Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWB (tt)

Định vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh vị trong vô tuyến băng siêu rộng UWBĐịnh 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 Chun ngành: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn San Phản biện 1: ……………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU UWB công nghệ vô tuyến tầm ngắn, bổ xung cho công nghệ vô tuyến tầm dài khác Wi-Fi, WiMAX thông tin tế bào vùng rộng Việc kết hợp phổ rộng công suất thấp cải thiện tốc độ truyền dẫn cao giảm nhiễu đến phổ vô tuyến khác Hiện ứng dụng định vị, đo lường trời (outdoor) thường dựa vào thệ thống định vị toàn cầu (GPS), nhiên với ứng dụng nhà hệ thống định vị tồn cầu khơng tin cậy cho sai số q lớn, cơng nghệ UWB nghiên cứu để định vị ứng dụng nhà thông qua việc sử dụng liệu chuyển tiếp từ thiết bị tới thiết bị khác vùng gần (từ tới 10 mét) [5], [9], [10] Thiết bị thông tin UWB nói chung phép hoạt động số dải tần khoảng từ GHz đến 10.6 GHz dành cho công nghệ UWB với giới hạn mật độ công suất phát lớn -41,3 dBm/MHz Ngồi thiết bị UWB có khả sử dụng công nghệ giảm nhiễu DAA (xác định tránh), điều khiển kênh nên giới hạn nhiễu trùng tần số với thiết bị khác [4],[5] Công nghệ UWB cho phép chế tạo thiết bị đầu cuối nhỏ gọn, giá thành rẻ, tiêu hao lượng gần khơng bị tác động nhiễu đa đường (multipath) nhiễu liên ký tự (Intersymbol Interference : ISI) Điều phù hợp với ứng dụng mạng phạm vi cá nhân không dây (WPAN) mạng cảm biến không dây (WSN) hệ thống định vị [5],[9], [10] Đặc điểm truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng (UWB) là: Tín hiệu truyền mơi trường kênh vơ tuyến có độ rộng xung hẹp, gọi vô tuyến xung kim (IR), phổ tần rộng lượng nhỏ, dung lượng lớn, đồng hoạt động với hệ thống vô tuyến hành vùng phổ tần, khả truy cập phổ tần động, khả đề kháng với kênh pha đinh đa đường, khả định vị xác cao Vì vậy, truyền thơng vô tuyến UWB coi giải pháp sử dụng hiệu triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan Dẫn đến việc xem xét, nghiên cứu, lựa chọn giải pháp xử lý (tạo tín hiệu, định dạng xung tín hiệu, kênh mơ hình kênh, tính chất phân tập thời gian tín hiệu thu cấu trúc máy thu,v.v ) hệ thống UWB có đặc trưng riêng tổng quát Do đó, phù hợp với ứng dụng truyền thơng vơ tuyến mơ hình kênh nhà vùng phủ sóng hẹp Từ đặc điểm này, dẫn đến thành cơng, tính hiệu vơ tuyến UWB đã, đang, tiếp tục khẳng định lĩnh vực như: vơ tuyến hóa thiết bị cá nhân, lĩnh vực y tế, lĩnh vực định vị,v.v…, điển mạng cảm biến khơng dây, mạng tùy biến không dây, mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN), Radar,v.v… Đặc biệt là: tiềm năng, khả ứng dụng, tính khả thi mạng vơ tuyến hệ sau (điển mạng vơ tuyến khả thi việc giải thách thức dạng hợp tác cảm nhận phát phổ tần trống, truy nhập chia sẻ phổ tần động,v.v ) việc vi mạng hóa mơi trường truyền sóng vơ tuyến, khách sạn hóa trạm thu phát sóng vơ tuyến, truyền thơng xanh,v.v…Tất cả, nhằm khai thác hiệu triệt để tài nguyên phổ tần vô tuyến khan hiệu tài nguyên lượng, khai thác triệt để lực tiềm vốn có phần tử nút mạng [5] Luận văn thực đề tài “Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB” với trọng tâm phân tích cách chắt lọc thuật toán cho việc ước lượng khoảng cách, định vị trí số giao thức điển hình dạng phân tích, mơ nhằm làm sáng tỏ tính ưu việt tiềm năng, khả ứng dụng cơng nghệ UWB Theo đó, luận văn tổ chức trình bày chương sau: Chương 1: Tổng quan vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Định nghĩa tín hiệu hệ thống vơ tuyến UWB; Mơ hình hệ thống truyền thơng vơ tuyến UWB; Đặc điểm tín hiệu hệ thống truyền thơng UWB; Các ứng dụng điển hình vơ tuyến UWB Chương 2: Định vị vô tuyến băng siêu rộng UWB trình bày về: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Chương 3: Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình vô tuyến băng siêu rộng UWB thực hiện: Mô hình kịch mơ phỏng; Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 Mở đầu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide Band) phát triển từ năm 1960, hệ thống thông tin quân UWB gọi vơ tuyến khơng sóng mang, vô tuyến dạng xung, vô tuyến xung kim IR, vô tuyến băng gốc sử dụng phương pháp phát trực tiếp xung hẹp Hiện tại, công nghệ nghiên cứu chủ yếu cho ứng dụng thông tin vô tuyến cự ly ngắn (vùng phủ hẹp), với tốc độ truyền dẫn cao (lên tới 500 Mbit/s), đặc biệt mạng truy nhập cá nhân không dây (WPAN) Hiện tại, Viện thiết kế điện điện tử (IEEE) tổ chức tiêu chuẩn việc đề xuất tiêu chuẩn liên quan tới lớp vật lý vơ tuyến UWB cho hệ thống WPAN Ngồi ra, có nhiều ứng dụng khác UWB, Radar, thông tin xuyên tường, mạng cảm biến, định vị với độ xác cao, v.v…[4], [6] Với ưu điểm không cần giấy phép phổ tần, tốc độ truyền dẫn cao, công suất phát thấp, UWB phương tiện kết nối hữu hiệu thiết bị ngoại vi (thiết bị quan sát, theo dõi, giám sát, điều khiển vận hành,v.v…), thiết bị đa phương tiện với thiết bị trung tâm, thiết bị di động phạm văn phòng gia đình Vơ tuyến băng siêu rộng UWB dựa vào việc phát xạ dạng sóng, đặc tính hóa độ rộng băng tần lượng tức thời lớn khoảng [0,20-0,25] Trong chương này, luận văn phân tích nguyên lý độ rộng băng tần lượng phân đoạn định nghĩa vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2 Định nghĩa tín hiệu hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn Việc chấp nhận chung thuật ngữ “băng siêu rộng UWB” xuất phát từ lĩnh vực radar băng siêu rộng UWB liên quan với sóng điện từ đặc tính hóa độ rộng băng tần lượng phân đoạn tức thời lớn khoảng [0,20 - 0,25] Để làm sáng tỏ định nghĩa này, trước hết luận văn phải định nghĩa độ rộng băng tần lượng sóng tín hiệu Gọi lượng tức thời sóng tín hiệu, độ rộng băng tần lượng xác định tần số khoảng tần số lượng sóng nằm (cỡ 90%) Ta gọi khoảng tần số độ rộng băng tần lượng, hay băng thơng lượng (energy bandwith), [4], [6] Hình 1.1 minh họa khái niệm độ rộng băng tần (băng thông) lượng Ta lưu ý rằng, f L giới hạn f H giới hạn mật độ phổ lượng (ESD), tần số trung tâm phổ định vị  f H  f L  Độ rộng băng tần phân đoạn định nghĩa tỷ số độ rộng băng tần lượng tần số trung tâm, biểu diễn là: FB   fH  fL  (1.0)  fH  fL     Phổ lượng fH  fL fL fL  fH fH Tần số Hình 1: Độ rộng băng tần lượng 1.2.2 Tín hiệu UWB Ta cần lưu ý rằng, tín hiệu UWB có băng thơng rộng, chồng lấn lên phổ tần tín hiệu hệ thống thông tin vô tuyến khác Hai vấn đề cần quan tâm xem xét là: (1) hệ thống UWB hoạt động điều kiện xuất nhiễu từ hệ thống khác; (2) nhiễu từ UWB phải không ảnh hưởng mức cho phép tới hoạt động hệ thống cấp phép băng tần 1.3 Mơ hình hệ thống truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng UWB Một số nhân tố ảnh hưởng đến việc tạo tín hiệu UWB gồm: (i) quy định tín hiệu UWB; (ii) vấn đề hoạt động đồng thời hệ thống UWB hệ thống khác; (iii) yêu cầu ràng buộc mặt công nghệ xuất phát từ quan điểm tính khả thi, chi phí khả tiêu thụ sản phẩm thị trường Ngồi ra, để có chấp nhận mặt thương mại, UWB phải có khả tồn tại, chia sẻ hoạt động tương tác với dịch vụ truyền thông khác Đồng thời, hệ thống UWB cần phải thực mặt vật lý mạch điện tử nảy sinh khó khăn thách thức hạn chế mạch điện tử hoạt động dải tần siêu rộng [4], [6], [7], [8]  Băng tần hệ thống UWB IEEE khuyến nghị chia nhỏ băng tần UWB 7,5 GHz thành băng (năm kênh tần số, A đến E) hình 1.4a Đối với hệ thống UWB hoạt động với mạng WLAN 802.11a băng 4,9 GHz 5,9 GHz, bỏ qua kênh B Bảng 1.1a liệt kê kênh tần số trung tâm tương ứng Đối với hệ thống UWB sử dụng băng tần hẹp hơn, Tín hiệu (dB) sử dụng quy hoạch băng tần hình 1.4b Tín hiệu (dB) Tần số (GHz) Tần số (GHz) Hình 2: a)Phân bổ băng tần cho kênh UWB (hình bên trên); b) Quy hoạch băng tần cho kênh UWB 500 MHz (hình bên dưới)  Điều chế đa truy nhập UWB Hiển nhiên rằng, xung UWB đơn thân khơng chứa thơng tin Ta cần đưa thông tin số vào xung phương pháp điều chế Với mục đích truyền thơng ti, điều chế trình làm thay đổi tham số sóng mang theo tín hiệu tin tức Nếu sóng đơn mang có ba tham số (biên độ, tần số pha), ta có ba phương pháp điều chế là, điều biên q trình làm thay đổi biên độ sóng mang theo tín hiệu tin tức, điều tần q trình làm thay đổi tần số sóng mang theo tín hiệu tin tức, điều pha trình làm thay đổi pha sóng mang theo tín hiệu tin tức Hay nói cách khác, thơng tin truyền dạng thay đổi tham số sóng mang Trong truyền thơng số, tính chất số (Digital), tính chất nhẩy bặc tín hiệu thơng tin nên tham số sóng mang bị điều chế có tính nhẩy bậc, ta dùng thuật ngữ khóa (Keying), tồn phương pháp điều chế số (khóa dịch biên ASK, khóa dịch tần FSK, khóa dịch pha PSK) Ta lưu ý rằng, với mục đích truyền thơng đặc tính sóng mang phù hợp với mơi trường truyền thơng, ví tần sóng mang quang phù hợp với cửa sổ truyền dẫn sợi quang.Trong miền tần số, điều chế làm dịch phổ tần tín hiệu thông tin lên vùng tần số mong muốn Cũng vậy, dựa vào vùng tần số, ta có điều chế tín hiệu băng tần sở điều chế thông dải.Khi kết hợp phương pháp điều chế (ví như: M-QAM) kỹ thuật xử lý tín hiệu khác, hiệu hệ thống cải thiện,v,v…Ở đây, điều chế trình xử lý biến đổi dạng sóng tín hiệu, xung, để mang thơng tin hữu ích Ta quan tâm tới biểu diễn số liệu thông tin cần xử lý Các trạng thái rời rạc đơn giản trạng thái nhị phân biểu diễn “1” “-1” Bất kỳ hai trạng thái rời rạc mã hóa thơng tin nhị phân Có thể sử dụng nhiều hai trạng thái, ví ba trạng thái tín hiệu (-1, 0, +1) Một cách tổng qt, ta có M trạng thái tín hiệu Trạng thái điều chế tín hiệu UWB phải nhận biết muốn khơi phục lại xác tín hiệu mơi trường truyền sóng khác Hiện cơng nghệ UWB hồn thiện nhiều phương pháp mã hóa thơng tin Các xung truyền cách riêng rẽ, theo cụm, theo luồng gần liên tục, chúng mã hóa thơng tin theo biên độ xung, phân cực xung, vị trí xung Phương pháp điều chế thay đổi từ điều chế vị trí xung đơn giản điều chế phân cực xung có hiệu sử dụng lượng tốt kỹ thuật điều chế M-mức (nhiều mức nhiều trạng thái) với hiệu sử dụng lượng tốt [1], [3], [4], [7]  Mơ hình khái niệm phát/thu tín hiệu UWB Hình 1.5a minh họa khái niệm hệ thống UWB dựa lọc kích thích xung, thời kỳ đầu cơng nghệ Máy phát bao gồm nguồn liệu số, tạo lượng xung đầu vào theo kiểu mạch Tesla cộng hưởng, hay thiết bị đánh lửa Tham số chất lượng “Q” mạch cộng hưởng lựa chọn để tạo băng tần phát xạ tối thiểu 500 MHz Máy thu định mức biên độ nối với lọc liệu Mơ hình có ý nghĩa mô tả hệ thống mặt lý thuyết, xem đơn giản hóa hệ thống UWB thỏa mãn yêu cầu FCC Các phương pháp đại hệ thống UWB dựa lọc kích thích xung, sử dụng thu tương quan hiệu quả, định vị trí xung xác cho phép tạo hệ thống thơng tin liệu hiệu thiết bị Radar, định vị có độ xác cao Bộ tạo xung nhịp đồng hồ Tần số trung tâm, fc Bộ tổng hợp tần số Các xung liệu, đầu vào Các xung liệu, đầu Xung nhịp số liệu Bộ định dạng xung Dữ liệu đầu vào Bộ đệm