Kết hợp phương pháp tdoa và toa cải thiện độ chính xác định vị thuê bao trong hệ thống wireless

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THẮNG KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TDOA VÀ TOA CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG WIRELESS CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mà SỐ NGÀNH : 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : GVC-TS HỒNG ĐÌNH CHIẾN Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 20 tháng 07 năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Y”Z Tp HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Nguyễn Ngọc Thắng Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 27/11/1979 Nơi sinh : Tp.Huế Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử MSHV : 01405324 Khoá (Năm trúng tuyển) : K2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TDOA VÀ TOA CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG WIRELESS 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu hai phương pháp định vị Wireless: TDOA TOA; phương pháp kết hợp để cải thiện độ xác định vị thuê bao di động - Thực mô Matlab đánh giá kết 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/02/2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05/07/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GVC-TS HỒNG ĐÌNH CHIẾN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chun Ngành thơng qua PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn bên cạnh nỗ lực thân cịn có giúp đỡ lớn nhiều người, em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Hồng Đình Chiến hết lịng dẫn, định hướng cho em suốt trình thực luận văn Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Điện - Điện tử tồn thể Thầy Cơ Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh truyền đạt kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu học tập, nghiên cứu từ năm đại học sau đại học Xin cảm ơn Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học giúp em hồn thành khóa học Con xin kính trọng gởi lịng biết ơn đến Ba Mẹ yêu thương, lo lắng tạo điều kiện tốt cho học tập Xin cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp, bạn diễn đàn Điện tử - Viễn thông trang web ttvnol.com giúp đỡ, động viên trình học tập sống Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2007 Nguyễn Ngọc Thắng ABSTRACT The problem of position determination of a mobile user in a wireless network has been studied in recent years, particularly in the context of military operations and emergency service in cellular networks There are a number of different radio frequency based techniques that can be used for wireless position location (PL) However, each method has limitations that prevent its adoption as a universal solution The Time-Difference-of-Arrival (TDOA) and the Time-of-Arrival (TOA) methods are the technology that can provide accurate PL information without necessitating excessive hardware or software changes to existing cellular infrastructure The TOA method works well when the mobile station (MS) is located close to the controlling base station The TDOA method performs better when the MS is located at a significant distance from the controlling base station However, under the Non-Line-of-Sight (NLOS) environmental condition, the performance of the TDOA method degenerates significantly This thesis investigates a data fusion model for enhanced accuracy of position estimates within wireless networks, that are able to merge independent estimates obtained from TDOA and TOA measurements