Tiểu luận kỹ thuật định vị trong uWB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TIỂU LUẬN TRUYỀN THÔNG BĂNG SIÊU RỘNG Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG QUANG HIẾU Học viên: Chương I: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 2.1 Giới thiệu 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 cơng nghệ có khả định vị xác định khoảng cách xác mạng cảm biến không 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 Để ước tính vị trí nút (được gọi nút đích) mạng vơ tuyến, cần phải trao đổi tín hiệu nút đích nhiều nút tham chiếu Việc ước tính vị trí thực theo hai phương thức là: (i) phương thức trực tiếp từ tín hiệu (được gọi định vị trực tiếp); (ii) phương thức hai bước, trước hết tham số đặc trưng cho định vị trí tách từ tín hiệu thu, sau thực ước tính vị trí dựa vào tham số Mặc dù phương thức hai bước cận tối ưu phức tạp phương thức trực tiếp Hơn nữa, tỷ số tín hiệu tạp âm SNR và/hoặc độ rộng băng tần tín hiệu đủ lớn hiệu hai phương thức gần Do đó, phương thức thứ hai thường chấp nhận hầu hết hệ thống thực tế Vì vậy, chương tập trung trình bày phương thức thứ hai Muốn vậy, trước hết ước tính tham số tín hiệu thu liên quan đến việc định vị như: cường độ điện trường tín hiệu thu RSS; thời gian đến TOA; hướng góc đến AOA, sau thực ước tính vị trí dựa vào tham số 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, 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 Ước tính khoảng cách xác định việc tính tốn khoảng cách từ nút đích đến nút tham chiếu Nút tham chiếu muốn có thơng tin khoảng cách nút đích mạng cách thiết lập kết nối truyền thông ngang hàng (peerto-peer) tới nút đích Liên kết sử dụng để ước lượng giá trị tham số mà dùng nút tham chiếu cho việc ước tính khoảng cách từ tới nút đích Các tham số có dựa việc ước lượng giá trị suy hao kênh trễ truyền sóng y y N3 N2 POS(N ) POS N2 (N ) POS(N ) N2 N3 N1 POS N2 (N1 ) POS(N1 ) N1 x a) x b) Hình 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối Định vị theo nút trung tâm xác định việc tính tốn vị trí tập nút đích nút tham chiếu Định vị theo nút trung tâm có dựa kết nối ngang hàng, cho thông tin góc khoảng cách nút đích khả đạt nút tham chiếu Ta lưu ý rằng, nút đóng vai trò nút tham chiếu tính tốn vị trí nút khác theo hệ tham chiếu riêng Hình 2.1a minh họa phương pháp định vị theo nút trung tâm với hai nút tham chiếu khác Trong đó, N2 nút tham chiếu thông tin định vị theo nút trung tâm tới nút đích N1 N3 ký hiệu POS N2 ( N1 ) POS N2 ( N3 ) Định vị tương đối dùng để việc tính tốn vị trí tập nút hệ tọa độ chung Điểm khác với việc định vị theo nút trung tâm tất nút chia sẻ hệ tham chiếu nút liên kết với tập tọa độ Việc chấp nhận chia sẻ chung hệ trục tọa độ tất nút cần phải tổ chức tập nút thành mạng, cho phép trao đổi thông tin với nhau, theo số nguyên tắc thiết lập thuật toán dành riêng cho việc lựa chọn hệ trục tọa độ chung việc biên dịch hệ trục tọa độ nút Hình 2.1b minh họa việc định vị tương đối, hệ tọa độ tham chiếu trung tâm N1 Gốc hệ trục tọa độ tham chiếu chọn khơng trùng với vị trí nút mạng Tuy nhiên, phần lớn trường hợp, hệ trục tọa độ tham chiếu lấy từ hệ trục tọa độ nút trung tâm Ví hình 2.1b, hệ trục tọa độ tham chiếu trùng với hệ trục tọa độ theo nút trung tâm nút N1 với POS(N1 )  (0,0) Giao thức để lựa chọn hệ trục tọa độ tham chiếu trình bày phần sau Trường hợp đặc biệt phương pháp định vị tương việc chấp nhận hệ trục tọa độ tham chiếu trùng với hệ trục tọa độ toàn cầu với tọa