số liệu Các xung liệu băng gốc a) Hệ thống UWB đơn giản Các xung phát xạ Các xung tần số fc Các xung băng gốc định dạng b) Máy phát xung tín hiệu Hình 3: a) Minh họa mơ hình khái niệm hệ thống UWB dạng đơn giản; b) Minh họa máy phát xung tín hiệu UWB 1.4 Đặc điểm tín hiệu hệ thống UWB Chín đặc điểm tín hiệu hệ thống UWB xuất phát từ từ nguyên xung kim/băng siêu rộng mức công suất phát thấp tín hiệu UWB, [7], [8], [9], [10]  Cơng suất phát Xét máy phát tín hiệu UWB chiếm dụng băng tần 3,1–10,6 GHz, công suất phát tổng băng tần là: P = PSD (dBm/MHz) + 10log(Độ rộng băng tần MHz) => P = - 41,25 + 10log(7500) = -2,55 dBm (hay 0,55 mW) Thự tế, thiết bị UWB chiếm dụng khoảng (1/5 đến -1/3) vùng phổ tần này, cơng suất phát cỡ (0,1–0,2 mW)  Dung lượng Dung lượng hệ thống UWB theo tham số hệ thống tính cách: Nếu S cơng suất tín hiệu thu, N sàn tạp âm Ta biểu diễn cơng suất tín hiệu công suất tạp âm theo đơn vị dB => SNR [dB] = S [dB] – N [dB] Công suất tín hiệu thu phía phát S = PT + GT – GR - L – I, PT, GT, GR, L, I công suất phát, độ lợi máy phát, độ lợi máy thu, tổn hao đường truyền tổn thất thực thi Tổn hao đường truyền L  20log  4 df c / c  , d khoảng cách phát/thu fc tần số trung tâm Công suất tạp âm N  10log  KT   10log  B   10log  F  , đó, 10log(KT) = -174 dBm/Hz F hệ số tạp âm Cuối ta được, SNRdB = PT + GT + GR – L – I – N Chuyển đổi đơn vị thay vào công thức dung lượng kênh Shannon  C  B log 1  SNR   B log  10 T P GT GR  L  I  N  /10   Quỹ đường truyền Ta xét yêu cầu cường độ tín hiệu tổn thất đường truyền máy thu theo công suất phát Độ dự trữ để đối phó pha đinh đa đường che chắn, M = PT + GT + GR – L – N – SNR – I, đó, M, N, L độ dự trữ, công suất tạp âm, tổn thất đường truyền Ta biểu diễn công suất tạp âm suy hao đường truyền, N = -174 + 10log(R) + 10log(F) với R = 100 Mbit/s, 200 Mbit/s, 500 Mbit/s hệ số tạp âm F = dB, , fc = 2,850 MHz Kết là, dự trữ đường truyền tính theo tốc độ liệu khác cho bảng 1.2c Từ bảng 1.2c cho thấy, mức độ dự trữ cần thiết để đối phó với pha đinh đa đường che chắn mơi trường truyền sóng kịch  Khả đề kháng với pha đinh đa đường Khe phổ gây pha đinh đa đường (nghĩa là, mức độ chọn lọc sâu pha đinh chọn tần số truyền sóng đa đường) gây phổ tần hệ thống băng hẹp, dẫn đến làm suy thoái nghiêm trọng lên hiệu hệ thống băng hẹp Tuy nhiên, với hệ thống UWB lượng phổ tần không đáng kể (do băng tần rộng UWB) Vì vậy, hệ thống UWB có khả đề kháng tốt pha đinh đa đường yêu cầu độ dự trữ pha đinh nhỏ so với hệ thống băng hẹp Điều minh họa hình 1.6b 10 thiết bị có lực thực việc phát người dùng sơ cấp PU phân phối thơng tin tới thiết bị có lực [4], [5] 1.6 Kết luận chương Chương luận văn xét nội dung tín hiệu hệ thống UWB như: khái niệm, định nghĩa, đặc trưng tín hiệu hệ thống UWB Luận văn trình bày mơ hình khái niệm vơ tuyến băng siêu rộng UWB Nội dung chương khởi đầu, tiền đề, xuyên suốt chương sau 11 CHƯƠNG II: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 2.1 Mở đầu Việc ước tính khoảng cách (Ranging) định vị trí (Positioning) có vai trò quan trọng thiết kế mạng truyền thông không dây Công nghệ UWB xem công nghệ có khả định vị xác định khoảng cách xác mạng cảm biến khơng dây (WSN) Sự phổ biến mạng cảm biến không dây diễn ra, khả hỗ trợ cho việc thông tin Máy tới Máy với chi thấp Sự phát triển mạng cảm biến không WSN coi bùng nổ mạng WLAN năm gần Khả đo đạc khoảng cách xác UWB chứng minh chi tiết, trình lọc chương này, nhiều công ty phát triển chip UWB hỗ trợ khả xác định khoảng cách, chip công ty Wire&Location sản xuất năm 2003, với phương pháp DS-SS để xác định khoảng