TÓM TẮT Vấn đề định vị thuê bao di động hệ thống wireless nghiên cứu năm gần đây, đặc biệt hoạt động quân dịch vụ khẩn cấp Có nhiều phương pháp khác dựa tín hiệu tần số vơ tuyến sử dụng hệ thống định vị wireless Tuy nhiên, phương pháp có hạn chế định để chấp nhận giải pháp chung cho vấn đề định vị Phương pháp độ sai khác thời gian đến (TDOA) phương pháp thời gian đến (TOA) hai kỹ thuật cho thơng tin định vị cách xác mà khơng đòi hỏi thay đổi lớn phần cứng hay phần mềm sở hạ tầng mạng di động cellular Phương pháp TOA làm việc tốt thuê bao di động gần trạm gốc điều khiển Cịn phương pháp TDOA thực tốt thuê bao xa với khoảng cách đáng kể so với trạm gốc điều khiển Tuy nhiên điều kiện mơi trường khơng có tầm nhìn thẳng (NLOS) phương pháp TDOA bị suy biến cách đáng kể Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp định vị TDOA, TOA mơ hình kết hợp liệu nhằm cải thiện độ xác ước lượng vị trí thuê bao di động hệ thống mạng cellular, mà ta kết hợp vị trí ước lượng độc lập đạt từ phép đo TDOA TOA MỤC LỤC Chương I GIỚI THIỆU 1.1 Sự cần thiết định vị hệ thống Wireless 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2.1 Các phương pháp định vị phải thay đổi máy đầu cuối 1.2.2 Các phương pháp thay đổi máy đầu cuối .4 1.3 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu đề tài 1.3.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung phương pháp nghiên cứu 1.4.1 Nội dung nghiên cứu 1.4.2 Phương pháp nghiên cứu Chương II NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI THUẬT CỦA QUÁ TRÌNH ĐỊNH VỊ 10 2.1 Kỹ thuật TOA .10 2.1.1 Hiệu chỉnh phép đo điều kiện NLOS 13 2.1.2 Phương pháp chuỗi Taylor hệ thống định vị TOA .14 2.2 Kỹ thuật TDOA 16 2.2.1 Mơ hình tốn phương trình Hyperbol TDOA 20 2.2.2 Phương pháp chuỗi Taylor giải phương trình TDOA 22 2.2.3 Mơ hình tốn học giải phương trình TDOA dùng phương pháp Chan 23 2.2.4 Mơ hình tốn học giải phương trình TDOA dùng phương pháp Fang 24 2.3 Các phép đo độ xác ước lượng vị trí 25 2.3.1 Xác suất sai số vòng tròn .25 2.3.2 GDOP - Geométric Dilution of Precision 26 2.3.3 Sai số bình phương trung bình MSE 26 2.3.4 CRLB - Crámer-Rao Lower Bound .27 Chương III CÁC MƠ HÌNH KẾT HỢP DỮ LIỆU 28 3.1 Cơ sở mơ hình kết hợp liệu 28 3.2 Mơ hình kết hợp liệu ước lượng định vị .28 3.2.1 Sự kết hợp mức 29 3.2.2 Sự kết hợp mức ………………………………………………………… 30 3.2.3 Sự kết hợp mức ………………………………………………………… 31 Chương IV XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 33 4.1 Mơ hình tín hiệu thu trạm gốc BS…….…………………… … 33 4.1.1 Mơ hình tín hiệu TOA thu được……………………………………… ….33 4.1.2 Mơ hình tín hiệu TDOA thu được………………… ………………………35 4.2 Mơ hình suy hao đường truyền………………………… ………………… 37 4.3 Kênh truyền cộng nhiễu trắng có phân phối Gauss AWGN……………… …39 Chương V PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41 5.1 Mơ hình mơ 41 5.2 Đánh giá mô TOA .47 5.2.1 Ước lượng quỹ đạo mobile 47 5.2.2 Thực ước lượng để định vị MS 54 5.3 Đánh giá mô TDOA 55 5.3.1 Ước lượng quỹ đạo mobile 58 5.3.2 Thực ước lượng để định vị MS 63 5.4 Thực mơ hình kết hợp liệu việc định vị vị trí .70 5.5 Mơ hình liệu TDOA mở rộng giải thuật Wylie-Holtzman cho khoảng cách TDOA .78 5.5.1 Mơ hình liệu phép đo khoảng cách TDOA 78 5.5.2 Sửa sai phép đo TDOA bị lệch sai số NLOS 80 5.5.3 Thực mô hình kết hợp liệu trường hợp phép đo TDOA sửa sai .85 Chương VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .99 6.1 Tóm tắt kết đạt luận văn .99 6.2 Hướng phát triển đề tài 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Một số hàm tần số lọc ΨG ( f ) 20 Bảng 4.1 Giá trị hàm mũ suy hao n môi trường truyền khác 39 Bảng 5.1 Độ lệch chuẩn phép đo TOA(3BS) 51 Bảng 5.2 Độ lệch chuẩn phép đo TOA(4BS) 53 Bảng 5.3 Thực ước lượng TOA vị trí MS khác 55 Bảng 5.4 So sánh độ sai khác khoảng cách theo phương pháp GCC phương pháp trừ TOA SNR khác 56 Bảng 5.5 Độ lệch chuẩn phép đo TDOA(3BS) 60 Bảng 5.6 Độ lệch chuẩn phép đo TDOA(4BS) 62 Bảng 5.7 Thực ước lượng TDOA vị trí MS khác nhau(Taylor) .64 Bảng 5.8 Thực ước lượng TDOA vị trí MS khác nhau(Taylor, MS gần trạm điều khiển BS#1 65 Bảng 5.9 Thực ước lượng TDOA với giải thuật CHAN 67 Bảng 5.10 Thực ước lượng TDOA với giải thuật FANG 68 Bảng 5.11 Thực ước lượng TDOA dùng GCC với SNR=10dB 69 Bảng 5.12 Thực ước lượng TDOA dùng GCC với SNR=5dB 70 Bảng 5.13 Kết mơ hình kết hợp liệu trường hợp: (a) MS gần trạm điều khiển S#1 72 (b) MS gần trạm điều khiển BS#1 72 (c) MS gần biên cell 73 (d) MS xa tất BS 73 Bảng 5.14 Kết mơ hình kết hợp liệu vị trí MS (600, 900) .75 Bảng 5.15 Kết mơ hình kết hợp liệu vị trí MS (2000, 2000) 76 Bảng 5.16 Kết mô hình kết hợp liệu vị trí MS (150, 150) .77 Bảng 5.17 Độ lệch chuẩn phép đo khoảng cách TDOA từ đường làm trơn 84 Bảng 5.18 Thực ước lượng TDOA vị trí MS khác 85 Bảng 5.19 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (1000, 1000) (Unbiased) 87 Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.23 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (150, 150) Vị trí thực TDOA Estimator (150, 150) (150, 150) (150, 150) (x0, y0) Trung bình ước lượng ( xˆ , yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr TOA/TDOA 1stlevel Estimator TOA Estimator TOA/TDOA 2ndlevel Estimator (150, 150) Corrected (133, 61) (30, 185) (5, 116) (124, 72) Uncorrected - (28, 180) (-8, 123) (84, 125) Corrected (30, 42) (131, 92) (90, 76) (29, 38) Uncorrected - (131, 91) (97, 87) (50, 40) Corrected 91 123.8 149.4 82.2 Uncorrected - 125.4 160.1 70.1 Corrected 51.6 160.03 117.7 49.1 Uncorrected - 159.8 130.9 64.3 Choice Corrected ● (4th Level) Uncorrected ● Chương V: Thực & Đánh giá kết 91/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.24 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (10, 10) TOA Estimator TDOA Estimator TOA/TDOA 1stlevel Estimator TOA/TDOA 2ndlevel Estimator (10, 10) (10, 10) (10, 10) (10, 10) Corrected (8, -65) (5, 46) (-30, -60) (8, -56) Uncorrected - (-10, -7) (-32, -64) (-9, 23) Corrected (42, 26) (109, 128) (69, 112) (39, 26) Uncorrected - (104, 127) (69, 119) (23, 31) Corrected 75.3 36.8 81.5 66.5 Uncorrected - 26.5 85.7 23 Corrected 49.2 168.6 131.6 47.2 Uncorrected - 164.2 137.7 39.1 Vị trí thực (x0, y0) Trung bình ước lượng ( xˆ, yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr Choice Corrected ● Uncorrected ● th (4 Level) Các kết bảng 5.20 đến 5.24 dựa giả sử có BS#2 có NLOS với MS, tất trạm gốc khác có LOS với MS Trong bảng sau, ta xét trường hợp tất MS tham gia vào q trình định vị có NLOS với MS, Chương V: Thực & Đánh giá kết 92/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến kết ước lượng thấy điều kiện môi trường xấu để thực trình định vị Bảng 5.25 Quá trình kết hợp liệu vị trí MS (1000, 1000) tất BS có NLOS với MS Vị trí thực TOA Estimator TDOA Estimator (x0, y0) Trung bình ước lượng TOA/TDOA TOA/TDOA 1stlevel 2ndlevel Estimator Estimator (1000,1000) (1000,1000) (1000,1000) (1000,1000) Corrected (1114,1024) (901, 958) (1056,1006) (1115,1021) Uncorrected - (650, 723) (652, 755) (959, 1018) Corrected (70, 53) (251, 242) (248, 227) (67, 52) Uncorrected - (204, 197) (195, 191) (55, 