độ thể vĩ độ kinh độ Giải pháp đặc biệt gọi định vị tuyệt đối (hay định vị địa lý) tọa độ gắn với nút toàn cầu Cả hai phương pháp định vị theo nút trung tâm định vị tương đối cần có thủ tục ưu tiên để lấy lại khoảng cách Mức độ xác việc ước tính khoảng cách ảnh hưởng đến tính xác thành định vị Kỹ thuật ước tính khoảng cách phải lựa chọn phù hợp với yêu cầu lớp ứng dụng 2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị Việc xác định khoảng cách việc ước tính khoảng cách d máy phát máy thu Nếu tín hiệu phát s (t ) , tín hiệu thu tương ứng cho [9]: r (t )  h(t )  s (t )  n(t) (2.1) h (t) đáp ứng xung kim kênh n (t) tạp âm nhiệt Tại đây, luận văn coi tín hiệu truyền qua kênh lý tưởng có đáp ứng xung cho bởi: h(t )  a ( d ).  t  ( d ) (2.2) 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 cơng 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 Trong hệ thống UWB, ảnh hưởng đa đường giảm đáng kể cách lấy tổng công suất tất thành phần đa đường Nói cách khác, q trình tính cơng suất trung bình mà thời gian tính tích phân T đủ lâu (để chứa tất thành phần đa đường có tín hiệu thu r(t)), giảm ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp, công suất trung bình là: Tuy nhiên, ảnh hưởng che chắn thường có cơng suất tín hiệu thu P d , mơ hình hóa biến ngẫu nhiên phân bố log-normal Nói cách khác, cơng suất tín hiệu thu theo đơn vị dB mơ hình hóa biến ngẫu nhiên phân bố Gausơ có trung bình cho (2.4) phương sai sh2 , nghĩa là:   10lg P d  ~ N P d ,sh2 (2.6) Ta lưu ý rằng, mơ hình dùng mơi trường truyền sóng trực xạ LOS mơi trường truyền sóng khơng trực xạ NLOS ta chọn tham số kênh cách phù hợp d N1 N1 d N2 a) b) N2 Vùng bất định Hình 2: Minh họa ước tính khoảng cách dựa vào RSS khi: a) khơng có sai số (chính xác); b) có sai số, khoảng cách nhận có độ bất định biểu thị vùng màu xám Từ mơ hình cơng suất tín hiệu thu cho phương trình (2.6), ta có giới hạn Cramer-Rao (CRLB, Cramer–Rao lower bound) ước tính khoảng cách chệch không chệch chương 1) Từ biểu thức (2.7) cho thấy, mức độ xác ước tính khoảng cách dựa vào cường độ trường tín hiệu thu RSS phụ thuộc vào ba tham số sh ; n; d, cụ thể là: (i) giới hạn tăng (tính xác ước tính khoảng cách giảm) độ lệch chuẩn che chắn tăng, mức độ thay đổi cường độ trường tín hiệu thu RSS quanh cơng suất trung bình nhiều hơn; (ii) số mũ tổn hao cơng suất lớn mức độ xác ước tính xác cơng suất trung bình trở nên nhạy cảm với khoảng cách n lớn; (iii) mức độ xác ước tính khoảng cách giảm khoảng cách nút tăng lên Hay nói cách khác, giới hạn tăng tuyến tính (tỷ lệ thuận) theo khoảng cách độ lệch chuẩn che chắn tỷ lệ nghịch với số mũ tổn hao cơng suất Nói cách khác, mức độ xác kết ước tính khoảng cách phụ thuộc vào tham số đặc trưng mơi trường truyền sóng Nhược điểm: 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 theo phương pháp cường độ trường tín hiệu thu RSS 2.3.2 Phương pháp góc đến AOA Phương pháp RSS cung cấp thơng tin khoảng cách hai nút, phương pháp AOA cung cấp thơng tin hướng tín hiệu đến, hay góc hai nút Thơng thường dùng dàn anten để đo góc tới tín hiệu Ta có thơng tin góc tín hiệu thu cách đo khác thời điểm đến tín hiệu phần tử dàn anten Hình 2.3minh họa ước tính AOA dàn anten, khoảng cách nút phát nút thu đủ lớn, tín hiệu đến mơ hình hóa mặt sóng phẳng Kết là, thời điểm đến phần tử liền kề dàn anten lệch sin  c giây, khoảng cách phần tử dàn anten,  góc đến AOA, c vận tốc ánh sáng Vì vậy, việc ước tính khác thời điểm đến cho ta thơng tin góc Hình 