(phi))*ONES./(sqrt(SNR)); % num_fig = 76; h = figure(num_fig); set(h,'name',' Sim_UWB_702, MDS_AOA_SNR'); P1=plot(SNR_dB,MSD1,'-*r',SNR_dB,MSD2,'-sk',SNR_dB,MSD3,'-^b'); set(P1,'LineWidth',1.5); xlabel('SNR (dB) ','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); ylabel('§é lƯch chn nhá nhÊt (rad)','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); title('BiĨu diƠn giíi h¹n cđa -íc tÝnh AOA theo SNR độ rộng xung tín hiệu UWB khác nhau', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',14); SL = legend('T = 0.5 ns','T = ns','T = ns'); oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 81 lu set(SL,'fontname','.vntime','fontsize',16); grid on; AX = gca; set(AX,'fontsize',14); %%======================================================================= clc; clear all; phi = -1.5:0.05:1.5; N = length(phi); ONES = ones(1,N); fc = 1e8; T = 10^-9*[0.5 2]; for i=1:3 beta(i) = uwb30201_effective_bandwidth(T(i),fc); end c = 3*10^8; N_a = 4; l = 5*10^-2; SNR_dB = 5; SNR = exp(SNR_dB*log(10)/10); an n va p ie gh tn to % Minimum SD: MSD1=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(1)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*sqrt(SNR))*ONES./(cos(phi)); MSD2=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(2)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*sqrt(SNR))*ONES./(cos(phi)); MSD3=sqrt(3)*c/(sqrt(2)*pi*beta(3)*sqrt(N_a*(N_a^21))*l*sqrt(SNR))*ONES./(cos(phi)); % h = figure(77); set(h,'name','Sim_UWB_702, MSD_AOA_Angle'); P1 = plot(phi,MSD1,'-*r',phi,MSD2,'-sk',phi,MSD3,'-^b'); set(P1,'LineWidth',1.5); xlabel('Gãc tíi (rad)','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); ylabel('§é lƯch chn nhá nhÊt (rad)','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); title('BiĨu diƠn giíi h¹n d-íi cđa -íc tính AOA theo góc đến SNR = 5dB độ rộng xung tín hiệu UWB khác nhau', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); SL = legend('T = 0.5 ns','T = ns','T = ns'); set(SL,'fontname','.vntime','fontsize',16); axis([ -1.5 1.5 0.5]) grid on AX = gca; set(AX,'fontsize',14); d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z @ ========================== m co l gm %======================================================================== %============================ Sim_UWB_303: MSD_TOA_SNR.m ================ %======================================================================== % clc; clear; close all; % -SNR_dB = -10:0.7:10; N = length(SNR_dB); an Lu n va ac th si 82 for i=1:N SNR = exp(SNR_dB*log(10)/10); end ONES = ones(1,N); T fc = 10^-9*[0.5 2]; = 1e8; lu an n va p ie gh tn to for i=1:3 beta(i)=uwb30201_effective_bandwidth(T(i),fc); % Prog 7.02 end c = 3*10^8; % -MSD1 = c/(2*sqrt(2)*pi*beta(1))*ONES./(sqrt(SNR)); MSD2 = c/(2*sqrt(2)*pi*beta(2))*ONES./(sqrt(SNR)); MSD3 = c/(2*sqrt(2)*pi*beta(3))*ONES./(sqrt(SNR)); % num_fig = 711; h = figure(num_fig); set(h,'name',' Sim_UWB_703, MDS_AOA_SNR'); P1 = plot(SNR_dB,MSD1,'-*r',SNR_dB,MSD2,'-sk',SNR_dB,MSD3,'-^b'); set(P1,'LineWidth',2); xlabel('SNR (dB) ','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); ylabel('§é lƯch chuẩn nhỏ (m)','fontname','.Vntime','fontsize',14,'color','b'); title('Khảo sát giới hạn -ớc tính khoảng cách theo ph-ơng pháp TOA theo SNR với độ rộng xung khác nhau', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',14); legend('T = 0.5 ns','T = ns','T = ns'); grid on AX = gca; set(AX,'fontsize',14); % -% -Prog 2.01: uwb20101_genrect -% -function [beta] = uwb30201_effective_bandwidth(Tp,f) A = 1; smp = 1000; p = sin(2.*pi.*f.