33) Corrected 116.7 108 95.9 116.7 Uncorrected - 446.9 425.9 44.8 Corrected 87.7 348.3 336.1 85.1 Uncorrected - 283.7 273.04 64.8 ( xˆ, yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr Choice Corrected ● Uncorrected ● th (4 Level) Chương V: Thực & Đánh giá kết 93/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.26 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (600, 2500) tất BS có NLOS với MS Vị trí thực TOA/TDOA 1stlevel Estimator TOA/TDOA 2ndlevel Estimator (600,2500) (600,2500) (600,2500) (600,2500) (664,2517) (566,2399) (647,2530) (664,2522) TOA Estimator TDOA Estimator (x0, y0) Trung bình ước lượng ( xˆ, yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr Corrected Uncorrected - (388,2164) (488,2227) (709,2573) Corrected (71, 53) (326, 174) (324, 167) (69, 50) Uncorrected - (278, 182) (254, 171) (39, 28) Corrected 65.9 107 55.3 68.1 Uncorrected - 397.2 295.3 131.4 Corrected 88.4 369.9 364 85.95 Uncorrected - 332.5 305.9 47.9 Choice Corrected ● (4th Level) Uncorrected ● Chương V: Thực & Đánh giá kết 94/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.27 Quá trình kết hợp liệu vị trí MS (2000, 2000) tất BS có NLOS với MS Vị trí thực TOA Estimator TDOA Estimator TOA/TDOA TOA/TDOA 1stlevel 2ndlevel Estimator Estimator (x0, y0) Trung bình ước lượng Corrected (2000,2000) (2000,2000) (2000,2000) (2000,2000) (2056,2043) (1930,1992) (1962,1979) (2053,2042) Uncorrected - (1567,1703) (1595,1743) (2075,2077) Corrected (46, 38) (304, 219) (291, 209) (45, 38) Uncorrected - (293, 199) (277, 187) (38, 24) Corrected 70.8 70.6 43.5 67.3 Uncorrected - 525.04 479.9 107.4 Corrected 59.7 375.04 358.4 58.95 Uncorrected - 354.08 334.03 44.7 ( xˆ, yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr Choice Corrected ● (4th Level) Uncorrected ● Chương V: Thực & Đánh giá kết 95/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.28 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (150, 150) tất BS có NLOS với MS Vị trí thực (x0, y0) Trung bình ước lượng ( xˆ, yˆ ) Độ lệch chuẩn ước lượng (σx,σy) Độ lệch khoảng cách,R Độ lệch chuẩn khoảng cách, σr Choice (4th Level) Corrected TOA/TDOA 1stlevel Estimator TOA/TDOA 2ndlevel Estimator (150, 150) (150, 150) (150, 150) (150, 150) (205, 189) (248, 203) (173, 123) (208, 190) TOA Estimator TDOA Estimator Uncorrected - (301, 179) (268, 167) (219, 195) Corrected (43, 49) (160, 170) (161, 171) (42, 47) Uncorrected - (192, 176) (181, 153) (45, 43) Corrected 67.7 111.6 35.2 70.8 Uncorrected - 154.7 119.1 82.5 Corrected 65.5 233.8 234.9 63.05 Uncorrected - 260.07 237.1 62.2 Corrected ● Uncorrected ● Kết lần cho thấy phương pháp sửa sai đưa áp dụng để cải thiện vị trí ước lượng điều kiện mơi trường khó khăn cho việc định vị Ta thấy số trường hợp MS bên ngồi bán kính 500 met BS điều khiển kết bảng trên, trình kết hợp mức hai có độ lệch khoảng cách nhỏ kết ngõ ước lượng TDOA lại chọn ước lượng tốt MS nằm ngồi bán kính 500 met trạm gốc điều khiển Do điều lần cần phải xem Chương V: Thực & Đánh giá kết 96/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến xét lại việc định ước lượng tối ưu mơ hình cấu trúc kết hợp liệu Trong luận văn ta khơng tập trung vào việc tìm ước lượng tối ưu mơ hình kết hợp liệu Những nghiên cứu sau thực để tìm giải pháp cho tối ưu cho trình Các bảng 5.29 đến 5.31 thực cấu trúc kết hợp liệu liệu TDOA tạo cách dùng phương pháp tương quan chéo GCC sử dụng mơ hình kênh truyền chương IV Trong hệ thống CDMA, việc điều khiển công suất tự động sử dụng, điều khiển phát MS phát mức công