3: 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 Với tín hiệu băng hẹp, khác thời điểm đến biểu diễn dịch pha Theo đó, kết hợp phiên dịch pha tín hiệu thu phần tử dàn anten kiểm tra góc khác để ước tính hướng tín hiệu đến Tuy nhiên, với tín hiệu UWB (thời gian xung tín hiệu UWB nhỏ), ta phải xét phiên trễ thời gian tín hiệu thu, lẽ giá trị trễ thời gian không biểu diễn giá trị pha Để có giới hạn theo lý thuyết mức độ xác phép đo AOA, xem xét chuỗi gồm Na phần tử anten Ta ký hiệu ri t  tín hiệu thu phần tử thứ i biểu diễn bởi: ri t   a.s t   i  ni t , i  1, Na (2.8) đó: s t  tín hiệu phát; a hệ số kênh; i trễ tín hiệu đến i ; ni t  tạp âm Gausơ trắng cộng có trung bình khơng phần tử anten thứ mật độ phổ N0 Trễ i biểu diễn sau: i d  c đó: i    i sin c (2.9)  Na 1  i  , i 1, , Na ; d khoảng cách máy phát trung   tâm dàn anten thu Khi thành phần tạp âm phần tử dàn anten độc lập, giới  (ta lưu ý rằng, ˆ ước tính  , hạn CRLB ước tính góc Varˆ phương sai ˆ ) cho bởi: 6c N0 Var ˆ    (2.10)  a E N a Na 1 cos2 E biểu trưng cho lượng đạo hàm bậc tín hiệu phát s t  , nghĩa là:  E    s 't  dt (2.11)  Áp dụng quan hệ Parseval ta giá trị giới hạn CRLB: 3c Var ˆ   (2.12)  SN 2 R  N a Na 1 cos đó: SNR  a2E N0 tỷ số tín hiệu tạp âm phần tử dàn anten; E lượng tín hiệu phát s t  ;  độ rộng băng tần hiệu dụng tín hiệu s t  định nghĩa sau:   E     f2 Sf df  1   (2.13) với S  f  biến đổi Fourier s t  Từ biểu thức (2.12), ta thấy tăng SNR, tăng băng tần hiệu dụng, tăng khoảng cách phần tử dàn anten, tăng số phần tử anten nâng cao (cải thiện) tính xác ước tính góc đến AOA Vì vậy, tín hiệu UWB có độ rộng băng tần lớn dễ dàng có kết đo xác góc đến, khả trội UWB việc định vị Ta lưu ý rằng, dàn anten loại tuyến tính đồng khoảng cách phần tử dàn anten (ULA) hình 2.3 khơng thể phát xác góc tín hiệu đến góc tù mà phát xác góc nhọn 2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA Ta cần nhớ lại rằng, kỹ thuật RSS dựa vào việc phát tín hiệu mức công suất tham chiếu, mức công suất biết phía thu Máy thu đo đánh giá cơng suất tín hiệu thu rút khoảng cách từ suy hao công suất đo Do quan hệ suy hao khoảng cách phụ thuộc vào tính cách kênh truyền sóng, nên cần có mơ hình truyền sóng xác để việc ước tính khoảng cách tin cậy Tính di động thiết bị đầu cuối thay đổi ngẫu nhiên tính cách kênh thực thách thức lớn Sai số phát sinh ước lượng RSS hạn chế phần cứng thiết bị Đặc biệt là, máy phát phải phát xạ xác ổn định mức công suất tham chiếu Sự khác biệt công suất phát thực tế công suất tham chiếu phản ánh độ lệch có tính hệ thống Tóm lại, ước tính khoảng cách dựa vào RSS khơng phải phương pháp xác cao, việc chấp nhận hạn chế cho ứng dụng xác định khoảng cách cách sơ 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 hốn đổi cho Kết ước tính thời điểm đến tín hiệu TOA cho ta thơng tin khoảng cách hai nút cách ước tính thời gian truyền tín hiệu từ nút đến nút khác Theo đó, việc ước tính thời điểm tín hiệu đến TOA nút cung cấp vùng bất định minh họa hình 2.2b phương pháp ước tính khoảng cách dựa vào RSS Để tránh không rõ ràng (mức độ sai số) ước tính b) Ước lượng TDOA xác định đường hyperbol b) Minh họa ước lượng lai ghép TOA/AOA mà nút đích thơng qua có tiêu cự nút tham chiếu Hình 7: a) Ước lượng TDOA xác định đường hyperbol mà nút đích thơng qua có tiêu cự nút tham chiếu; b) Minh họa ước lượng lai ghép TOA/AOA Cách để có ước tính TDOA thực ước tính TOA nút tham chiếu tính tốn sai khác hai ước tính Cụ thể là, tín hiệu