Phương phỏp thời gian đến TOA

Ta cần nhớ lại rằng, kỹ thuật RSS dựa vào việc phỏt tớn hiệu tại một mức cụng suất tham chiếu, mức cụng suất này được biết ở phớa thu. Mỏy thu đo đỏnh giỏ cụng suất của tớn hiệu thu và rỳt ra được khoảng cỏch từ suy hao cụng suất đo được. Do quan hệ giữa suy hao và khoảng cỏch phụ thuộc vào tớnh cỏch của kờnh truyền súng, nờn cần cú mụ hỡnh truyền súng chớnh xỏc để việc ước tớnh khoảng cỏch được tin cậy. Tớnh di động của thiết bị đầu cuối và sự thay đổi ngẫu nhiờn về tớnh cỏch

của kờnh thực sự là thỏch thức lớn. Sai số phỏt sinh đối với ước lượng RSS do hạn chế về phần cứng của thiết bị. Đặc biệt là, mỏy phỏt phải phỏt xạ chớnh xỏc và ổn định mức cụng suất tham chiếu. Sự khỏc biệt giữa cụng suất phỏt thực tế và cụng suất tham chiếu phản ỏnh độ lệch cú tớnh hệ thống. Túm lại, ước tớnh khoảng cỏch dựa vào RSS khụng phải là một phương phỏp chớnh xỏc cao, và việc chấp nhận nú được hạn chế cho cỏc ứng dụng xỏc định khoảng cỏch một cỏch sơ bộ [9], [10].

Kỹ thuật ước tớnh TOA tớnh toỏn khoảng cỏch dựa vào ước tớnh toỏn trễ truyền súng giữa mỏy phỏt và mỏy thu. TOA là phương phỏp ước tớnh khoảng cỏch được dựng phổ biến nhất trong lĩnh vực Radar, và vỡ lý do này, thuật ngữ “TOA” và “ranging” thường được hoỏn đổi cho nhau.

Kết quả ước tớnh thời điểm đến của tớn hiệu TOA cho ta thụng tin về khoảng cỏch giữa hai nỳt bằng cỏch ước tớnh thời gian truyền tớn hiệu từ một nỳt đến một nỳt khỏc. Theo đú, việc ước tớnh thời điểm tớn hiệu đến TOA tại một nỳt sẽ cung cấp một vựng bất định được minh họa như hỡnh 2.2b trong phương phỏp ước tớnh khoảng cỏch dựa vào RSS. Để trỏnh sự khụng rừ ràng (mức độ sai số) về ước tớnh TOA, hai nỳt phải cú một xung nhịp đồng hồ chung hoặc chỳng phải trao đổi cỏc thụng tin định thời với nhau thụng qua giao thức cụ thể.

Kỹ thuật ước tớnh TOA kinh điển được thực hiện bởi bộ lọc thớch hợp hay bộ tương quan. Tớn hiệu thu tại một nỳt được biểu diễn như sau:

  .    

r t a s t n t (2.14) trong đú:  biểu thị thời gian đến TOA; a là hệ số kờnh; n t  là tạp õm Gausơ trắng cú trung bỡnh khụng và mật độ phổ N0 2. Sau đú, bộ tương quan sẽ tỡm kiếm giỏ trị đỉnh của tương quan giữa r t  và phiờn bản dịch thời của tớn hiệu s t ˆ với trễ ˆ khỏc nhau. Tương tự như trong sơ đồ dựng bộ lọc thớch hợp, giỏ trị lớn nhất tại đầu ra bộ lọc bằng với giỏ trị lớn nhất đầu ra bộ tương quan tại thời điểm kết thỳc của một chu kỳ ký hiệu mang tin (xem hỡnh 2.4b). Cỏc mụ hỡnh này là tối ưu trong mụi trường kờnh AWGN đơn đường. Ta cần lưu ý tớnh chất đặc trưng của kờnh UWB so với kờnh vụ tuyến khỏc [13], [14], [15]. Tại đõy, mục đớch chớnh của

luận văn là xột mối quan hệ giữa độ rộng băng tần của tớn hiệu UWB với cỏc giới hạn về lý thuyết của ước tớnh thời điểm đến TOA.