*linspace(0,Tp,smp)); sinpulse = zeros(1,3*smp); % Time window sinpulse(1+smp:2*smp) = p; % % Signal in frequency domian % fs = smp / Tp; % sampling dt = / fs; N = length(sinpulse); T = N * dt; df = / T; % X = fft(sinpulse); X = X/N; ss_X = 2.*X(1:floor(N/2)); n = length(ss_X); f0 = fs/N; % - d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 83 lu an n va tn to % Effective_bandwidth s1 = 0; s2 = 0; for i=1:n s1 = s1+(i*df*abs(ss_X(i)))^2*df; s2 = s2+(abs(ss_X(i)))^2*df; end beta = sqrt(s1/s2); %======================================================================= % ============================= Sim_UWB_304_2D ========================= %======================================================================== %======================================================================== % clc; clear; close all; % -% -% Generates the positions of a set of nodes % -N = 10; area_side = 50; G = 1; NumFig = 7161; [positions,ranges] = uwb30401_create_network(N,area_side,G,NumFig); p ie gh % -% Selects a target node and k reference nodes from a set of nodes % -k = 3; [Nx,Ref] = uwb30402_select_nodes(N,k); % -% Determines the LSE solution to a positioning problem in a bidimensional space % -sigma_2 = 0; G = 1; NumFig = 7162; [PosNx,ErrNx] = uwb30403_find_LSE_position(positions,ranges,Nx,Ref,sigma_2,G,NumFig); %======================================================================== h= figure(716); set(h,'name','LSE solution to a positioning problem in a Bidimensional space (2_D)'); d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z subplot(1,2,1); clc; clear all; load Sim_UWB_2D_H716a.mat; PT = scatter(positions(:,1),positions(:,2),'filled'); axis([0 area_side area_side]); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); title('Tạo nút ban đầu', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); box on; AX = gca; set(AX,'fontsize',14); % m co l gm @ an Lu n va ac th si 84 lu an n va ie gh tn to subplot(1,2,2); clc; clear all; load Sim_UWB_2D_H716b.mat; scatter(positions(:,1),positions(:,2)); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); box on; hold on; scatter(PosNx(1), PosNx(2), 200, 'filled', 'k','p'); scatter(positions(Nx,1),positions(Nx,2),200, 'filled','^'); for i=1:k % Reference nodes: 'r','s' scatter(positions(Ref(i),1),positions(Ref(i),2), 'filled','r','s'); end title('¦íc tÝnh vị trí cho nút đích','fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); LT = legend('Nút khác','Vị trí nút đích','Vị trí hiệu dụng nút đích','Nút tham chiÕu'); % set(LT,'fontname','.Vntime','fontsize',14); hold off; AX = gca; set(AX,'fontsize',14); p % % -% Prog 3.03: % [positions, ranges]=uwb30401_create_network(N, area_side, G) % % -% oa nl w d function [positions, ranges] = uwb30401_create_network(N,area_side,G,NumFig) for i = 1:N positions(i,1)=rand*area_side; positions(i,2)=rand*area_side; j=1; for j=1:(i-1) ranges(i,j)= sqrt((positions(i,1) - positions(j,1))^2 + (positions(i,2) - positions(j,2))^2); while(ranges(i,j)==0) X(i)=rand*50; Y(i)=rand*50; ranges(i,j)=sqrt((positions(i,1)- positions(j,1))^2+(positions(i,2)- positions(j,2))^2); end ranges(j,i)=ranges(i,j); end end ll u nf va an lu oi m z at nh z an Lu if G==1 m co l gm @ save Sim_UWB_2D_H716a.mat; n va ac th si 85 h = figure(NumFig); set(h,'name','a) Generates the positions of a set of nodes'); PT = scatter(positions(:,1),positions(:,2),'filled'); axis([0 area_side area_side]); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); title('Tạo nút ban đầu', 'fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); box on; end AX = gca; set(AX,'fontsize',14); lu % % % % % % -Prog 3.04 [Nx, Ref] = uwb70402_select_nodes(N, k) This function selects a target node and k reference nodes from a set of