suất cao MS xa trạm điều khiển BS#1 Như giả sử phần đầu chương V, mức công suất tổng người dùng anten thu trạm gốc điều khiển nhau, giả sử trạm gốc điều khiển ln trì mức SNR 10 dB tất người sử dụng bên cell Đây lý mà ước lượng TDOA hiệu mạng CDMA MS di chuyển so với trạm điều khiển mơ hình kết hợp liệu có triển vọng thực tốt hệ thống CDMA Bảng 5.29 Quá trình kết hợp liệu vị trí MS (2000, 2000) dùng phương pháp GCC TDOA với SNR =10dB Vị trí thực (x0, y0) Est Mean ( xˆ, yˆ ) TOA Estimator TDOA Estimator TOA/TDOA TOA/TDOA 1stlevel 2ndlevel Estimator Estimator (2000,2000) (2000,2000) (2000,2000) (2000,2000) (2028,1961) (2004,2003) (1911,1923) (2009,1994) Est Range Bias, R 47.5 4.3 117.4 10.2 Est Range Std Dev.σr 74.8 38.4 64.7 34.2 Choice (4th Level) Chương V: Thực & Đánh giá kết ● 97/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến Bảng 5.30 Q trình kết hợp liệu vị trí MS (600, 2500) dùng phương pháp GCC TDOA với SNR =10dB TOA/TDOA TOA/TDOA 2ndlevel 1stlevel Estimator Estimator TOA Estimator TDOA Estimator (600, 2500) (600, 2500) (600,2500) (600,2500) Est Mean ( xˆ, yˆ ) (613, 2470) (604, 2490) (579, 2454) (605, 2486) Est Range Bias, R 32.9 11.1 50.5 14.8 Est Range Std Dev.σr 86.9 39.1 57.1 35.7 Vị trí thực (x0, y0) Choice (4th Level) ● Bảng 5.31 Quá trình kết hợp liệu vị trí MS (600, 900) dùng phương pháp GCC TDOA với SNR =10dB TOA/TDOA TOA/TDOA 2ndlevel 1stlevel Estimator Estimator TOA Estimator TDOA Estimator (600, 900) (600, 900) (600, 900) (600, 900) Est Mean ( xˆ, yˆ ) (619, 817) (611, 901) (604, 852) (614, 869) Est Range Bias, R 85.2 11.3 48.5 34.2 Est Range Std Dev.σr 85.6 67.1 63.4 52.8 Vị trí thực (x0, y0) Choice (4th Level) Chương V: Thực & Đánh giá kết ● 98/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến CHƯƠNG VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Tóm tắt kết đạt luận văn : Việc ước lượng vị trí thuê bao mạng điện thoại di động ngày trở nên quan trọng, đặc biệt cần thiết trường hợp khẩn cấp cấp cứu, cứu hỏa… hay trường hợp cần hỗ trợ đường xa lộ vắng mà xe bị hỏng hóc… Ủy ban Viễn thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) đưa quy định mà nhà cung cấp dịch vụ phải tuân theo đưa dịch vụ định vị thuê bao khẩn cấp Do vậy, việc nâng cao độ xác ước lượng vị trí khơng để giúp cho nhà cung cấp dịch vụ đáp ứng quy định FCC mà cịn tiêu chí so sánh cho nhà cung cấp đưa dịch vụ Luận văn dựa phương pháp định vị mà thay đổi diễn hệ thống mạng MSC hay BSS, nhằm đưa phương pháp để thực phép đo ước lượng hệ thống mà thay đổi nhiều phần cứng hay phần mềm sở hạ tầng mạng cellular Trong tiêu chuẩn chỉnh sửa cho độ xác giai đoạn hai (PhaseII), FCC quy định phương pháp dựa thay đổi hệ thống mạng việc định vị thuê bao phải đạt độ xác 100 mét 67% tất gọi 300 mét 95% tất gọi Mục đích luận văn tìm hiểu phát triển kỹ thuật định vị để đáp ứng quy định Chương I tóm tắt kỹ thuật định vị phải thay đổi máy đầu cuối kỹ thuật không thay đổi máy đầu cuối Các kỹ thuật TOA TDOA không thay đổi máy đầu cuối xem xét giải pháp hấp dẫn thực với thay đổi nhỏ phần cứng phần mềm mạng Chương II giới thiệu giải thuật TDOA TOA cách độc lập Cốt lõi phần dựa kết nghiên cứu Silventoinen Rantalainen [18], theo vấn đề NLOS nguồn gốc chủ yếu sai số phép đo TOA Sai số NLOS cộng độ lệch dương vào phép đo cần loại bỏ để có Chương VI: Kết luận & Hướng phát triển 99/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến độ xác chấp nhận Giải thuật Wylie-Holtzman [11] đưa phương pháp để loại trừ nhiễu NLOS phép đo Theo đó, xác định có tồn NLOS phép