Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thuật toán định vị nguồn phát sóng và ứng dụng trong hệ thống internet vạn vật Nghiên cứu thuật toán định vị nguồn phát sóng và ứng dụng trong hệ thống internet vạn vật Nghiên cứu thuật toán định vị nguồn phát sóng và ứng dụng trong hệ thống internet vạn vật luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI AN TRUNG HƯNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SÓNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG INTERNET VẠN VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI AN TRUNG HƯNG NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SĨNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG INTERNET VẠN VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS HÁN TRỌNG THANH HÀ NỘI – 2019 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: An Trung Hưng Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật tốn định vị nguồn phát sóng ứng dụng hệ thống Internet vạn vật Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số SV: CA170271 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 20 tháng 09 năm 2019 với nội dung sau: Đánh lại số công thức theo thứ tự chương Việt hóa hình 1.2; 1.3; 1.4 đề mục 1.5.1; 1.5.2; 1.5.3; 1.5.4 Trích dẫn nguồn Xem lại công thức 2.8; 2.16; 2.17; 2.18; 2.19; 2.24; 3.7 Sửa số lỗi máy tính Bảng 4.1, viết biến ƛ (viết từ) Ngày 10 tháng 10 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Hán Trọng Thanh An Trung Hưng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG SĐH.QT9.BM11 Ban hành lần ngày 11/11/2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, kết khoa học trình bày luận văn thành nghiên cứu thân Các nghiên cứu luận văn dựa tổng hợp lý thuyết mơ thực tế mình, chưa xuất công bố tác giả khác Mọi thơng tin trích dẫn tn theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung viết luận văn Tác giả luận văn An Trung Hưng i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lời biết ơn chân thành sâu sắc đến TS Hán Trọng Thanh trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trình nghiên cứu Thầy dành nhiều thời gian tâm huyết, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập, nghiên cứu Chân thành cảm ơn cán bộ, giảng viên Viện Điện tử Viễn thơng động viên, hỗ trợ tận tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân bạn bè đồng nghiệp ln động viên, khích lệ tơi hồn suốt thời gian qua Đây động lực to lớn để vượt qua khó khăn hồn thành luận văn Tác giả luận văn An Trung Hưng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH SÁCH HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU ….vi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN vii LỜI MỞ ĐẦU …… CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ INTERNET OF THINGS……………………….2 1.1 Định nghĩa Internet Of Things .2 1.2 Khái niệm IoT 1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật .5 1.4 Đặc điểm yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.4.1 Đặc tính IoT: 1.4.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.5 Mơ hình hệ thống IoT 10 1.5.1 Lớp ứng dụng 10 1.5.2 Lớp hỗ trợ dịch vụ hỗ trợ ứng dụng .10 1.5.3 Lớp mạng .11 1.5.4 Lớp thiết bị .11 1.6 Kết luận chương .12 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC MƠ HÌNH ĂNG TEN NHIỀU PHẦN TỬ 13 2.1 Mơ hình tín hiệu thu với dàn ăng ten ULA 14 2.2 Mơ hình tín hiệu thu với dàn ăng ten đồng dạng tròn UCA 17 2.3 Mơ hình tín hiệu thu với dàn ăng ten hỗn hợp (NLA) 19 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DOA CHO .22 DÀN ĂNG TEN NLA 22 3.1 Mơ ứng dụng Thuật tốn MUSIC 22 3.2 Mô ứng dụng thuật toán Matrix Pencil 23 iii 3.2.1 Thuật toán Matrix Pencil .23 3.2.1.1 Áp dụng thuật tốn MP mơi trường khơng có nhiễu 24 3.2.1.2 Áp dụng thuật toán MP mơi trường có nhiễu .26 3.2.2 Thuật toán Total Forward-Backward Matrix Pencil .28 3.2.3 Xác định hướng đến tín hiệu phương pháp Total ForwardBackward Matrix Pencil 31 3.2.3.1 Phương pháp Total Forward-Backward Matrix Pencil với dàn ăng ten tuyến tính ULA 31 3.2.3.2 