Việc ước tớnh trễ là chủ đề then chốt trong truyền thụng khụng dõy vỡ nú được yờu cầu để cú được sự đồng bộ định thời ký hiệu giữa mỏy phỏt và mỏy thu [3]. Một số giải phỏp cho vấn đề này sẵn cú trong cỏc tài liệu. Hầu hết chỳng đều được rỳt ra từ bộ ước tớnh theo nguyờn tắc khả năng giống nhất ML, được xỏc định như sau[3].

Trong mụi trường kờnh tạp õm Gausơ trắng cộng AWGN n t( ), ước tớnh trễ truyền súng theo nguyờn tắc ML được ký hiệu là ˆML, nghĩa là tồn tại một giỏ trị ˆML làm giảm thiểu hàm khả năng giống ML. Vỡ vậy, ước tớnh ˆMLđược biểu diễn như sau[3]:

 2

0

1

( ) ( )

ˆ ( ) arg min exp

obs T ML r t s t dt N r                          (2.15)

trong đú: N0 là mật độ phổ cụng suất hai phớa của tạp õm; và Tobs là khoảng thời gian quan trắc trong quỏ trỡnh thực hiện ước tớnh trễ.

Sơ đồ đồng bộ phổ biến thực hiện xấp xỉ húa ước tớnh trễ theo nguyờn tắc ML được gọi là bộ đồng bộ mở cổng sớm muộn. Để làm sỏng tỏ hoạt động của bộ ước tớnh này, ta xột một xung chữ nhật s t( ) cú khoảng thời gian T được minh họa trờn hỡnh 2.4a. T  T  T 2T 0 Mẫu muộn Mẫu sớm

Mẫu tối ưu

T 1 s(t) t 0 ( ) S R   a) Đầu vào bộ lọc thớch hợp b) Đầu ra bộ lọc thớch hợp

Ta lưu ý rằng, RS( ) biểu trưng cho tớn hiệu đầu ra của mỏy thu tương quan. Vỡ vậy, ta cú được giỏ trị đỉnh bằng cỏch lấy mẫu tớn hiệu RS( ) tại  T (xem hỡnh 2.4b).

Bộ đồng bộ cổng sớm-muộn khai thỏc tớnh đối xứng của tớn hiệu tại đầu ra bộ tương quan RS( ) , nghĩa là, R TS( )R TS( ). Bộ đồng bộ trớch ra 2 giỏ trị từ

( )

S

R  tại cỏc vị trớ đối xứng qua giỏ trị đỉnh kỳ vọng  T bằng cỏch lấy mẫu đầu ra của bộ tớch phõn của mỏy thu tương quan tại   T  và   T  . Sau đú, bộ đồng bộ ước lượng đại lượng dưới đõy:

(2.16)

Khi đạt được đồng bộ hoàn hảo, thỡ hai giỏ trịR TS( ) và ( )

S

R T  là bằng nhau, nghĩa là R = 0. Ngược lại, khi trễ khụng được biết trước  xuất hiện trong tớn hiệu thu, thỡ bộ đồng bộ trớch ra hai giỏ trị khụng bằng nhau và  R 0. Ảnh hưởng này được biểu diễn trong hỡnh 2.5.

Trong trường hợp đồng bộ khụng hoàn hảo, bộ đồng bộ đưa vào một trễ bổ sung và tớnh toỏn lại giỏ trị của R. Sau đú điều chỉnh giỏ trị của trễ bổ sung đến khi R = 0bằng cỏch sử dụng vũng lặp điều khiển kớn làm thay đổi giỏ trị của trễ bổ sung dựa trờn đầu ra của biểu thức (2.16). Trễ bổ sung cuối cựng biểu trưng cho ước tớnh trễ ngẫu nhiờn mong muốn.

R      s s R R T  R T      

Hỡnh 2. 5: Ảnh hưởng của trễ khụng được biết trước  lờn đầu ra của bộ đồng bộ mở cổng sớm muộn (early-late gate synchronizer )R

