Tài liệu Nghiên cứu giải pháp tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị bằng phương pháp drssi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------***------ LÊ HẢI TOÀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lương Vinh Quốc Danh ................................................................................................................................. Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lưu Thanh Trà ................................................................................................................................. Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo ................................................................................................................................. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. GS.TS Lê Tiến Thường ...................................................... - Chủ tịch Hội đồng 2. TS. Lưu Thanh Trà .............................................................. - Cán bộ phản biện 1 3. PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo ......................................... - Cán bộ phản biện 2 4. TS. Mai Linh ........................................................................... - Ủy viên Hội đồng 5. TS. Huỳnh Phú Minh Cường ........................................... - Thư ký Hội đồng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa. CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Số: ……… /BKĐT KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: VIỄN THÔNG NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ HẢI TOÀN MSHV: 7140455 Ngày, tháng, năm sinh: 05/03/1988 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60520208 1. Tên đề tài luận văn (Tiếng Việt và Tiếng Anh): NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI (Reseaching solutions improve accuracy of positioning techniques base on DRSSI method). 2. Nhiệm vụ: + Nghiên cứu các giải thuật lọc tín hiệu để cải thiện độ chính xác của thông số RSSI. + Khảo sát giải pháp định vị trong trường hợp không biết công suất nguồn phát DRSSI. 3. Các kết quả dự kiến: + Độ chính xác được cải thiện so với phương pháp không dùng giải thuật lọc + Kết quả so sánh giữa 2 trường hợp có dùng và không dùng giải thuật lọc trong kỹ thuật định vị không biết công suất nguồn phát DRSSI. 4. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 06/02/2016 5. Thời gian thực hiện: 16/01/2017-18/06/2017 (xin gia hạn đến 12/2017) 6. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Lương Vinh Quốc Danh Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm ……. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thành các môn học trong chương trình cũng như hoàn thành được đề cương và luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hỗ trợ và giúp đỡ của quý Lãnh đạo, quý Thầy Cô, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp các bạn sinh viên. Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Lương Vinh Quốc Danh, Bộ môn Điện tử viễn thông, Khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ, đã định hướng, hướng dẫn và hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Thầy là người đã cung cấp và gợi ý các tài liệu tham khảo cần thiết, hướng dẫn tận tình, giúp em khắc phục các vấn đề kỹ thuật phát sinh trong quá trình thực hiện đề tài. Em xin gửi lời cám ơn đến quý Lãnh đạo, quý Thầy Cô Bộ môn Viễn Thông, Khoa Điện – Điện tử, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã chấp thuận đề cương và cho em thực hiện đề tài luận văn này. Cám ơn quý Thầy đã chia sẽ, tư vấn và hỗ trợ nhưng gì nhỏ nhất để em có thể hoàn thành chương trình học tập và luận văn tốt nghiệp. Xin cám ơn quý anh đi trước đã hỗ trợ kinh nghiệm trong quá trình tìm hiểu, đo đạc; cám ơn các bạn đồng nghiệp và sinh viên đã hỗ trợ trong quá trình đo đạc số liệu. Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã ủng hộ và tạo động lực rất lớn về mặt tinh thần, giúp em vượt qua khó khăn để có thể hoàn thành đề tài này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2018 TÓM TẮT Luận văn này sẽ giới thiệu cách xác định vị trí của một mục tiêu (nguồn sóng RF) trong một khu vực nhất định. Công việc này được thực hiện bằng cách sử dụng thông số cường độ sóng thu được (RSSI). Cụ thể, một số lượng thích hợp các trạm thu phát không dây được sử dụng để thu thập các giá trị cường độ tín hiệu nhận được từ mục tiêu. Các giá trị này sẽ được sử dụng làm đầu vào cho một thuật toán ước lượng có khả năng tính toán tọa độ 2D của mục tiêu. Theo kết quả của các thí nghiệm của bài luận, tính chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào số lượng trạm phát sóng không dây và chất lượng của thông số RSSI. Nói cách khác, nếu sử dụng tốt các giải thuật lọc để cải thiện thông số RSSI thì có thể làm tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị. Thêm vào đó, luận văn cũng đã giới thiệu một phiên bản cải tiến của thuật toán ước lượng có thể giúp cải thiện sai số trong một phạm vi chấp nhận được trong khi chúng ta chỉ sử dụng 4 trạm thu. Sau khi áp dụng phiên bản cải tiến này, lỗi dự kiến không được vượt quá 10%. ABSTRACT This thesis introduces the way to determine the position of a target (RF source) in a particular area. This work is carried out by using RSSI parameter. In detail, an appropriate number of wireless transceiver stations are used to collect received signal strength indicator values that received from the target. These values will be utilized as an input for an estimation algorithm which has ability to calculate 2D coordinate of the target. According to the result of our experiments, the accuracy of this method depends on the number of wireless transceiver station. In other words, the better filter solution to improve the RSSI parameter we exert, the higher accuracy we get. Therefore, this thesis has also recommended an improved version of the estimation algorithm which can help us keep the error in an acceptable range while we only use four transceiver stations. After having applied this improved version, the expected error is not higher than 10%. Keywords: RSSI, LQI; unknown source localization; DRSSI, Kalman filter LỜI CAM ĐOAN Việc sử dụng giá trị cường độ sóng RSSI để định vị nguồn phát sóng RF đã và đang được quan tâm nghiên cứu và thực hiện trong những năm gần đây bởi vì những ưu điểm của nó như sự đơn giản của hệ thống, giá thành thấp và có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Đã có vài nghiên cứu, bài báo trên thế giới về việc sử dụng giá trị RSSI để định vị thiết bị. Tại Việt Nam, việc định vị bằng cường độ sóng điện từ đặc biệt là với các nguồn phát sóng không biết công suất phát còn khá mới lạ, chưa thấy có công trình nào nghiên cứu chi tiết. Từ việc tham khảo các bài báo quốc tế, từ nhiều nguồn, nhiều tác giả khác nhau, tôi đã xây dựng thuật toán định vị nguồn phát sóng RF dùng thông số RSSI trong trường hợp không biết nguồn công suất phát và cải tiến giải thuật để nâng cao độ chính xác của kỹ thuật định vị. Tôi xin cam đoan, nội dung và các kết quả trình bày trong báo cáo này là hoàn toàn trung thực, dựa trên các số liệu do tôi khảo sát, đo đạc và ghi nhận trên thực tế, không sao chép từ bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đó. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2017 Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 6 1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 6 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ......................................................... 7 1.3 Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 10 1.4 Phạm vi thực hiện................................................................................................. 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 11 2.1 Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF .................................................... 11 2.2 Mối quan hệ giữa công suất tín hiệu nhận được và khoảng cách ........................ 12 2.3 Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách ................................................. 13 2.4 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI và kỹ thuật định vị dùng RSSI ..................... 14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................................... 18 3.1 Giới thiệu module CC1120 .................................................................................. 