thu cho r1(t) r2(t) phương trình (2.14), 1 ước tính từ r1(t) 2 ước tính từ r2(t) Do nút đích nút tham chiếu không đồng bộ, nên ước tính TOA nút tham chiếu chứa thêm khoảng thời gian dịch thời Cũng nút tham chiếu đồng với nên khoảng thời gian dịch thời nút tham chiếu Vì vậy, vi sai thời điểm đến là: ˆ  TDOA ˆ ˆ =  2 (2.20) đó: ˆ1 ước tính TOA 1 nút tham chiếu thứ nhất; ˆ2 ước tính TOA 2 nút tham chiếu thứ hai Như xét trên, mức độ xác ước tính TOA tăng tỷ lệ thuận với độ rộng băng tần SNR Kết luận trường hợp ước tính TDOA Cách khác để có ước tính TDOA thực tính tương quan chéo tín hiệu r ( t) với tín hiệu r ( t) , tính tốn trễ giá trị tương quan chéo lớn Hàm tương quan chéo biểu diễn sau:  ( ) = T1 T r (t )r (t  )dt 1,2 cho bởi: T (2.21) khoảng thời gian quan sát ước tính vi sai thời gian đến TDOA ˆTDOA  arg max 1,2  (2.22) Mặc dù ước tính TDOA dựa vào tương quan chéo theo (2.22) hoạt động tốt mơ hình kênh tạp âm trắng đơn đường (đặc trưng phương trình (2.14)), hiệu bị suy giảm đáng kể môi trường kênh đa đường và/hoặc tạp âm màu Để cải thiện hiệu sơ đồ tương quan chéo, luận văn sử dụng kỹ thuật tương quan chéo tổng quát (GCC) Trong ước tính TDOA dựa vào GCC, thực tương quan chéo phiên tín hiệu thu sau lọc, tương ứng với định dạng mật độ phổ công suất chéo PSD-chéo tín hiệu Tồn số hàm định dạng để cải thiện hiệu 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 thông 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) Một kiểu ước tính khác bao gồm ước tính lý lịch trễ cơng suất đa đường PDP đáp ứng xung kim CIR tương ứng với tín hiệu thu So với tham số liên quan góc khoảng cách trình bày trên, PDP CIR chứa nhiều thơng tin vị trí nút đích Tuy nhiên để trích thơng tin liên quan vị trí từ kết ước tính này, cần có hàm hồi quy/ánh xạ, thường có sở liệu (database) chứa số liệu đo PDP (hoặc CIR) Vì vậy, thuật tốn thường tận dụng số liệu đo PDP CIR để thực giai đoạn luyện (train) nhằm có hàm ánh xạ từ sở liệu trước bắt đầu thực ước tính vị trí thực tế Tương tự phương pháp PDP, ước tính lý lịch cơng suất góc đa đường tận dụng nút có dàn anten Lưu ý lý lịch cơng suất góc lý lịch công suất trễ PDP (hoặc CIR) làm tăng tính phức tạp giai đoạn ước tính tham số liên quan đến vị trí so với phương pháp RSS, AOA TOA kinh điển, cần phải ước tính nhiều tham số liên quan Tuy nhiên, kết đo dễ dàng ước tính vị trí xác mơi trường đặc thù có tính thách thức 2.4 Phương pháp định vị trí Kỹ thuật ước tính vị trí chia thành hai nhóm tùy vào hữu sở liệu chứa số liệu đo vị trí cụ thể Kỹ thuật dùng sở liệu thường đạt giai đoạn luyện (training), giai đoạn không trực tuyến trước bắt đầu định vị thời gian thực, gọi kỹ thuật ánh xạ Các kỹ thuật khác không tận dụng sở liệu thường dùng kỹ thuật hình học thống kê để ước tính vị trí dùng ước tính tham số từ bước thứ Như trình lọc phần mở đầu chương, luận văn tập chung xét phương thức hai bước Dưới luận văn trình lọc giai đoạn hai (bước hai) phương thức Sau ước tính tập tham số liên quan đến định vị từ tín hiệu thu kỹ thuật xét Bước ước tính vị trí từ tập tham số Phương pháp ước lượng định khoảng cách cung cấp ước tính khoảng cách cặp hai nút mạng Mỗi nút đích Ni biết khoảng cách đến tất nút khác Trong số nút này, đích Ni chọn tham chiếu ( N i , Nk ) để tạo thành hệ tham chiếu, tiến hành ước tính vị trí nó, mơ tả 2.4.1 Định vị trí cầu Trong trường hợp lý tưởng, ước tính khoảng cách khơng sai số, kỹ thuật định vị trí cầu hay định vị trí dựa vào TOA giải pháp khả dụng Ở đây, dựa