Lưu ý rằng, khi sơ đồ trờn được sử dụng cho cỏc mục đớch đồng bộ, nú bự trễ bất kỳ giữa tớn hiệu thu và tớn hiệu tham chiếu. Cỏc nguyờn nhõn gõy trễ bao gồm trễ truyền súng và sự mất đồng chỉnh giữa xung nhịp đồng hồ của mỏy phat và xung nhịp đồng hồ của mỏy thu. Khi ỏp dụng sơ đồ này vào việc xỏc định khoảng cỏch (ranging), điều cốt yếu là phải đạt được định thời tham chiếu chung giữa mỏy phỏt và mỏy thu, để tỏch biệt (cụ lập) trễ do truyền súng. Trong cỏc ứng dụng radar, tham chiếu định thời chung vốn đó được cấp bởi thực tế là mỏy phỏt và mỏy thu cựng được định vị vật lý, vỡ việc ước lượng cự ly đến mục tiờu dựa trờn tớn hiệu phản hồi. Ngược lại, để bắt được cự ly (khoảng cỏch) giữa cỏc thiết bị truyền thụng khỏc nhau, cần phải cú một giao thức bắt tay đo xỏc định cự ly giữa mỏy phỏt và mỏy thu nhằm đạt được sự đồng bộ trong điều kiện ràng buộc về mức độ chớnh xỏc cụ thể. Chủ đề này được diễn đạt đối với trường hợp hệ thống UWB trong (Fleming and Kushner, 1997), ở đú đề xuất một số sơ đồ để đạt được tham chiếu định thời chung giữa hai thiết bị UWB, được biểu diễn trong hỡnh 2.6cho trường hợp đó chọn.

Trong hỡnh 2.6 nỳt tham chiếu N1 gửi một gúi tin tại thời điểm t0. Nỳt đớch N2 nhận gúi tin tại thời điểm t0 +  và cộng tỏc với nhau trong quỏ trỡnh đo xỏc

1 T 2T   S R  R   

định cự ly bằng cỏch phản hồi chớnh gúi tớn đú tại thời điểm t0 + +  , với  là trễ thời gian cố định.đủ lớn để chứa đựng cỏc trễ do xử lý tớn hiệu tại nỳt đớch (trễ do xử lý tớn hiệu), và trễ này được biết tại cả mỏy phỏt và mỏy thu. Nỳt tham chiếu N1 nhận gúi tin phản hồi tại thời điểm t1 = + + + t0    , và suy ra được trễ truyền súng như sau:

(2.17)

Ta lưu ý rằng, quỏ trỡnh này cung cấp việc đo xỏc định cự ly chỉ đối với

N1mà khụng phải là N2. Hoặc là gúi tin đo cự ly bổ sung từ N1đến N2 hoặc là truyền thụng tường minh về khoảng cỏch đo được bởi N1 cần phải cung cấp cho N2 bằng đo ước lượng cự ly.

Hỡnh 2. 6: Quỏ trỡnh trao đổi bắt tay đo cự ly đối với cỏc thiết bị định vị UWB (được đề xuất trong bởi Fleming and Kushner, 1997).

Flening và Kushner [1997] chỉ ra rằng, kỹ thuật TOA đặc biệt phự hợp với vụ tuyến UWB, nhờ băng thụng siờu rộng. Độ chớnh xỏc của ước tớnh TOA được biểu diễn bởi phương sai của sai số ước tớnh TOA, 2ˆ , thực tế nú liờn quan đến độ rộng băng tần của tớn hiệu và SNR tại mỏy thu. Theo lý thuyết tổng quỏt về bộ ước tớnh ML, giới hạn dưới đối với 2ˆ trong mụi trường kờnh AWGN được cho bởi

1 0 2 t t      N1 N2 0 t 0 t      0 t  0 t    time time

2 0 ˆ 2 = 2 (2 ) ( ) f N f S f d       (2.18)

í nghĩa của giới hạn này và giỏ trị nú giả thiết trong trường hợp tớn hiệu UWB, được thể hiện tưởng minh trong mụ phỏng ở chương 3.

Cũng vậy, với mụ hỡnh tớn hiệu như ở biểu thức (2.14), giới hạn CRLB (2.18) được viết lại là:

(2.19a)

trong đú: ˆ là ước tớnh thời gian đến; 2 0 = a

SNR E N là tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm;

E là năng lượng của tớn hiệu; là độ rộng băng tần tớn hiệu hiệu dụng của tớn hiệu được định nghĩa bởi (2.13).

Ta lưu ý rằng, khỏc với ước tớnh cường độ trường của tớn hiệu thu RSS, mức độ chớnh xỏc của ước tớnh thời điểm đến của tớn hiệu TOA được cải thiện bằng cỏch tăng SNR và/hoặc độ rộng băng tần hiệu dụng của tớn hiệu. Vỡ tớn hiệu UWB cú băng tần rất rộng nờn thuộc tớnh này cho phộp ước tớnh khoảng cỏch cú độ chớnh xỏc cao khi dựng ước tớnh TOA.