cách sử dụng UWB [9], [10] 2.2 Ước tính tham số định vị Thuật ngữ “khoảng cách: Ranging” “định vị trí: Positing”, “định vị nội bộ: Localization”, dùng tài liệu cách linh hoạt; khơng có nhận thức hay quy ước chung ngữ nghĩa xác thuật ngữ Do đó, luận văn xác lập số định nghĩa sử dụng như: khoảng cách, định vị nút trung tâm, định vị tương đối, định vị tuyệt đối hay định vị địa lý, [9], [10] y y N3 N2 POSN2 (N ) POS(N ) POS(N ) N2 N3 N1 POSN2 (N1 ) POS(N1 ) N1 a) x b) Hình 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối x 12 2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị Tín hiệu thu viết lại là: r (t )  a(d ).s t  (d )   n(t ) (2.3) Phương trình (2.3) cho thấy, khoảng cách d ước tính từ: suy hao a(d ) trễ  (d ) Việc sử dụng a(d )  (d ) xác định phương pháp ước tính khoảng cách dựa vào: cường độ trường tín hiệu thu (RSS: Received Signal Strength) thời gian đến (TOA: Time of Arrival) hay góc tới (AOA: Angle of Arrival) 2.3.1 Phương pháp cường độ trường tín hiệu thu RSS Ý tưởng phương pháp dựa vào cường độ trường tín hiệu thu là, biết trước mối quan hệ suy hao công suất khoảng cách cường độ trường tín hiệu thu RSS nút dùng để ước tính khoảng cách nút nút phát, với điều kiện biết trước cơng suất phát (hình 2.2) Tuy nhiên, thiếu xác việc đo xác định cường độ điện trường thu RSS (do tính cách mơi trường truyền sóng) việc định lượng mối liên hệ khoảng cách giá trị suy hao (PL) nên gây sai số ước tính khoảng cách Tín hiệu UWB chịu ảnh hưởng bởi: pha đinh đa đường phạm vi hẹp, che chắn suy hao trình di chuyển từ nút đến nút khác Một cách lý tưởng, cơng suất tín hiệu (hay cường độ điện trường tín hiệu thu, RSS) trung bình hóa khoảng thời gian đủ lâu loại bỏ ảnh hưởng pha đinh đa đường che chắn, dẫn đến ta biểu diễn cơng suất trung bình tín hiệu thu theo phương trình sau [9], [10], [12], [14]: P  d   P0 10n lg  d d0  (2.4) 2.3.2 Phương pháp góc đến AOA Phương pháp RSS cung cấp thông tin khoảng cách hai nút, phương pháp AOA cung cấp thơng tin hướng tín hiệu đến, hay góc hai nút 13 b) a) y Nút đích  Nút tham chiếu   x Hình 2: Minh họa ước tính góc đến AOA: a) nút tham chiếu đo xác định góc ψ nút đích; b) quan hệ khác thời điểm đến ψ dàn anten 2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA Kỹ thuật ước tính TOA tính tốn khoảng cách dựa vào ước tính tốn trễ truyền sóng máy phát máy thu TOA phương pháp ước tính khoảng cách dùng phổ biến lĩnh vực Radar, lý này, thuật ngữ “TOA” “ranging” thường hoán đổi cho RS ( ) s(t) Mẫu tối ưu Mẫu sớm Mẫu muộn  T t a) Đầu vào lọc thích hợp T T T 2T b) Đầu lọc thích hợp Hình 3: Xung chữ nhật có độ rộng T đầu lọc thích hợp 2.3.4 Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA Theo quy ước, phương pháp ước tính khoảng cách dựa TOA cần có đồng nút đích nút tham chiếu Tuy nhiên, phương pháp dựa vào TDOA không cần phải đồng nút tham chiếu nút đích, mà cần có đồng nút tham chiếu với Trong trường hợp này, sai khác thời điểm đến tín hiệu nút 14 đích nút tham chiếu ước tính Điều định vị nút đích hình hyperbol với tiêu điểm vị trí hai nút tham chiếu hình 2.7a [9], [10] 2.3.5 Một số phương pháp kết hợp điển hình Thay thực phương pháp đơn lẻ RSS TOA, nút ước tính tập thơng số liên quan đến vị trí Sơ đồ kết hợp lai ghép (hybrid) cho ta nhiều thơng tin vị trí nút đích Các kết hợp TOA/AOA, TOA/RSS, TDOA/AOA tùy vào yêu cầu mức độ xác ràng buộc mức độ phức tạp Chẳng hạn, sơ đồ lai ghép TOA/AOA cho phép ta ước tính khoảng cách hướng góc đến AOA, cho ta ước tính vị trí nút đích (là giao điểm đường thẳng đường tròn hình 2.7b), [9], [10], [15] 2.4 Phương pháp định vị