đo TOA giải thuật WylieHoltzman dùng để loại bỏ độ lệch, sau phép đo sửa sai đưa vào ước lượng TOA Phương pháp bình phương tối thiểu chuỗi Taylor sử dụng cho hai ước lượng TDOA TOA để ước lượng vị trí MS Phương pháp khai triển Taylor dùng để tuyến tính hóa phương trình phi tuyến theo khoảng cách đạt phép đo theo GCC Các phép đo khoảng cách TDOA tính phương pháp tương quan chéo GCC Hai trạm gốc thu tín hiệu từ MS hai tín hiệu tính tương quan để xác định độ sai khác thời gian đến TDOA Để đo độ xác vị trí ước lượng, sai số vị trí RMS ước lượng sử dụng Chương III giới thiệu cấu trúc kết hợp liệu ước lượng vị trí đưa Kleine-Ostmann Bell [2] Mơ hình kết hợp liệu thô TOA TDOA mức kết hợp thứ nhất, liệu TOA chuyển thành liệu TDOA tương ứng trước kết hợp Kết hợp mức hai sử dụng kết luận thống kê Bayes để đưa ước lượng vị trí có độ xác cải thiện Quá trình mức chọn ước lượng tốt phương pháp: (1) dựa TOA, (2) dựa TDOA, (3) kết hợp mức TOA/TDOA, (4) kết hợp mức hai TOA/TDOA Chương IV bao gồm mơ hình thu tín hiệu nhận trạm gốc, mơ hình mát đường truyền mơ hình kênh truyền cộng nhiễu trắng, có phân phối Gauss Chương V trình bày kết mơ ước lượng TOA, ước lượng TDOA phương pháp kết hợp liệu Ở ước lượng TOA dù có hay khơng có ảnh hưởng nhiễu NLOS, ngồi sai số phép đo chuẩn, ln cho kết ổn định Tuy nhiên ước lượng TDOA trường hợp có nhiễu NLOS, khoảng cách TDOA đạt cách trừ hai giá trị TOA, cho kết có độ ổn định chưa cao, lần chạy khác đôi lúc cho kết khác Điều cải thiện cách dùng phương pháp tương quan chéo GCC để tính khoảng cách TDOA Luận văn phát triển mơ hình liệu cho phép đo khoảng Chương VI: Kết luận & Hướng phát triển 100/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến cách TDOA dựa mơ hình Wylie Holtzman phép đo TOA đưa phương pháp sửa sai cho phép đo TDOA bị ảnh hưởng nhiễu NLOS, qua vị trí ước lượng MS cải thiện cách đáng kể so với không thực sửa sai phép đo Luận văn thực mơ hình kết hợp liệu KlieneOstmann Bell [2] cho trường hợp phép đo TDOA không sửa sai trường hợp phép đo TDOA sửa sai NLOS Theo [2], việc định để chọn ước lượng tốt dựa ước lượng vị trí phương pháp TOA phương sai lượng Nếu ước lượng trung bình TOA MS bên bán kính 500 met quanh trạm gốc điều khiển ước lượng TDOA bỏ qua chọn ước lượng lại ước lượng có phương sai nhỏ xem ước lượng tốt Nếu ước lượng TOA MS bên ngồi bán kính 500 met quanh trạm gốc điều khiển ước lượng TDOA chọn ước lượng tốt Các kết mô luận văn hầu hết tuân theo tiêu chuẩn định này, nhiên có nhiều trường hợp khơng thỏa mãn tiêu chuẩn Ví dụ bảng 5.27, độ lệch khoảng cách kết hợp mức nhỏ (43.5met) ước lượng TDOA chọn ước lượng tốt Do ta đưa kết luận mơ hình cấu trúc kết hợp liệu thực cải thiện độ xác hệ thống định vị Wireless tiêu chuẩn định chưa thực tối ưu cần sửa đổi cho phù hợp Các kết mô đạt đề tài phương pháp TOA, TDOA đặc biệt phương pháp dùng cấu trúc kết hợp liệu có độ xác thỏa mãn quy định FCC đưa 6.2 Hướng phát triển đề tài: Mặc dù kết mô đề tài cho thấy hai kỹ thuật TOA TDOA thích hợp hệ thống định vị khẩn cấp, nhiên giải thuật cần phải kiểm tra điều kiện thực tế Dữ liệu TOA TDOA cần ghi lại điều kiện địa hình khác để kết thống kê đánh giá cách xác Việc sửa sai NLOS phép đo TDOA cải thiện độ xác vị trí ước lượng Tuy nhiên độ xác cải thiện chưa cao ước Chương VI: Kết luận & Hướng phát triển 101/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hoàng Đình Chiến lượng TDOA MS bên ngồi đường trịn bán kính 500 met so với trạm gốc chưa phải ước lượng tốt trường hợp có sai số phép đo chuẩn Do cần có nghiên cứu để