document

Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XII Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR); Huế, ngày 07-08/6/2019 DOI: 10.15625/vap.2019.00020 ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SĨNG VƠ TUYẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI CẢI TIẾN Lê Hải Tồn1, Nguyễn Thanh Bình2, Lƣơng Vinh Quốc Danh1 Nguyễn Thị Trâm1 Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ Khoa Kỹ thuật Điện tử, Đại học Quốc gia Pukyong, Hàn Quốc E-mail: lvqdanh@ctu.edu.vn TÓM TẮT: Nội dung viết trình bày việc ứng dụng kỹ thuật định vị RSSI vi sai (Differential Received Signal Strength Indication DRSSI) để định vị nguồn phát sóng vơ tuyến khơng biết cơng suất phát dựa vào thơng số cường độ sóng nhận RSSI Trong phương pháp này, số lượng thích hợp trạm thu-phát sóng vơ tuyến sử dụng để thu thập thơng số RSSI tín hiệu phát từ nguồn phát sóng vơ tuyến cần xác định (mục tiêu) Các thông số ngõ vào thuật tốn có khả ước lượng tọa độ 2D mục tiêu Độ xác thuật tốn ước lượng phụ thuộc vào số lượng trạm thu-phát sóng vơ tuyến lắp đặt chất lượng thơng số RSSI nhận Tác giả đề xuất phương pháp tính tốn giúp cải thiện độ xác giải thuật ước lượng cho trường hợp sử dụng trạm thu-phát sóng vơ tuyến Thực nghiệm kiểm chứng cho thấy phương pháp cải tiến cho phép giảm sai số cực đại cịn 10% Từ khóa: CC1120, Cường độ sóng vơ tuyến, DRSSI, Định vị nguồn phát sóng, MSP430, RSSI I GIỚI THIỆU Định vị nguồn phát sóng vơ tuyến chủ đề nghiên cứu có nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực radar, mạng cảm biến không dây hệ thống viễn thông Trong mạng cảm biến không dây, liệu thu nhận từ nút cảm biến khơng có ý nghĩa thiếu thơng tin vị trí cảm biến Tuy nhiên, việc trang bị định vị GPS cho cảm biến làm tăng chi phí khơng khả thi cảm biến hoạt động môi trƣờng nhà rừng nơi tín hiệu vệ tinh bị suy giảm mạnh Dựa yêu cầu độ xác tính hiệu quả, nhiều phƣơng pháp định vị đƣợc đề xuất nhƣ thời gian đến tín hiệu (Time-of-Arrival, ToA) [1], chênh lệch thời gian đến tín hiệu (Time-Difference-of-Arrival, TDoA) [2], cường độ tín hiệu nhận (Received Signal Strength Indication, RSSI) [3]-[6] góc đến tín hiệu (Angle-of-Arrival, AoA) [7] Hệ thống định vị sử dụng phƣơng pháp ToA TDoA đòi hỏi đồng cao thời gian nút cảm biến, hệ thống định vị phƣơng pháp AoA có yêu cầu cao phần cứng lẫn phần mềm yêu cầu sử dụng ăng-ten mảng pha Phƣơng pháp định vị dựa cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc RSSI thƣờng đƣợc chọn sử dụng có chi phí phần cứng mức độ phức tạp thấp Trong phƣơng pháp RSSI, cách đo cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc trạm giám sát (anchor node), vị trí nguồn tín hiệu đƣợc xác định phép đo tam giác (trilateration) Mơ hình định vị theo RSSI cần thông tin công suất phát nguồn tín hiệu Do đó, trạm giám sát khơng thể xác định vị trí trạm mục tiêu trƣớc công suất phát trạm Trong thực tế, việc biết trƣớc công suất phát nguồn tín hiệu khơng khả thi công suất