trí 2.4.1 Định vị trí cầu y N2 N3 d3i d2i d1i N1 Ni x Hình 4: Minh họa định vị trí cầu nút Ni không gian hai chiều với N1, N2, N3 nút tham chiếu Định vị trí cầu sử dụng tham chiếu định thời chung khả dụng nút đích N i tất nút tham chiếu, nghĩa là, ta đạt ước tính khoảng cách lý tưởng Đáng tiếc, khơng phải trường hợp nhiều tình thực tế, đồng chỉnh trơi thời gian xung nhịp đồng hồ gây trễ ngẫu nhiên xung nhịp đồng hồ nút Việc tính tốn xác vị trí đạt thời điểm tham chiếu chung khả dụng k nút tham chiếu 15 2.4.2 Định vị trí hyperbolic y N2 N3 N1 Ni x Hình 5: Minh họa định vị hyperbolic nút Ni không gian hai chiều với nút tham chiếu N1, N2 N3 Việc định vị trí hyperbolic yêu cầu có tham chiếu định thời chung xác nút tham chiếu, lại không cần phản hồi đồng xác nút tham chiếu nút đích Đặc biệt là, dành riêng cho mạng hạ tầng sở, dễ dàng có trì việc phối hợp nút hạ tầng Với lý này, kỹ thuật định vị Hyperbolic khuyến nghị cho mục đích định vị mạng tế bào, trạm gốc đóng vai trò nút tham chiếu cho phép nút di động nhận vị trí 2.4.3 Ước tính vị trí theo thuật tốn sai số bình phương nhỏ LSE Ảnh hưởng sai số ước tính khoảng cách lên tính xác định vị giảm bớt cách chấp nhận thuật tốn tối thiểu hóa sai số bình phương nhỏ LSE (Least Square Error) Với mục đích này, luận văn áp dụng giải pháp LSE vào mục đích luận văn Muốn vậy, ta viết lại hệ phương trình (2.23) dạng tập phương trình tuyến tính POS ( Ni ) , [8], [9], : 2.5 Giao thức định vị  Các giao thức neo cho rằng, tập nút mạng biết vị trí chúng cách tuyệt đối tương đối, bắt đầu vận hành mạng Một cách điển hình, nút tập thừa nhận vai trò nút tham chiếu hay nút neo (có vai trò nút tham chiếu), cho phép tất nút lại tính tốn vị trí chúng 16  Các giao thức khơng neo, sử dụng tất nút vị trí khởi đầu khơng biết trước Trong trường hợp này, giao thức trước tiên phải xác định hệ tham chiếu chung, sau tính tốn vị trí tương đối nút hệ 2.6 Kết luận chương Chương này, luận văn nghiên cứu trình bày tóm tắt nội dung định vị, điển hình như: Ước lượng tham số định vị trí; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS, góc đến AOA, thời gian đến TOA, vi sai thời gian đến TDOA, kỹ thuật định vị trí hình cầu; Định vị trí hình hyperbolic, Ước tính vị trí theo thuật toán LSE Cuối là, giao thức định vị Đặc biệt là, thơng qua kỹ thuật, thuật tốn trình bày chương này, mơ hình hóa Matlab hóa chương 3, kết tính tốn mơ làm sáng tỏ tính ưu việt độ xác việc định vị hệ thống UWB 17 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 3.1 Mở đầu Trên sở phương pháp định vị nghiên cứu trình bày chương như: Ước lượng tham số định vị trí; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS, góc đến AOA, thời gian đến TOA, vi sai thời gian đến TDOA, kỹ thuật định vị trí hình cầu; Định vị trí hình hyperbolic, Ước tính vị trí theo thuật tốn LSE Chương này, luận văn thực mơ hình hóa Matlab hóa nhằm làm sáng tỏ tính ưu việt độ xác việc định vị hệ thống UWB sở kết tính tốn kết mơ 3.2 Mơ hình kịch mơ Mơ hình mơ cho việc định vị hệ thống truyền thông UWB cho hình 3.1 Trong đó, tạo tín hiệu phía phát, thu xử tín hiệu phía thu đảm bảo tham số đặc trưng tín hiệu hệ thống UWB, cụ thể như: tín hiệu UWB nhảy thời gian TH-UWB, tín hiệu UWB chỗi trực tiếp DS-UWB, tín hiệu UWB đa băng tần MB-UWB, đó, với TH-UWB DS-UWB thực nguyên lý điều chế PPM PAM 3.3 Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình 3.3.1 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách Chương trình Matlab thực 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 tổng hợp cho Sim_UWB 3.01 (Phụ lục 1A) Thiết trị cho