18 3.2 Khối điều khiển .................................................................................................... 21 3.3 Hoàn thiện phần cứng ......................................................................................... 23 3.4 Mạch thực tế:........................................................................................................ 27 CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120 ............................ 28 4.1 Cách đọc RSSI từ CC1120 ................................................................................... 28 4.2 Phương pháp khảo sát .......................................................................................... 28 4.3 Tính toán khoảng cách từ giá trị RSSI ................................................................. 30 Trang 2 4.4 Giải thuật lọc cải thiện thông số RSSI ................................................................. 31 CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN ĐỊNH VỊ BẰNG KỸ THUẬT DRSSI..... 38 5.1 Mô hình xác định vị trí nguồn phát vô tuyến. ...................................................... 39 5.2 Giải thuật xác định nguồn phát vô tuyến bằng kỹ thuật DRSSI .......................... 39 5.3 Giải thuật cải thiện độ chính xác của kỹ thuật định vị DRSSI ............................ 50 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................. 59 6.1 Kết quả khảo sát giá trị RSSI, hệ số suy hao môi trường. ................................... 59 6.2 Kết quả khảo sát giải thuật định vị ....................................................................... 63 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 74 7.1 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74 7.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI .................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 76 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 78 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ......................................................................................... 106 Trang 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mô hình truyền sóng trong không gian ......................................................... 14 Hình 2.2: Phương pháp định vị Trilateration ................................................................ 17 Hình 2.3: Phương pháp định vị Minmax ....................................................................... 18 Hình 2.4: Phương pháp định vị ROCRSSI .................................................................... 18 Hình 3.1: Sơ đồ chân chip CC1120 ............................................................................... 19 Hình 3.2: Kit CC1120 Evaluation Module 169MHz .................................................... 20 Hình 3.3: Giao diện phần mềm SmartRF Studio 7........................................................ 22 Hình 3.4: MSP430G2553 .............................................................................................. 22 Hình 3.5: Sơ đồ khối chức năng của vi xử lý MSP430G2553 ...................................... 24 Hình 3.6 Sơ đồ chân MSP430G2553 ............................................................................ 24 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý phần cứng ........................................................................... 25 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .......................................................................... 26 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển ................................................................... 26 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nạp dữ liệu ................................................................ 27 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối với kit CC1120 ............................................. 27 Hình 3.12: Hình ảnh thực tế phần cứng......................................................................... 28 Hình 4.1: Khảo sát giá trị RSSI và giá trị n ................................................................... 30 Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách và RSSI ............................ 32 Hình 4.3: Sơ đồ mô tả hoạt động của bộ lọc Kalman.................................................... 