phát phụ thuộc nhiều yếu tố chẳng hạn nhƣ nguồn cấp điện độ lợi ăng-ten, yếu tố thay đổi theo thời gian độ cao lắp đặt cảm biến Một giải pháp cho vấn đề phƣơng pháp định vị RSSI vi sai (Differential Received Signal Strength Indication, DRSSI), đó, sai biệt cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc trạm giám sát phép toán ƣớc lƣợng phù hợp đƣợc sử dụng nhằm loại bỏ phụ thuộc vào thông số công suất phát nguồn tín hiệu [6] Trong viết này, tác giả giới thiệu phƣơng pháp định vị DRSSI trình bày kết thí nghiệm kiểm chứng thuật tốn định vị cho mơi trƣờng ngồi trời sử dụng trạm giám sát Một phƣơng pháp tính tốn giúp cải thiện độ xác giải thuật ƣớc lƣợng vị trí nguồn tín hiệu đƣợc đề xuất nghiên cứu Phần cịn lại viết đƣợc trình bày nhƣ sau: phần giới thiệu phƣơng pháp định vị DRSSI kết thực nghiệm kiểm chứng; Phần trình bày phƣơng pháp DRSSI cải tiến với thuật toán hiệu chỉnh tọa độ mục tiêu kết so sánh phƣơng pháp DRSSI tiêu chuẩn phƣơng pháp cải tiến; Phần cuối Kết luận II PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ DRSSI A Nguyên lý hoạt động cấu tạo hệ thống Phƣơng pháp định vị nguồn phát sóng vơ tuyến dựa RSSI sử dụng trạm thu/phát giám sát (anchor node) đặt góc hình chữ nhật để xác định vị trí nguồn phát tín hiệu mục tiêu (target) di chuyển phạm vi giới hạn trạm Ở Hình 1, trạm A, B, C, D đóng vai trị trạm giám sát trạm X mục tiêu cần xác định vị trí Trong trình hoạt động, trạm giám sát thu sóng vơ tuyến phát từ trạm mục tiêu ghi nhận giá trị RSSI tín hiệu Các giá trị RSSI sau đƣợc trạm giám sát gửi trạm chủ để truyền máy tính xử lý, tính tốn tọa độ trạm mục tiêu Giả sử, d khoảng cách trạm X trạm giám sát Khoảng cách đƣợc xác định dựa vào cƣờng độ tín hiệu RSSI nhận đƣợc trạm giám sát, cụ thể: Lê Hải Toàn, Nguyễn Thanh Bình, Lƣơng Vinh Quốc Danh, Nguyễn Thị Trâm 𝐝 𝟏𝟎 153 𝐑𝐒𝐒𝐈 𝐀 𝟏𝟎𝐧 (1) Trong đó, A: giá trị cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc, đo khoảng cách m n: hệ số tổn hao môi trƣờng truyền sóng Hình Sơ đồ ngun lý phƣơng pháp định vị cƣờng độ sóng RSSI B Giải thuật định vị DRSSI Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng giải thuật định vị DRSSI đƣợc đề xuất [6] Theo đó, tọa độ trạm mục tiêu đƣợc xác định dựa thuật toán gồm bƣớc sau: Tính = 0.1 * log10(Pi – P1) (2) Trong đó, + Pi giá trị RSSI thu đƣợc trạm giám sát thứ i + P1 giá trị RSSI thu đƣợc trạm giám sát thứ + phƣơng sai độ lệch cƣờng độ RSSI thu đƣợc trạm thứ i trạm thứ Tính ri,1 với i = 2, 3…n (3) Trong đó, + hệ số tổn hao mơi trƣờng truyền sóng + đƣợc tính theo cơng thức: Tính A, B , = 0.01*[ln(10)]2 với biến ngẫu nhiên , Cw  Tính ma trận A: A=[ Trong đó, giá trị 𝑥𝑖 𝑦𝑖 đƣợc khai báoban đầu 𝑟𝑖,1 đƣợc tính nhƣ ] (4) ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN BẰNG PHƢƠNG PHÁP DRSSI CẢI TIẾN 154  Tính ma trận B : B=[ ( ) ( ) (6) ( [ Trong đó, n  Tính (5) ] ) ] đƣợc xác định trƣớc : = diag (r2,1, r3,1, r4,1) (7) r2,1, r3,1, r4,1là giá trị đƣợc xác định trƣớc Diag: tạo ma trận