nodes an n va function [Nx,Ref] = uwb30402_select_nodes(N,k) gh tn to % Extraction of the target node Nx = ceil(N*rand); Check=zeros(1,N); ie p for i=1:k Ref(i) = Nx; % Check: is Ref(i) different from Nx? while((Ref(i)==Nx)||(Ref(i)==0)) Ref(i)= ceil(N*rand); % Check: is Ref(i) already selected? if(Check(Ref(i))) Ref(i) = 0; else Check(Ref(i))=1; end end end d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh % % -% Prog 3.05 % [PosNx, ErrNx] = uwb70403_find_LSE_position(positions,ranges,Nx,Ref,sigma_2,G) z an Lu N = size(ranges,1); err_ranges = ranges + sqrt(sigma_2)*randn(N); m co % Adding errors to the range estimation l gm @ function [PosNx, ErrNx] = uwb30403_find_LSE_position(positions, ranges, Nx, Ref, sigma_2, G,NumFig) n va ac th si 86 % Defining the linear problem % Matrix A k = length(Ref); for i=1:(k-1) A(i,1) = positions(Ref(i),1) - positions(Ref(k),1); A(i,2) = positions(Ref(i),2) - positions(Ref(k),2); end A=-2*A; % Matrix b b=zeros(2,1); for i=1:(k-1) b(i) = err_ranges(Ref(i),Nx)^2 - err_ranges(Ref(k),Nx)^2 - positions(Ref(i),1)^2 + positions(Ref(k),1)^2 - positions(Ref(i),2)^2 + positions(Ref(k),2)^2; end lu % Solving the problem PosNx=A\b; an n va tn to %Computing the error ErrNx = sqrt((PosNx(1)-positions(Nx,1))^2+(PosNx(2)- positions(Nx,2))^2); ie gh save Sim_UWB_2D_H716b.mat; p %Graphical output if G==1 h = figure(NumFig); set(h,'name','b) determines the LSE solution to a positioning problem in a bidimensional space'); scatter(positions(:,1),positions(:,2)); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); box on; hold on; scatter(PosNx(1), PosNx(2), 200, 'filled', 'k','p'); scatter(positions(Nx,1),positions(Nx,2),200, 'filled','^'); for i=1:k scatter(positions(Ref(i),1),positions(Ref(i),2), 'filled','r','s'); end title('¦íc tính vị trí cho nút đích','fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); hold off; end AX = gca; set(AX,'fontsize',14); d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu %======================================================================== % ========================== Sim_UWB_304_3D ============================ %======================================================================== n va ac th si 87 % -% Prog_3D: uwb30403_3D_find_LSE_position % -% clc; clear; close all; % -N area_side G num_fig [positions, = 5; = 10; = 1; = 7171; ranges] = uwb30401_3D_create_network(N,area_side,G,num_fig); % -k = 4; [Nx,Ref] = uwb30402_3D_select_nodes(N,k); lu an n va p ie gh tn to % -G = 1; num_fig = 7172; sigma_2 = 0; [PosNx, ErrNx] = uwb30403_3D_find_LSE_position(positions, ranges,Nx, Ref,sigma_2, G,num_fig); %======================================================================== h= figure(717); set(h,'name','LSE solution to a positioning problem in a 3_Dimensional space (3_D)'); d oa nl w subplot(1,2,1); clc; clear all; load Sim_UWB_3D_H717a.mat; ll u nf va an lu scatter3(positions(:,1),positions(:,2),positions(:,3),'filled'); axis([0 area_side area_side area_side]); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); zlabel('Z [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); box on; hold on AX = gca; set(AX,'fontsize',12); % -subplot(1,2,2); clc; clear all; load Sim_UWB_3D_H717b.mat; scatter3(positions(:,1),positions(:,2),positions(:,3)); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); zlabel('Z [m]','fontname','.Vntime','fontsize',16); box on; hold on; scatter3(PosNx(1), PosNx(2), PosNx(2), 200, 'filled', 'k','p'); scatter3(positions(Nx,1),positions(Nx,2),positions(Nx,3),200, 'filled','^'); for i=1:k oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 88 