32 Hình 5.1: Mô hình xác định vị trí nguồn phát vô tuyến ................................................ 38 Hình 5.2: Tọa độ mục tiêu được tính toán bằng MATLAB .......................................... 48 Hình 5.3: Các khu vực định vị....................................................................................... 50 Hình 5.4: Mô hình tổng quát của hệ thống với mục tiêu bất kì. .................................... 51 Hình 5.5: Sơ đồ phân chia theo khu vực định vị ........................................................... 52 Hình 6.1: Khoảng cách thực tế và khoảng cách ước lượng trong môi trường 1 ........... 60 Hình 6.2: Khoảng cách thực tế và khoảng cách ước lượng (khảo sát 2) ....................... 61 Hình 6.3: Mô hình định vị nguồn phát sóng RF ............................................................ 63 Hình 6.4: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh)............................. 64 Hình 6.5: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh)............................. 65 Hình 6.6: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh)............................. 66 Trang 4 Hình 6.7: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh)............................. 67 Hình 6.8: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh)................................. 68 Hình 6.9: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh)................................. 69 Hình 6.10: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh)............................... 70 Hình 6.11: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh)............................... 71 Hình 6.12: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh)............................... 72 Hình 6.13: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X6 (đã hiệu chỉnh)............................... 73 DANH MỤC BIỂU BẢNG Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật module CC1120 ............................................................... 21 Bảng 4.1 Các giá trị đo đạc RSSI và tính toán giá trị n................................................. 30 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát sự thay đổi của giá trị RSSI theo khoảng cách (1) ............. 31 Bảng 4.3: Kết quả khảo sát sự thay đổi của giá trị RSSI theo khoảng cách (2). ........... 38 Bảng 5.1: Kết quả ước lượng tọa độ mục tiêu với giá trị RSSI ước lượng ................... 49 Bảng 5.2: Kết quả ước lượng tọa độ mục tiêu sau hiệu chỉnh ...................................... 58 Bảng 6.1: Khảo sát giá trị RSSI trong môi trường 1 ..................................................... 59 Bảng 6.2: Khảo sát giá trị RSSI trong môi trường 2 (cải thiện bộ lọc) ......................... 61 Bảng 6.3: Bảng so sánh sai số trước và sau áp dụng bộ lọc .......................................... 62 Bảng 6.4: Kết quả định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 64 Bảng 6.5: Kết quả định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 65 Bảng 6.6: Kết quả định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 66 Bảng 6.7: Kết quả định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 67 Bảng 6.8: Kết quả định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh) ................................................ 68 Bảng 6.9: Kết quả định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh) ................................................ 69 Bảng 6.10: Kết quả định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 70 Bảng 6.11: Kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 71 Bảng 6.12: Kết quả định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 72 Bảng 6.13: Kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 73 Trang 5 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2D Two Dimensional space 3D Three Dimensional space AOA Angle of arrival GPS Global positioning system ISM The Industrial Scientific Medical band LOS Line-of-Sight 3MCU Microcontroller Unit NLOS Non Line-of-Sight RF Radio frequency Ring-Overlapping based on Comparison of ROCRSSI Received Signal Strength Indicator RSS Received signal strength RSSI Received Signal Strength Indicator RX TDOA TI TOA TX UART Reciever