vào việc quan sát chúng không gian chiều ( x , y , z) , khoảng cách (N ) RANG N kính d j nút đích N nút tham chiếu N i i j (N ) tâm N , vị trí nút đích N ( x , y , z ) = POS (N = RANG ji xác định hình cầu bán Nj i j xác định điểm giao i iii ) i k hình cầu bán kính ( d1i , , dki ) có tâm nút tham chiếu (N i , Nk ) Do cần có giao điểm hình cầu để xác định điểm khơng gian ba chiều, nên cần có nút tham chiếu q trình định vị khơng gian ba chiều Chú ý rằng, không cần thiết đưa thêm nút tham chiếu để tính tốn vị trí việc ước tính khoảng cách hồn hảo, lại làm rõ việc cải thiện hiệu trường hợp khơng hồn hảo mà luận văn phân tích sau Giao điểm k mặt cầu tính cách giải hệ phương trình sau: Cách làm tương tự cho không gian hai chiều ( x , y) , hay mặt phẳng Trong trường hợp này, vị trí nút Ni (xi , yi ) = POS (Ni ) xác định giao điểm ba đường tròn tính cách giải hệ phương trình: Hình 8: 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 Ni tất nút tham chiếu, nghĩa là, ta đạt ước tính khoảng cách lý tưởng Đáng tiếc, trường hợp nhiều tình thực tế, đồng chỉnh trôi 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 2.4.2 Định vị trí hyperbolic Kỹ thuật định vị trí hyperbolic, coi kỹ thuật vi sai thời gian đến TDOA (Time Different Of Arrval), xác định vị trí nút đích Ni dựa vào khác thời điểm đến từ k nút tham chiếu nút đích Ni Ta giả sử rằng, k điểm tham chiếu chia sẻ tham chiếu định thời chung xung nhịp đồng hồ nút Ni bị trễ khoảng thời gian  so với tham chiếu định thời chung Vấn đề then chốt là, hiệu số thời điểm đến nút tham chiếu khác loại bỏ trễ  Điều thấy rõ ta quan sát cặp đầu cuối tham chiếu ( N n , Nn1 ) : d d ni ( n 1) i  c   ni     c   ( n 1)i   c   ni ( n 1)i  (2.25) Tiếp đó, vị trí nút đích Ni khơng gian ba chiều xác định giao điểm hyperboloid không gian, mô tả biểu thức sau: Hình 2.9 minh họa việc định vị hyperbolic không gian hai chiều y N2 N3 N1 Ni x Hình 9: Minh họa định vị hyperbolic nút Ni không gian hai chiều với nút tham chiếu N1, N2 N3 Việc định vị trí hyperbolic u 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 Các kỹ thuật định vị cầu hyperbolic yêu cầu thông tin khoảng cách không bị sai số để cung cấp cho giải pháp Tuy nhiên, sáng tỏ chương thực tính tốn mơ phỏng, tạp âm nhiệt gây sai số ước tính khoảng cách, dẫn đến kết ước tính khoảng cách nút khơng lý tưởng Trong trường hợp này, khơng tồn nghiệm hệ phương trình (2.23) (2.26) minh họa hình 2.10 Hình 10: Minh họa ảnh hưởng sai số đo khoảng cách lên định vị cầu nút Ni không gian hai chiều với nút tham chiếu N1, N2, N3 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, MƠ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ĐIỂN HÌNH TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG UWB 3.1 Giới thiệu 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, 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 mô Cụ thể, chương thực hiện: Mơ hình kịch mơ phỏng; xem xét sai số, nhân tố ảnh hưởng tính xác định vị; Phân tích, mơ phỏng, đánh giá hiệu số phương pháp định vị điển hình; Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách; Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA; Tính tốn biểu diễn tính xác việc ước tính thời điểm đến TOA; Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị 3.2 Mơ hình kịch mơ Mơ hình mô cho việc định vị hệ thống truyền thơng 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 chuỗi 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 Cụ thể, theo định nghĩa băng siêu