tham số đặc trưng: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 18 Bảng 1: Các tham số kênh mơi trường kênh truyền sóng UWB Mơ hình kênh Môi trường Số mũ suy hao, Độ lệch chuẩn  n che chắn,  sh  CM1 Trong nhà riêng, LOS 1,79 2,22 CM2 Trong nhà riêng, NLOS 4,58 3,61 CM4 Trong văn phòng, LOS 1,63 1,90 CM4 Trong văn phòng, NLOS 3,07 3,90 Kết là, hình 3.2 biểu diễn độ lệch chuẩn nhỏ (giới hạn dưới) ước tính khoảng cách dˆ theo khoảng cách nút d môi trường khác phù hợp với mơ hình kênh IEEE 802.15.4a với số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Cũng cần lưu ý rằng, môi trường truyền sóng khơng trực xạ NLOS nhà riêng có giới hạn số mũ tổn hao đường truyền lớn Trong trường hợp, độ lệch chuẩn sai số không 1m khoảng cách hai nút lớn 6m Hay nói cách khác, ước tính khoảng cách dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS khơng phải phương pháp có độ xác cao hệ thống UWB Hình 1: Độ lệch chuẩn nhỏ ước tính khoảng cách dựa vào RSS cách mơ hình kênh khác 19 3.3.2 Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA Kết là, mơ Sim_UWB 3.02 biểu diễn hình 3.3, cho thấy SNR tăng giảm độ rộng xung tín hiệu UWB (nghĩa là, tăng độ rộng băng tần), giới hạn hệ thống giảm (tính xác việc ước tính góc đến AOA tăng lên) Hình 2: Biểu diễn giới hạn CRLB ước tính AOA theo SNR giá trị khác độ rộng xung tín hiệu UWB (tương đương, băng thông hiệu dụng khác nhau): dàn o anten loại ULA phần tử cáchđều 5cm góc tới   45 3.4 Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị Giải pháp cải thiện tính xác định vị sở thuật tốn sai số bình phương nhỏ LSE Trong phần này, luận văn ước lượng tính xác LSE cho tốn định nghĩa hệ phương trình (2.28) hàm cấp độ sai số trình đo cự ly số lượng nút tham chiếu Luận văn phân tích tốn không gian hai chiều phép đồ thị hóa kết Sai số mơ hình hóa giá trị xác rút từ q trình Gausơ trắng có trung bình 20 Hình 3: a) Các nút tạo ban đầu; b) Ước tính vị trí cho nút đích (Hình vng: nút tham chiếu; hình tròn: nút khác; hình sao: vị trí ước tính nút đích; hình tam giác: vị trí hiệu dụng nút đích) 21 3.5 Kết luận chương Chương này, thông qua kỹ thuật, thuật toán xét chương luận văn thực mơ hình hóa Matlab hóa nội dung định vị, điển hình như: Ước lượng tham số định vị trí; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS, góc đến AOA, thời gian đến TOA, kỹ thuật định vị trí hình cầu; Định vị trí hình hyperbolic, Ước tính vị trí theo thuật tốn LSE Các kết tính tốn mơ làm sáng tỏ tính ưu việt độ xác việc định vị hệ thống UWB Các chương trình tính tốn mơ Matlab cho phụ lục 1A phụ lục 1B 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Luận văn nghiên cứu trình bày: Tổng quan vơ tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Định nghĩa tín hiệu hệ thống vơ tuyến UWB; Mơ hình hệ thống truyền thơng vơ tuyến UWB; Đặc điểm tín hiệu hệ thống truyền thông UWB; Các ứng dụng điển hình vơ tuyến UWB Định vị vơ tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương phápđịnh vị điển hình vơ tuyến băng siêu rộng UWB, tiến hành: Mơ hình kịch mơ phỏng; Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị Các kết quả, phân tích, tính tốn, mơ hiệu phương pháp định vị vị trí điển hình cho tính ưu việt tiềm năng, khả ứng dụng công nghệ UWB  Kiến nghị: Công nghệ vô tuyến UWB công nghệ nên nhiều phạm vi ứng dụng tiếp tục nghiên cứu lý thuyết kiểm nghiệm thực tế  Hướng nghiên cứu Trên vấn đề mà luận văn nghiên cứu định vị vô tuyến UWB Đề tài chưa đề cập đến vấn đề như: Truyền thông vô tuyến băng siêu rộng UWB đa người dùng, thu xử lý tín hiệu UWB, kênh truyền sóng vơ tuyến – kênh