đƣờng chéo rút đƣờng chéo ma trận Cú pháp: Diag(v,k), v vector n phần tử kết ma trận vuông bậc N+|k| phần tử v nằm đƣờng chéo thứ k Diag(X) trả vector đƣờng chéo ma trận Cw Tính ̂ , Với ' ' (8) ̂ = (ATCw-1A)-1ATCw-1b T Cˆ = [X R] X(x,y) ; T w (A C A ) (9) (10) Ƣớc lƣợng vị trí Gz = h + q G 1 1 x2 y2 q (11) T [ ˆ]12 [ ˆ]2 Cq zˆ T h ( x [ ˆ]1 )( x [ ˆ]1 ) ( y [ ˆ]2 )( y [ ˆ]2 ) R [ ˆ] R [ ˆ]3 Cq [ ˆ]1 [ ˆ]2 z x( x [ ˆ]1 ) y ( y [ ˆ] ) diag (2 x, y,1) C ˆ diag (2 x, y,1) diag (2[ ˆ]1 , 2[ ˆ]2 ,1) C ˆ diag (2[ ˆ]1 , 2[ ˆ]2 ,1) (GT Cq 1G)T GT Cq 1h xˆo sgn([ ˆ]1 ) [ zˆ]1 sgn([ ˆ]2 ) [ zˆ]2 [ ˆ]3 T (12) R [ ˆ]3 cov(q) [ ˆ]12 [ ˆ]22 (13) (14) (15) T (16) Tính sai số RMSE( ̂ ) = √[ ̂] [ ̂] (17) Lê Hải Tồn, Nguyễn Thanh Bình, Lƣơng Vinh Quốc Danh, Nguyễn Thị Trâm 155 III THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG Để đánh giá độ xác giải thuật xác định tọa độ mục tiêu, hệ thống định vị đƣợc bố trí khu vực ngồi trời có kích thƣớc 80 m x 80 m (Hình 2) Các trạm giám sát, trạm mục tiêu trạm chủ sử dụng thí nghiệm module thu/phát sóng vơ tuyến CC1120 – 169 MHz hãng Texas Instruments sản xuất [8] Hoạt động module thu/phát sóng CC1120 đƣợc thực vi điều khiển MSP430G2553 [9] Hình trình bày thu/phát sóng vô tuyến CC1120 – 169 MHz đƣợc thiết kế sử dụng để đo đạc thơng số RSSI thí nghiệm Hình Bố trí thí nghiệm ngồi trời Hình Module thu/phát sóng vơ tuyến CC1120 – 169 MHz sử dụng thí nghiệm Đối với trạm giám sát, vi mạch MSP430G2553 điều khiển việc thu nhận tín hiệu phát từ trạm mục tiêu gửi thông tin RSSI trạm chủ Giá trị RSSI thu nhận đƣợc vị trí khác trạm mục tiêu đƣợc tính tốn theo giải thuật định vị Trong thí nghiệm này, hệ số tổn hao mơi trƣờng truyền sóng n đƣợc xác định thực nghiệm có giá trị 2.06 Kết tính tốn với sai số đƣợc liệt kê Bảng Bảng Kết tính tốn tọa độ trạm mục tiêu theo phƣơng pháp DRSSI Mục tiêu X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 Tọa độ thực tế Hoành độ (m) Tung độ (m) 50 30 30 55 25 25 50 45 40 40 80 60 80 20 35 80 75 15 55 Tọa độ tính tốn Hồnh độ (m) Tung độ (m) 49.9 30.1 30.4 53.1 25.1 25.1 49.4 45.1 41.1 41.1 60 50.1 60.6 26.3 36.8 61.7 60 20 16.33 49.9 Sai số 0.2% 2.4% 0.2% 0.8% 1.9% 27.9% 25.5% 23.0% 19.8% 21.4% ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SĨNG VƠ TUYẾN BẰNG PHƢƠNG PHÁP DRSSI CẢI TIẾN 156 Nhận xét: Kết cho thấy, vị trí nằm gần trung tâm khu vực thí nghiệm (X1, X2, X3, X4, X5), giải thuật tính tốn cho độ xác cao, với sai số lớn 2.4% Tuy nhiên, di chuyển xa trung tâm khu vực định vị, khoảng cách từ mục tiêu đến trạm giám sát có độ chênh lệch lớn độ xác giảm dần Đối với mục tiêu nằm cạnh khu vực định vị (X6, X6, X7, X8, X9, X10), sai số tính tốn cao, lên đến khoảng 28% IV PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ RSSI CẢI TIẾN Kết thực nghiệm phƣơng pháp định vị DRSSI cho thấy độ xác giải thuật phục thuộc vào vị trí mục tiêu khu vực định vị Các vị trí gần với đƣờng biên sai số định vị lớn Do vậy, để cải thiện độ xác giải