scatter3(positions(Ref(i),1),positions(Ref(i),2),positions(Ref(i),3), 'filled','r','s'); end title('¦íc tính vị trí cho nút đích','fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); LT = legend('Nút khác','Vị trí nút đích','Vị trí hiệu dụng nút đích','Nút tham chiÕu'); % set(LT,'fontname','.Vntime','fontsize',12); hold off; AX = gca; set(AX,'fontsize',12); % -% uwb30401_3D_create_network lu an n va p ie gh tn to function [positions, ranges] = uwb30401_3D_create_network(N,area_side,G,num_fig) for i = 1:N positions(i,1)=rand*area_side; positions(i,2)=rand*area_side; positions(i,3)=rand*area_side; j=1; for j=1:(i-1) ranges(i,j)= sqrt((positions(i,1) - positions(j,1))^2 + (positions(i,2) - positions(j,2))^2 + (positions(i,3) - positions(j,3))^2); while(ranges(i,j)==0) X(i)=rand*50 Y(i)=rand*50 ranges(i,j)=sqrt((positions(i,1)- positions(j,1))^2+(positions(i,2)- positions(j,2))^2+(positions(i,3) - positions(j,3))^2); end ranges(j,i)=ranges(i,j); end end save Sim_UWB_3D_H717a.mat; if G h = figure(num_fig); set(h,'name','H7_18: Create_nodes_3D'); scatter3(positions(:,1),positions(:,2),positions(:,3),'filled'); axis([0 area_side area_side area_side]); xlabel('X [m]'); ylabel('Y [m]'); zlabel('Z [m]'); box on; hold on end AX = gca; set(AX,'fontsize',12); d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 89 % -% Prog: uwb30402_3D_select_nodes % -function [Nx,Ref] = uwb30402_3D_select_nodes(N,k) % Extraction of the target node Nx = ceil(N*rand); Check=zeros(1,N); lu an n va p ie gh tn to for i=1:k Ref(i) = Nx; % Check: is Ref(i) different from Nx? while((Ref(i)==Nx)||(Ref(i)==0)) Ref(i)= ceil(N*rand); % Check: is Ref(i) already selected? if(Check(Ref(i))) Ref(i) = 0; else Check(Ref(i))=1; end end end oa nl w % -% uwb30403_3D_find_LSE_position % d function [PosNx, ErrNx] = uwb30403_3D_find_LSE_position(positions, ranges, Nx, Ref,sigma_2, G,num_fig) lu va an % Adding errors to the range estimation ll u nf N = size(ranges,1); err_ranges = ranges + sqrt(sigma_2)*randn(N); oi m % Defining the linear problem % Matrix A k = length(Ref); for i=1:(k-1) A(i,1) = positions(Ref(i),1) - positions(Ref(k),1); A(i,2) = positions(Ref(i),2) - positions(Ref(k),2); A(i,3) = positions(Ref(i),3) - positions(Ref(k),3); end A=-2*A; % Matrix b b=zeros(3,1); for i=1:(k-1) b(i) = err_ranges(Ref(i),Nx)^2 - err_ranges(Ref(k),Nx)^2 - positions(Ref(i),1)^2 + positions(Ref(k),1)^2 - positions(Ref(i),2)^2 + positions(Ref(k),2)^2 - positions(Ref(i),3)^2 + positions(Ref(k),3)^2; z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 90 end % Solving the problem PosNx=A\b; %Computing the error ErrNx = sqrt((PosNx(1)-positions(Nx,1))^2+(PosNx(2)- positions(Nx,2))^2+(PosNx(3)- positions(Nx,3))^2); lu save Sim_UWB_3D_H717b.mat; %Graphical output if G h = figure(num_fig); set(h,'name','H7_20 LSE_position_3D'); scatter3(positions(:,1),positions(:,2),positions(:,3)); xlabel('X [m]','fontname','.Vntime','fontsize',14); ylabel('Y [m]','fontname','.Vntime','fontsize',14); zlabel('Z [m]','fontname','.Vntime','fontsize',18); an n va tn to box on; hold on; p ie gh scatter3(PosNx(1), PosNx(2), PosNx(2), 200, 'filled', 'k','p'); scatter3(positions(Nx,1),positions(Nx,2),positions(Nx,3),200, 'filled','^'); nl w for i=1:k d oa scatter3(positions(Ref(i),1),positions(Ref(i),2),positions(Ref(i),3), 'filled','r','s'); end title('Ước tính vị trí cho nút đích','fontname','.Vntime','color','b','fontsize',16); LT = legend('Nút khác','Vị trí nút đích','Vị trí hiƯu dơng cđa nót ®Ých','Nót tham chiÕu'); % set(LT,'fontname','.Vntime','fontsize',12); hold off; end AX = gca; set(AX,'fontsize',12) ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si