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

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN MINH TÚ ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2019 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN MINH TÚ ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ VĂN SAN HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên Trần Minh Tú 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 q trình học tập cơng tác tơi Tơi 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 Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS VŨ VĂN SAN tận tình bảo cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu, giúp tơi có nhận thức đắn kiến thức khoa học, tác phong học tập làm việc, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ trình hồn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Trần Minh Tú iii MỤC LỤC 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 1.2 Định nghĩa tín hiệu hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn 1.2.2 Tín hiệu UWB 10 1.3.Mơ hình hệ thống truyền thơng vô tuyến băng siêu rộng UWB 11 1.4 Đặc điểm tín hiệu hệ thống UWB 19 1.5 Các lĩnh vực ứng dụng vô tuyến UWB 25 1.6 Kết luận chương 27 CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 28 2.1 Giới thiệu 28 2.2 Ước tính tham số định vị 29 2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị 31 2.3.1 Phương pháp cường độ trường tín hiệu thu RSS 31 2.3.2 Phương pháp góc đến AOA 34 2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA 36 2.3.4 Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA 42 2.3.5 Một số phương pháp kết hợp điển hình 44 2.4 Phương pháp định vị trí 45 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 3.2 Mơ hình kịch mơ 59 3.3 Phân tích, mô phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình 61 3.3.1 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách 61 3.3.2 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA 63 3.3.3 Tính tốn biểu diễn tính xác việc ước tính thời điểm đến TOA 65 3.4 Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị .68 3.5 Kết luận chương 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt AOA AWGN BPSK CDMA Nghĩa tiếng Anh Angle of Arrival Additive White Gaussian Noise Binary Phase Shift Keying Code Division Multiple Nghĩa tiếng Việt Góc tới (góc đến) Tạp âm Gausơ trắng cộng Khóa chuyển pha pha hai trạng thái Đa truy nhập phân chia theo mã CIR Access Channel Impulse Response CRLB Cramer-Rao Lower Bound Giới hạn Cramer-Rao Defense Advanced Research Cơ quan phụ trách dự án nghiên cứu Project Agency cao cấp Quốc phòng (ở Mỹ) DSA Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ tần động DS- Direct Sequence Spread UWB Spectrum UWB DARPA EIRP ESD ETSI FCC Đáp ứng xung kim kênh UWB trải phổ chuỗi trực tiếp Equivalent Isotropically Công suất phát xạ đẳng hướng tương Radiated Power đương Energy Spectral Densty Mật độ phổ lượng European telecommunication Standards Institue Federal Communications Commission Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu Ủy ban truyền thông Liên bang (ở Mỹ) FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước FH Frequency Hoping Nhảy tần FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần GPS GSM IDFT IEEE Global Positioning System Global System for Mobile Telecommunications Inverse Discrete Fourier Transform Institute of Elictrical and Elictronics Engineers IR- Impluse Radio-Ultra Wide UWB Band IR Impulse Radio ISI Inter-Symbol Interference Hệ thống định vi tồn cầu Hệ thống thơng tin di động toàn cầu Biến đổi Fourier rời rạc nghịch Viện kỹ sư Điện Điện tử Vô tuyến xung kim – Băng siêu rộng Vô tuyến xung kim Giao thoa ký hiệu (nhiễu xuyên ký hiệu) vi ITU International Telecommunications Union International ITU-R Telecommunications UnionRadio Sector Liên minh Viễn thông Quốc tế Liên minh Viễn thông quốc tế phận vô tuyến LOS Line of Sight Trực xạ (đường truyền thẳng) LSE Least Square Error Sai số quân phương nhỏ MB Multi Band Đa băng MCCDMA Multi Carrier Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang ML Maximum Likelihood Khả giống cực đại (hợp lý cực đại) LSE Least Square Error MUI Multi User Interference Nhiễu đa người dùng NLOS None Line of Sight Orthogonal Frequency Không trực xạ (truyền không trực tiếp) Ghép kênh phân chia theo tần số trực Division Multipex giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất PN Pseudo Noise Giả tạp âm PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PPS Pricise Positioning System Hệ thống định vị xác PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PU Primary User Người dùng sơ cấp RSS Received Signal Strength Cường độ trường tín hiệu thu OFDM Sai số bình phương nhỏ (bình phương sai số nhỏ nhất) SPA Self – Positioning Algorithm Thuật toán tự định vị SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiêu tạp âm SPS Standard Positioning Systerm Hệ thống định vị tiêu chuẩn SU Secondary User Người dùng thứ cấp TDOA Time difference of Arrival Vi sai thời gian đến TH Time Hopping Nhảy thời gian TH- Time Hopping Ultra Wide UWB Band TOA Time of Arrival Thời gian đến (góc tới) UWB Ultra Wideband Băng siêu rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội không dây WPAN Wireless Personal Access Network Vô tuyến băng siêu rộng nhảy thời gian Mạng truy nhập cá nhân không dây