UWB, mật độ công suất PSD định dạng tín hiệu UWB Đó vấn đề mà nghiên cứu, phân tích kỹ điểm hay hấp dẫn 23 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Đa truy nhập vô tuyến”, giảng, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, 2013 [2] Nguyễn Viết Đảm cộng tác viên, “Xây dựng chương trình mơ kênh truyền sóng UWB”, đề tài NCKH, mã 01-HV-2010, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 2010 [3] Dr Proakis, John G, “Digital Comunications”, McGraw-Hill, 2000 [4] Maria-Gabriella Di Benedetto and other, “UWB Communication Systems: A Comprehensive Overview”, Hindawi Publishing Corporation, 2010 [5] Boris I Lembrikov, “Novel Applications of the UWB Technologies”, Second Edition, Published by ExLi4EvA, ITexLi, 2016 [6] Ian Oppermann, Matti Hamalainen and Jari Iinatti, “UWB Theory and Applications”, John Wiley & Sons Ltd, 2004 [7] M Ghavami, L B Michael, R Kohno, “Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering”, John Wiley & Sons Ltd, 2004 [8] Maria-Gabriella Di Benedetto & Guerino Giancola, “Understanding Ultra Wide Band Radio Fundamentials”, Prentice Hall, 2004 [9] Zafer Sahinoglu, Sinan Gezici & Ismail Guvenc, “Ultra Wideband Positioning Systems” Cambridge University Press, 2008 [10] Rolf Kraemer & Marcos D.Katz, “Short-range Wireless Communications”, John Wiley & Sons, 2009 [11] Shahriar Emami, “UWB Communication Systems: Conventional and 60 GHz, Principles, Design and Standards”, Springer New York Heidelberg Dordrecht London, 2013 [12] Matti Hämäläinen Jari Iinatti, “Wireless UWB Body Area Networks Using the IEEE802.15.4-2011”, Elsevier Ltd, 2014 [13] A.A.M Saleh, R.A Valenzuela, “A statistical model for indoor multipath propagation”, IEEE J Select Areas Commun 5(2), 128–137, 1987 [14] A.F Molisch, J.R Foerster., M Pendergrass, “Channel models for ultra wideband personal area networks”, IEEE Pers Commun Mag 10, 14–21, 2003 [15] I Kovacs et al., “Enhanced UWB radio channel model for short range communication scenarios including user dynamics”, 14th IST Mobile and Wireless Communications Summit, 2005 [16] Donlan, B.M., McKinstry, D.R and Buehrer, R.M “The UWB indoor channel: Large and small scale modeling”, IEEE Trans on Wireless Commun., (10), 2863–73, 2006 [17] A.F Molisch, J.R Foerster., M Pendergrass, “Channel models for ultra wideband personal area networks”, IEEE Pers Commun Mag 10, 14–21, 2003 24 [18] A.F Molisch, K Balakrishnan, C.C Chong, D Cassioli, S Emami, A Fort, J Karedal, J Kunisch, H.Schantz, K Siwiak., M.Z Win, “A comprehensive model for ultra wideband propagation channels”, IEEE Trans Antennas Prop, 3151–3166, 2006 [19] A Alarifi, A Al-Salman, M Alsaleh, A Alnafessah, S Al-Hadhrami, M A AlAmmar, and H S Al-Khalifa, “Ultra wideband indoor positioning technologies: Analysis and recent advances,” Sensors, vol 16, no 5, p 707, 2016 [20] B Jachimczyk, D Dziak, and W J Kulesza, “Customization of uwb 3d-rtls based on the new uncertainty model of the aoa ranging technique,” Sensors, vol 17, no 2, 2017 ... đoạn định nghĩa vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2 Định nghĩa tín hiệu hệ thống vô tuyến băng siêu rộng UWB 1.2.1 Độ rộng băng tần phân đoạn Việc chấp nhận chung thuật ngữ băng siêu rộng UWB xuất... điển hình vơ tuyến UWB Định vị vơ tuyến băng siêu rộng UWB, cụ thể là: Ước lượng tham số định vị trí; Phương pháp ước lượng tham số định vị; Phương pháp định vị trí; Giao thức định vị Phân tích,... phương pháp định vị điển hình; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 1.1 Mở đầu Công nghệ vô tuyến băng siêu rộng UWB (Ultra-Wide