đưa phương pháp tối ưu việc loại trừ ảnh hưởng nhiễu NLOS phép đo TDOA Trong luận văn thời gian có hạn nên đề cập đến hai loại nhiễu có ảnh hưởng đáng kể phương pháp TOA TDOA sai số phép đo chuẩn nhiễu NLOS, nhiễu có phân phối Gauss có trung bình phương sai giới hạn nhiễu khác nhau; nghiên cứu cần xem xét thêm điều kiện ảnh hưởng khác mơi trường Trong q trình thực mô phỏng, việc định để chọn ước lượng tốt [2] thực đắn trường hợp phép đo TDOA bị ảnh hưởng sai số phép đo chuẩn, khơng có BS phép đo TDOA bị ảnh hưởng NLOS (các phép đo TOA tồn nhiễu NLOS) Do cần tìm tiêu chuẩn tối ưu việc định ước lượng tốt Một vấn đề thấy đề tài vấn đề hội tụ giải thuật Taylor, đặc biệt trường hợp ước lượng TDOA, chọn giá trị ban đầu vịng lặp khơng tốt giải thuật khơng hội tụ Do cần xác định điều kiện ước lượng khai triển chuỗi Taylor gặp phải vấn đề không hội tụ, điều kiện ln hội tụ Ở Việt Nam nay, vấn đề sử dụng kỹ thuật định vị hỗ trợ cung cấp thông tin cho dịch vụ khẩn cấp (như 113, 114, 115…) hay dịch vụ cứu hộ, cứu nạn… chưa nhà cung cấp dịch vụ di động áp dụng (mới dừng lại phương pháp xác định Cell-ID, không áp dụng rộng rãi cho dịch vụ trên) Vì thế, việc nghiên cứu, áp dụng rộng rãi phương pháp định vị vào thực tế mạng lưới Việt Nam điều đáng quan tâm Chương VI: Kết luận & Hướng phát triển 102/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Fredrik Gustafsson and Fredrik Gunnarsson, “Mobile Positioning Using Wireless Networks”, IEEE Signal Processing Magazine, pp.41 – 53, July 2005 [2] Thomas Kleine – Ostmann and Amy E Bell, “A Data Fusion Architecture for Enhanced Position Estimation in Wireless Networks”, IEEE Communications Letters, vol.5, no.8, August 2001 [3] Chin-Der Wann and Ming-Hui Lin, “Data Fusion Méthods for Accuracy Improvement in Wireless Location Systems”, IEEE Wireless Communications and Networking Conference Atlanta,GA,USA 21-25 March 2004, pp.471-476 [4] T.S.Rappaport,J.H.Reed,and B.D.Woerner, “Position Location Using Wireless Communications on Highways of the Future”, IEEE Communications Magazine, vol.34, Oct 1996 [5] Christopher Drane, Malcolm Macnaughtan and Craig Scott, “Positioning GSM Telephones”, IEEE Communications Magazine, pp 46 – 59, April 1998 [6] Fredrik Gustafsson and Fredrik Gunnarsson, ”Position using Time Difference Of Arrival Measurements” , Proc IEEE Conf Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Hong Kong, China, Apr, 2003, vol.6, pp.553 – 556 [7] Zafer Sahinoglu and Amer Catovic, “A Hybrid Location Estimation Scheme ( HLES ) for Partially Synchronized Wireless Sensor Networks”, IEEE Communications Society, 2004 [8] Muhammad Aatique, “Evalution of TDOA Techniques fo Position Location in CDMA Systems”, Master's Thesis at Virginia Polytechnic Institute and State University, September 1997 [9] T S Rappaport, “Wireless Communications Principles and Practice”, Prentice Hall Inc., Upper Saddle River, NJ, 1996 [10] Charles H Knapp and G.Clifford Carter, “The Generalized Correlation Méthod for Estimation of Time Delay”, IEEE Transaction on Acoustics, Speech and Signal Processing , vol.ASSP-24, pp.320 – 327, August 1976 [11] Marilynn P.Wylie and Jack Holtzman, “The Non-Line of Sight Problem in Mobile Location Estimation”, Int Conf on Personal Wireless Comm., pp.232 – 238, 1996 [12] M Aatique, G.A.Mizusawa, B.D Woerner, “Performance of Hyperbolic Position Location Techniques in Code Division Multiple Access”, Proc 9th Annual Conf On Wireless Comm, T.R.Labs and IEEE Canada, July – 11, 1997 Tài liệu tham khảo 