thuật ƣớc lƣợng tọa độ mục tiêu, tác giả đề xuất thuật toán hiệu chỉnh để giảm thiểu sai số Theo đó, khu vực định vị đƣợc chia thành vùng nhƣ Hình Các giá trị RSSI1 + RSSI2, RSSI2 + RSSI3, RSSI3 + RSSI4 RSSI4 + RSSI1 đƣợc so sánh với nhau, giá trị lớn mục tiêu nằm khu vực tƣơng ứng 1, 2, Những vị trí nằm khu vực có hồnh độ bị ƣớc lƣợng sai lệch Với vị trí mục tiêu thuộc khu vực 3, tung độ mục tiêu bị ƣớc lƣợng sai lệch Hình Phân chia khu vực hiệu chỉnh tọa độ mục tiêu Công thức hiệu chỉnh hoành độ mục tiêu thuộc khu vực sau hiệu chỉnh đƣợc xác định nhƣ sau: √ với √ với (18) (19) Trong đó: y: Tung độ mục tiêu b = L – y N2 = d2/d3 RSSI3 > RSSI2, N2 = d3/d2 RSSI2 > RSSI3 N4 = d1/d4 RSSI4 > RSSI1, N4 = d4/d1 RSSI1 > RSSI4 Tƣơng tự, công thức hiệu chỉnh tung độ mục tiêu thuộc khu vực sau hiệu chỉnh đƣợc xác định nhƣ sau: √ với (20) √ với (21) Trong đó: x: Hồnh độ mục tiêu b = L – x N1 = d1/d4 RSSI4 > RSSI1, N1 = d4/d1 RSSI1 > RSSI4 N3 = d3/d4 RSSI4 > RSSI3, N3 = d4/d3 RSSI3 > RSSI4 Trong công thức trên, giá trị d1, d2, d3, d4 b đƣợc định nghĩa Hình Theo đó, d 1= √ (22) Lê Hải Tồn, Nguyễn Thanh Bình, Lƣơng Vinh Quốc Danh, Nguyễn Thị Trâm 157 d 2= √ (23) d 3= √ (24) d 4= √ (25) Hình Mơ hình tính tốn tọa độ (x,y) mục tiêu X Giá trị N1, N2, N3 N4 đƣợc xác định công thức (26): với i, j = 1, 2, 3, (26) V KẾT QUẢ TÍNH TỐN KIỂM CHỨNG Bảng trình bày so sánh kết tính tốn tọa độ mục tiêu sử dụng thuật toán DRSSI tiêu chuẩn DRSSI cải tiến Kết cho thấy, sau trình hiệu chỉnh, sai số tọa độ mục tiêu thuộc khu vực gần đƣờng biên vùng định vị đƣợc cải thiện đáng kể với sai số cực đại giải thuật định vị nhỏ 10% Phƣơng pháp định vị đƣợc ứng dụng cơng tác quản lý tần số để định vị thiết bị phát sóng vơ tuyến khơng đăng ký xác định vị trí nút cảm biến mạng cảm biến không dây Mục tiêu X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 Bảng So sánh kết tính tốn giải thuật DRSSI DRSSI cải tiến Giải thuật DRSSI Tọa độ thực tế Giải thuật DRSSI Sai số Sai số cải tiến DRSSI Hoành Tung Hoành Tung độ DRSSI Hoành Tung độ cải tiến độ (m) độ (m) độ (m) (m) độ (m) (m) 50 30 49.9 30.1 0.2% 51.4 30.3 1.8% 30 55 30.4 53.1 2.4% 30.5 57.5 3.2% 25 25 25.1 25.1 0.2% 23.8 25.4 1.6% 50 45 49.4 45.1 0.8% 50.2 44.9 0.3% 40 40 41.1 41.1 1.9% 41 41 1.8% 80 60 60 50.1 27.9% 78 60 2.5% 80 20 60.6 26.3 25.5% 78 20 2.5% 35 80 36.8 61.7 23.0% 35 77 3.8% 75 15 60 20 19.8% 78 15.5 3.8% 55 16.33 49.9 21.43% 1.37 50.02 6.46% VI KẾT LUẬN Nội dung viết trình bày việc nghiên cứu phƣơng pháp định vị DRSSI với thí nghiệm kiểm chứng với hệ thống định vị gồm có trạm giám sát, trạm chủ trạm mục tiêu khu vực trời có kích thƣớc 80 m x 80 m Hệ thống có khả xác định vị trí trạm mục tiêu công suất phát sử dụng thông số cƣờng độ sóng RSSI Tác giả đề xuất phƣơng pháp tính tốn giúp cải thiện độ xác giải thuật ƣớc lƣợng tọa độ mục tiêu Thực nghiệm kiểm chứng cho thấy phƣơng pháp cải tiến cho phép giảm sai số cực đại dƣới 10% Trong thời gian