Time difference of arrival Texas Instruments Time of arrival Transmitter Universal Asynchronous receive/Transmitter Trang 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Chính phủ đã xây dựng quy hoạch sử dụng tần số, thúc đẩy sự phát triển thông tin vô tuyến trên tất cả các lĩnh vực như: phát thanh truyền hình, thông tin di động, dẫn đường hàng không, hàng hải, đến những hệ thống thông tin dùng riêng, an ninh quốc phòng. Quy hoạch tần số là một trong những nội dung đặc biệt quan trọng trong quản lý tần số, có ý nghĩa to lớn trong việc đảm bảo hiệu quả sử dụng phổ tần cũng như thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ thông tin vô tuyến. Năm 1998, Cục Tần số đã chủ trì xây dựng và được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện của Việt Nam cho các nghiệp vụ”. Quy hoạch này tiếp tục được hoàn thiện và được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt vào các năm 2005, 2009 với tên gọi “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện quốc gia”. Ngày 21 tháng 11 năm 2013, Thủ tướng chính phủ đã có Quyết định số 71/2013/QD-TTg về việc ban hành “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện quốc gia” là Quy hoạch được áp dụng hiện nay. Công tác kiểm tra kiểm soát, xử lý vi phạm và xử lý can nhiễu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo thực thi quyền quản lý nhà nước về tần số. Bằng các công nghệ kiểm soát đa năng, hiện đại và trang thiết bị kiểm soát chuyên dụng, Cục tần số đã thực hiện kiểm soát thường xuyên các dải tần từ (9 kHz-3GHz) tại tất cả các tỉnh thành trên toàn quốc, chú trọng kiểm soát các mạng đài HF phục vụ an toàn cứu nạn, hàng không hàng hải, phòng chống bão lụt, kiểm soát các băng tần HF, V/UHF của PTTH, của các phương tiện đánh bắt cá xa bờ. Nhờ tăng cường kiểm soát thường xuyên và mở rộng địa bàn kiểm soát, số vụ vi phạm đã giảm đáng kể, trật tự sử dụng phổ tần được thiết lập, ý thức tiết kiệm và tuân thủ quy định pháp luật trong sử dụng phổ tần của các tổ chức và cá nhân ngày càng được nâng cao; Trang 7 mặt khác hoạt động kiểm soát cũng đã hỗ trợ rất tốt cho các cơ quan an ninh, quốc phòng phá nhiều vụ án liên quan đến tội phạm công nghệ cao. Tuy công tác quản lý của Nhà nước và ý thức chấp hành của người dân và tổ chức đã có bước tiến bộ. Tuy nhiên, trên thực tế vẫn còn nhiều hành vi vi phạm trong việc sử dụng thiết bị thu phát tần số không phép (do chủ quan hoặc khách quan) như bộ đàm, điện thoại nội bộ không dây và nhiều thiết bị khác, gây ảnh hưởng đến tần số điều tiết không lưu, hàng hải, viễn thông di động, an ninh – quốc phòng... Ngày nay, nhu cầu sử dụng các thiết bị hay truyền dữ liệu không dây dần phát triển và mở rộng với quy mô lớn do tính tiện lợi của nó như tiết kiệm chi phí, thuận tiện bảo trì và tạo vẽ mĩ quan xung quanh. Chẳng hạn như các thiệt bị bộ đàm, các đài truyền hình. Tuy nhiên chính vì sự thuận tiện của nó nên một số cá nhân, doanh nghiệp đã sử dụng trái phép các dải tần để phát các tín hiệu với công suất mà chúng ta không biết được. Vì vậy Cục tần số phải thường xuyên kiểm tra để bảo đảm sự hoạt động ổn định của môi trường truyền dẫn không dây, tuy nhiên các thiết bị kiểm tra có giá thành khá cao vì vậy số lượng hạn chế không thể kiểm tra trên diện rộng. Để khắc phục vấn đề này, một hệ thống xác định vị trí nguồn phát để hạn chế những khuyết điểm trên là cần thiết, vì vậy tôi chọn hướng đề tài là kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF dựa trên cường độ sóng RSSI và cụ thể là trong trường hợp không biết nguồn công suất phát (DRSSI), kết hợp với nghiên cứu các giải thuật để cải thiện độ chính xác của thông số RSSI, từ đó sẽ tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị này. 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Sử dụng sóng vô tuyến để xác định vị trí trong môi trường không phải là đề tài mới, đã có nhiều tác giả nước ngoài nghiên cứu và áp dụng thành công phương pháp này. Một trong những ứng dụng điển hình có thể kể đến là dự án “Precision Personnel Location System” (Hệ thống định vị cá nhân chính xác) được áp dụng để theo dõi vị trí và giám sát tình trạng sức khỏe của lính cứu hỏa đang làm việc trong tòa nhà đang cháy, của nhóm tác giả Khoa Điện tử - Máy tính, trường Đại học Tổng hợp Worcester (WPI). Trang 8 Về lý thuyết, có nhiều phương pháp nghiên cứu cách xác định vị trí nguồn phát tín hiệu cao tần (hay định vị vị trí) kể cả indoor và outdoor với kết quả tương đối tốt như: - Hệ thống định vị sử dụng phương pháp AOA. - Hệ thống định vị sử dụng phương pháp TOA. - Hệ thống định vị sử dụng phương pháp TDOA. - Hệ thống định vị sử dụng kết quả đo cường độ tín hiệu RSSI. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và khuyết điểm riêng như phương pháp AOA đòi hỏi phải có anten định hướng chính xác, phần cứng phức tạp; phương pháp TOA đòi hỏi tất cả các máy phát và máy thu trong hệ thống phải đồng bộ chính xác; trong khi phương pháp sử dụng kết quả đo cường độ tín hiệu RSSI thì không cần anten định hướng chính xác, phần cứng đơn giản và việc phát triển hệ thống chỉ cần dựa vào thuật toán. Từ một số hệ thống định vị nêu trên, tác giả chọn hệ thống định vị sử dụng đo lường cường độ tín hiệu RSSI làm hướng của đề tài kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF dựa trên cường độ sóng RSSI để thực hiện với mục đích xây dựng, kiểm chứng và phát triển một phương pháp xác định vị trí nguồn phát trong trường hợp không biết công suất của nguồn phát. Với phương pháp định vị sử dụng đo cường độ sóng vô tuyến RSSI hiện nay trên thế giới và trong nước đã và đang có nhiều công trình nghiên cứu được công bố, trong đó có thể kể đến là: - “DuRT: Dual RSSI Trend Based Localization for Wireless Sensor Networks” Pratap Kumar Sahu, Eric Hsiao-Kuang Wu, Member, IEEE, and Jagruti Sahoo: Ieee Sensors Journal, Vol. 13, No. 8, August 2013 [20]. Trong bài báo này, tác giả đề xuất một sơ đồ định vị dựa trên RSSI xem xét các xu hướng của giá trị RSSI thu được từ đèn hiệu (beacon) để ước lượng vị trí của các nút cảm biến. Thông qua việc áp dụng mô hình đa thức về mối quan hệ giữa RSSI nhận Trang 9 được và khoảng cách, tác giả xác định vị trí các điểm RSSI tối đa trên quỹ đạo neo. Sử dụng hai quỹ đạo như vậy, vị trí cảm biến được xác định bằng cách tính toán các giao điểm của đường vuông góc đi qua các điểm RSSI tối đa trên mỗi quỹ đạo. Ngoài ra, tác giả đã đưa ra sơ đồ cải thiện phương thức định vị để thực hiện theo một loạt các trường hợp như quỹ đạo duy nhất, không có sẵn giá trị RSSI tuyệt đối. Phương pháp này tác giả sử dụng giải thuật biết công suất nguồn phát. - “Giải thuật định vị vị trí trong không gian 3-D cho thẻ RFID dựa vào cường độ tín hiệu (RSSI)” của nhóm tác giả: Vũ Đức Lung, Phan Đình Duy và Phạm Quốc Cường - Trường Đại học Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [16]. Bài viết này giới thiệu kỹ thuật định vị 3D sử dụng cường độ sóng RSSI để định vị các quyển sách trên kệ trong thư viện. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 33 (2014): 83-91. Giải thuật này dùng trong môi trường cố định, biết trước công suất nguồn phát. - Lanxin Lin, H. C. So, Y. T. Chan, “Accurate and Simple Source Localization Using Differential Received Signal Strength” [2] Giải thuật vi phân công suất tín hiệu nhận (DRSS) được phát triển bởi các tác giải từ các trường đại học của Hong Kong và Canada. Giải thuật này dùng để xác định vị trí nguồn phát sóng khi không biết công suất phát dựa trên kỹ thuật Weighted Least Squares (WLS). Bước đầu tiên của giải thuật là tính được một ước lượng không chênh lệch của các dãy bình phương và giới thiệu một biến phụ. Bước thức hai khai thác mối quan hệ giữa biến phụ và vị trí nguồn thông qua bước WLS thứ hai. Trong quá trình hoạt động, giải thuật cần có ít nhất 4 trạm đóng vai trò các trạm tham khảo và yêu cầu các thông tin như tọa độ các trạm tham khảo, hệ số truyền sóng của môi trường và các giá trị RSSI thu được từ các trạm mục tiêu Nhìn chung, các công trình nghiên cứu xác định vị trí dựa vào cường độ sóng điện từ RSSI được công bố và áp dụng được hiện nay chủ yếu phát triển trên giải thuật biết công suất phát để kiểm tra đối tượng. Vài năm gần đây, trên thế giới có một số bài Trang 10 báo nghiên cứu và phát triển thuật toán xác định vị trí nguồn phát bằng kỹ thuật DRSSI, không biết công suất nguồn phát, tuy nhiên chỉ dừng lại ở công trình nghiên cứu trên cơ sở toán học, chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm. Riêng tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về