Phương pháp Total Forward-Backward Matrix Pencil với dàn ăng ten NLA 34 3.2.4 Giới thiệu Khatri-Rao 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 42 4.1 Kết mơ với mơ hình ăng ten ULA .42 4.1.1 Xây dựng thuật toán chương trình ngơn ngữ Matlab 42 4.1.2 Kết mô với dàn ăng ten ULA .44 4.1.3 Độ phân giải thuật toán với ăng ten ULA .48 4.2 Kết mô với mơ hình ăng ten NLA .49 4.2.1 Xây dựng thuật tốn chương trình ngôn ngữ Matlab 49 4.2.2 Kết mô với dàn ăng ten NLA .51 4.2.3 Độ phân giải thuật toán TFBMP với dàn ăng ten NLA 55 KẾT LUẬN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Ứng dụng Nest dành cho nhà thông minh Hình 1.2: Kết nối vạn vật Hình 1.3: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật Hình 1.4: Các loại thiết bị khác mối quan hệ Hình 1.5: Mơ hình IoT 10 Hình 2.1: Dàn ăng ten ULA hệ tọa độ .14 Hình 2.2: Mơ hình ăng ten ULA .15 Hình 2.3: Mơ hình dàn ăng ten UCA hệ tọa độ Đề Các 17 Hình 2.4: Dàn ăng ten hỗn hợp (NLA) hệ toạ độ Đề Các .19 Hình 3.1: Sơ đồ khối thuật toán MUSIC 22 Hình 3.2: Dàn ăng ten NLA 𝑵𝑵𝑵𝑵=𝑵𝑵𝑵𝑵=3 phần tử vị trí phần tử ăng ten ảo difference co-array dàn NLA 36 Hình 1: Kết xác định hướng sóng tới DOA = 10 độ, sử dụng mẫu tín hiệu 44 Hình 2: Kết xác định DOA ba nguồn đến DOA= 10, 30, 45 độ, sử dụng mẫu tín hiệu .45 Hình 3: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten ULA với SNR biến thiên 46 Hình 4: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten ULA thay đổi số phần tử ăng ten 47 Hình 5: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten ULA thay đổi số mẫu tín hiệu .48 Hình 6: Kết xác định DOA với nguồn tới mẫu tín hiệu 52 Hình 7: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten NLA với SNR thay đổi .53 Hình 8: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten NLA với số lượng phần tử ăng ten tăng dần 54 Hình 9: So sánh độ xác dàn ăng ten ULA NLA .55 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng thông số mô với dàn ăng ten ULA 43 Bảng 2: Bảng độ phân giải thuật toán với dàn ăng ten ULA 49 Bảng 3: Bảng thông số mô với dàn ăng ten NLA 50 Bảng 4: Bảng độ phân giải dàn ăng ten NLA phần tử .56 vi DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CV Correlative Vector Véc-tơ tương quan DF Radio Direction Finding Tìm kiếm hướng sóng đến DOA Direction of Arrival Hướng sóng tới Estimation of Signal ESPRIT Parameters via Rotation Invariance Technique MP MUSIC Matrix Pencil Multiple Signal Classification Nested Loop Antenna NLA/NAA Ước lượng tham số tín hiệu thơng qua kỹ thuật quay bất biến Ma trận bút chì Phân loại tín hiệu Dàn ăng ten hỗn hợp Nested Antenna Array PLL Phase-Locked Loop Vịng khóa pha SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SOI Signal of Interest Tín hiệu quan tâm Total Forward-Backward Thuật tốn Total Forward- Matrix Pencil Backward Matrix Pencil UCA Uniform Circular Array Dàn ăng ten đồng dạng tròn ULA Uniform Linear Array Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính TFBMP vii Hình 2: Kết xác định DOA ba nguồn đến DOA= 10, 30, 45 độ, sử dụng mẫu tín hiệu Với kết mơ Hình 4.2, thấy thuật tốn xác định hướng đến ba nguồn tín hiệu tới dàn ăng ten ULA 16 phần tử mẫu tín hiệu Nhưng thấy sai số trường hợp ba nguồn tín hiệu tới tăng lên so với nguồn tới, cụ thể sai số RMSE=0.3182 trường hợp ba nguồn đến RMSE=0.0259 trường hợp nguồn đến Điều giải thích có nhiều nguồn tín hiệu tới dàn ăng ten, tín hiệu vừa chịu tác động nhiễu vừa bị ảnh hưởng tín hiệu khác tới dần ăng ten [10] Do đó, tổng hợp tín hiệu phần tử ăng ten, nhiễu tăng lên lớn so với trường hợp có tín hiệu tới dẫn đến kết ước lượng DOA bị sai số lớn Để khảo sát ảnh hưởng tham số nhiễu (SNR) lên hiệu hoạt động phương pháp, thực mô thứ ba nhằm xác định góc tới tín hiệu đến từ ba góc tới 10𝜊𝜊 , 30𝜊𝜊 , 45𝜊𝜊 Chúng ta cho nhiễu biến thiên 45 khoảng -10÷20 dB Kết mơ trường hợp minh hoạ Hình 4.3 Hình 3: Sai số kết xác định DOA dàn ăng ten ULA với SNR biến thiên Hình 4.3 cho thấy, nhiễu lớn hay SNR nhỏ sai số RMSE khơng ổn định sai số lớn Cụ thể SNR