tới, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu giải thuật lọc hiệu để loại bỏ nhiễu đo đạc giá trị RSSI phƣơng pháp phù hợp để định vị mục tiêu mơi trƣờng truyền sóng có tƣợng fading 158 ĐỊNH VỊ NGUỒN PHÁT SĨNG VƠ TUYẾN BẰNG PHƢƠNG PHÁP DRSSI CẢI TIẾN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Patwari, J N Ash, S Kyperountas, A O Hero III, R L Moses, and N S Correal, Locating the nodes: Cooperative localization in wireless sensor networks IEEE Signal Process Mag., vol 22, no 4, pp 54–69 (2005) [2] A Catovic and Z Sahinoglu, The Cramer-Rao bounds of hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS location estimation schemes IEEE Commun.Lett., vol 8, no 10, pp 626-628, (2004) [3] Ryan J R Thompson, Ediz Cetin and Andrew G Dempster, Unknown Source Localization Using RSS in Open Areas in the Presence of Ground Reflections Proceedings of the 2012 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium, pp 1018-1027 (2012) [4] R M Vaghefi, M R Gholami, R M Buehrer, and E G Strom, Cooperative received signal strength-based sensor localization with unknown transmit powers IEEE Trans Signal Process., vol 61, no 6, pp 1389–1403 (2013) [5] H C So and L Lin, Linear Least Squares Approach for Accurate Received Signal Strength Based Source Localization IEEE Transactions on Signal Processing, vol 59, no 8, pp 4305-4040 (2011) [6] Lanxin Lin, H.C So, Y.T Chan, Accurate and Simple Source Localization Using Differential Received Signal Strength Digital Signal Processing Journal, Volume 23, Issue 3, pp 736-743 (2013) [7] R Peng and M L Sichitiu, Angle of Arrival Localization for Wireless Sensor Networks IEEE Communications Society on Sensor and Ad Hoc Communications and Networks, no 1, pp 374-382 (2006) [8] CC1120 evaluation module 169 MHz URL: http://www.ti.com/tool/CC1120EMK-169 [9] Texas Instruments MSP430G2553 URL: http://www.ti.com/product/MSP430G2553 LOCALIZATION OF AN RF SOURCE USING AN IMPROVED DRSSI METHOD Le Hai Toan, Nguyen Thanh Binh, Luong Vinh Quoc Danh and Nguyen Thi Tram ABSTRACT: This paper presents the application of the DRSSI – based localization method (Differential Received Signal Strength Indicator) to localize an RF source with unknown transmitted power based on the received signal strength RSSI In this approach, an appropriate number of RF transceiver nodes are used to collect the RSSI parameters of the signals emitted by the RF source (target) These parameters are the input of an algorithm capable of estimating 2D coordinates of the target The accuracy of this estimation algorithm depends on the number of RF transceiver nodes installed and the quality of the received RSSI parameters The authors have proposed a computational method that improves the accuracy of the estimation algorithm for the use of four transceiver nodes Experimental results show that the improved method can keep the maximum error below 10% Keywords: CC1120, DRSSI, MSP430, RF signal strength, RSSI, Source localization