103/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng Định vị hệ thống Wireless GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến [13] Y.T.Chan and K.C.Ho, “A Simple and Efficient Estimator for Hyperbolic Location”, IEEE Transactions on Signal Processing, vol.42, pp.1905 – 1915, August 1994 [14] Ali H Sayed, Alireza Tarighat and Nima Khajehnouri, “Network – Based Wireless Location”, IEEE Signal Processing Magazine, pp 24 – 40, July 2005 [15] W H Foy, “Position-Location Solutions by Taylor-Series Estimation”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, Vol AES-12, No 12, pp 187194, March 1976 [16] B T Fang, “Simple Solutions for Hyperbolic and Related Position Fixes”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, Vol 26, No.5, pp 748-753, September 1990 [17] Don J Torrieri, “Statistical Theory of Passive Location Systems”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, Vol AES-20, No 2, pp 183198, March 1984 [18] Marko I Silventoinen and Timo Rantalainen, “Mobile Station Emergency Locating in GSM”, IEEE International Conference on Personal Wireless Communications, India, February 1996 [19] Marko I Silventoinen and Timo Rantalainen, “Mobile Station Locating in GSM”, IEEE Wireless Communication System Symposium, Long Island NY, November 1995 [20] Hồng Đình Chiến, “Mạch điện tử thông tin”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM-2000 [21] William A Gardner and Chih-Kang Chen, “Signal-Selective Time-Differenceof-Arrival Estimation for Passive Location of Man-Made Signal Sources in Highly Corruptive Environments, Part I: Theory and Method”, IEEE Transactions on Signal Processing, Vol 40, No 5, pp 1168 – 1184, May 1992 [22] William A Gardner and Chih-Kang Chen, “Signal-Selective Time-Differenceof-Arrival Estimation for Passive Location of Man-Made Signal Sources in Highly Corruptive Environments, Part II: Algorithms and Performance”, IEEE Transactions on Signal Processing, Vol 40, No 5, pp 1185 – 1197, May 1992 [23] Sammuel D Stearns and Ruth A David, “Signal Processing Algorithms in Matlab”, Prentice Hall P T R, Upper Saddle River, New Jersey 07458 [24] Phạm Hồng Liên, Đặng Ngọc Khoa Trần Thanh Phương, “Matlab Ứng dụng viễn thông”, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM - 2006 Tài liệu tham khảo 104/104 HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng LÝ LỊCH TRÍCH NGANG THÔNG TIN CÁ NHÂN Họ tên : Nguyễn Ngọc Thắng Giới tính : Nam Năm sinh : 27/11/1979 Nơi sinh : Huế Điện thoại : 0918 347 109 Email : ngocthang79@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1997 - 2002: Học Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM - Từ 2005 - 2007: Học cao học Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC - Từ 2002 - 2005 : Làm việc Trung tâm OMC, Công ty Cổ Phần Viễn thông VTC - Từ 2005 đến nay: Làm việc Trung tâm Dịch vụ Viễn thông KV II, Công ty Dịch vụ Viễn thông - Vinaphone ... phương pháp định vị TDOA, TOA mơ hình kết hợp liệu nhằm cải thiện độ xác ước lượng vị trí thuê bao di động hệ thống mạng cellular, mà ta kết hợp vị trí ước lượng độc lập đạt từ phép đo TDOA TOA. .. TÀI: KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TDOA VÀ TOA CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG WIRELESS 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu hai phương pháp định. .. đến ngõ vào ước lượng TOA để xác định vị trí người dùng di động 2.1.2 Phương pháp chuỗi Taylor hệ thống định vị TOA: Nếu nhiều phép đo TOA thực ước lượng vị trí TOA xác định Trong trường hợp này,