rộng UWB FCC 2002 [d], tín hiệu coi tín hiệu băng siêu rộng UWB độ rộng băng tần lớn 500 60 MHz tồn băng tần 7,5 GHz dải tần từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz Với MB-UWB, chia thành nhiều băng tần nhỏ, băng có độ rộng 500 MHz Dữ liệu người sử dụng truyền băng chu kỳ thời gian, cho hệ thống tránh nhiễu mà không cần phải dùng lọc cao tần Nhiều loại điều chế chấp nhận để điều chế liệu băng Theo phân tích nhóm cơng tác IEEE 802.15.TG3a, mơ hình điều chế sử dụng OFDM Máy phát UWB Máy thu UWB Thu xử lý tín hiệu UWB Tạo tín hiệu UWB Giải pháp ước tính định vị Kênh UWB: Các tham số kênh đặc trưng cho môi trường truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng Hình 1: Mơ hình mơ định vị truyền thơng vơ tuyến băng siêu rộng UWB  Tham số mô phỏng/Kịch mơ Với mục đích: (i)Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính khoảng cách; (ii)Tính tốn, mơ biểu diễn tính xác việc ước tính góc đến AOA; (iii)Tính tốn biểu diễn tính xác việc ước tính thời điểm đến TOA; (iv)Giải pháp điển hình để cải thiện tính xác định vị Các tham số kịch mô phỏng, sai số nhân tố ảnh hưởng tính xác định vị trình bày cụ thể phần 3.3 3.4 Chương trình mơ Matlab giới thiệu chi tiết Phụ lục 61 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 cụ thể sau: 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) Chức Đầu vào Thực tính tốn biểu diễn giới hạn độ lệch chuẩn ước tính khoảng cách dựa vào RSS theo biểu thức (2.7) Các đầu vào chương trình gồm ba tham số sh ; n; d Thiết trị cho tham số đặc trưng này: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Đầu Đầu chương trình ước tính khoảng cách theo biểu thức (2.7) Thiết trị cho tham số đặc trưng: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Bảng 1:Các tham số kênh mơi trường kênh truyền sóng UWB Mơ hình kênh Môi trường Số mũ suy Độ lệch chuẩn hao, 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 62 Prog 3.01 Chương trình thực tính tốn biểu diễn giới hạn độ lệch chuẩn ước tính khoảng cách dựa vào RSS theo biểu thức (2.7) Các đầu vào chương trình gồm ba tham số sh ; n; d Thiết trị cho tham số đặc trưng cho chương trình này: số mũ suy hao độ lệch chuẩn cho bảng 3.1 Đầu chương trình ước tính khoảng cách theo biểu thức (2.7) Kết là, hình 3.2 biểu diễn độ lệch chuẩn nhỏ (giới hạn dưới) ước ˆ tính khoảng cách d 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, mơi 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 2: Độ lệch chuẩn nhỏ ước tính khoảng cách dựa vào RSS cách mơ hình kênh khác 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 th communication scenarios including user dynamics”, 14 IST Mobile and Wireless Communications Summit, 2005 Phụ lục 1B MÃ CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG %======================================================================== %============================ 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; result_CRLB = [MSD1; MSD2; MSD3; MSD4]; AX = gca; set(AX,'fontsize',14); ... 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 Các kỹ thuật định vị cầu hyperbolic... tham chiếu, tiến hành ước tính vị trí nó, mơ tả 2.4.1 Định vị trí cầu Trong trường hợp lý tưởng, ước tính khoảng cách khơng sai số, kỹ thuật định vị trí cầu hay định vị trí dựa vào TOA giải pháp... ) N1 x a) x b) Hình 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối Định vị theo nút trung tâm xác định việc tính tốn vị trí tập nút đích nút tham chiếu Định vị theo nút trung tâm có dựa