giải thuật xác định vị trí nguồn phát trong điều kiện biết công suất nguồn phát cũng ít và việc nghiên cứu về giải thuật xác định vị trí nguồn phát trong điều kiện không biết công suất nguồn phát có rất ít các công trình đã nghiên cứu. 1.3 Mục tiêu đề tài Kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF sử dụng thông số RSSI hiện nay có độ chính xác tương đối vì thông số RSSI thu được không ổn định do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Do đó việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện độ chính xác cho thông số RSSI sẽ giúp tăng độ chính xác trong kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF bằng phương pháp RSSI. Đặc biệt trong trường hợp không biết công suất nguồn phát thì lại càng hữu ích vì đòi hỏi độ chính xác cao của thông số RSSI, từ đó làm tăng độ chính xác của phương pháp định vị DRSSI. Luận văn có 2 nhiệm vụ chính sẽ thực hiện: + Khảo sát, xây dựng giải thuật cho kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF trong trường hợp không biết trước công suất nguồn phát (DRSSI: Differential Received Signal Strength). + Nghiên cứu giải pháp cải thiện độ chính xác của giải thuật DRSSI. 1.4 Phạm vi thực hiện Trong đề tài này, hệ thống sẽ được xây dựng ở mức mô hình, có khả năng phát hiện vị trí của nguồn phát sóng vô tuyến trong phạm vi giới hạn khi không biết công suất phát. Cụ thể, các kết quả sẽ được khảo sát và tính toán ở sân bóng đá Trường Đại học Cần Thơ, sân bóng đá Quân khu 9 (Tp. Cần Thơ) và hệ thống sẽ chỉ khảo sát trên một tần số duy nhất 169MHz. Trang 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF Đối tượng cần xác định vị trí là thiết bị phát sóng vô tuyến mà chúng ta cần biết vị trí trên phạm vi xác định. Bằng kỹ thuật tính toán, chúng ta cần tính toán vị trí của đối tượng dựa vào cường độ tín hiệu RSSI, so với các vị trí tham chiếu để có thể định vị vào trong khu vực thiết. Có nhiều phương pháp xác định vị trí của đổi tượng phát sóng vô tuyến, phần này tác giả sẽ giới thiệu các phương pháp phổ biến thường được sử dụng (AOA, TOA, TDOA, RSSI). 2.1.1 Kỹ thuật AOA [1] AOA (Angle of Arrival) là kĩ thuật xác định vị trí của thiết bị thu dựa vào hướng tới của tín hiệu được truyền từ các thiết bị phát (điểm tham khảo). Nói cách khác, kỹ thuật AOA dựa vào sự khác biệt về thời gian truyền nhận hoặc pha của tín hiệu giữa các phân tử riêng biệt của ăng ten mảng. Kỹ thuật AOA không yêu cầu sự đồng bộ về thời gian nhưng cần phải có một mảng ăng ten có tính định hướng cao để xách định chính xác góc tới của tín hiệu, điều này làm phần cứng của hệ thống trở nên phức tạp và tốn nhiêu chi phí. 2.1.2 Kỹ thuật TOA, TDOA [1] TOA (Time of Arrival) là kỹ thuật xác định thời gian truyền tín hiệu giữa máy phát và máy thu trong khi TDOA (Time Difference of Arrival) xác định sự khác nhau trong thời gian truyền giữa hai trạm qua những lần đo khác nhau. Với tốc độ truyền sóng trong môi trường biết trước, khoảng cách giữa máy phát và máy thu được tính toán khá dễ dàng. Hai kỹ thuật này có ưu điểm là cho độ chính xác rất cao nên được sử dụng trong hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứng dụng về quân sự khác. Để sử dụng hai kỹ thuật này cần phải có sự đồng bộ về thời gian giữa hai bên thu phát, điều này rất quan trọng và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của quá trình tính toán. Đây là khuyết điểm Trang 12 khá lớn, nó đòi hỏi về phần cứng rất phức tạp, kéo theo sự tốn kém trong quá trình triển khai hệ thống. 2.1.3 Kỹ thuật RSSI RSSI (Received Signal Strength Indicator) là một đại lượng đặt trưng cho công suất tín hiệu nhận được tại máy thu, đơn vị thường là dBm. Giá trị RSSI tỉ lệ với khoảng cách do đó sử dụng giá trị RSSI có thể tính được khoảng cách giữa máy phát và máy thu và với ít nhất ba giá trị RSSI đo được, vị trí của máy phát sẽ được xác định. Kỹ thuật này khắc phục được tất cả các yếu điểm của các kỹ thuật vừa nêu như hầu hết các thiết bị thu phát hiện nay đều hỗ trợ đọc giá trị RSSI, giá thành thấp và sự đơn giản trong phần cứng hệ thống. Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là sự biến động của các giá trị RSSI. Sự ảnh hưởng của môi trường truyền sóng đặc biệt là các môi trường phức tạp làm cho tín hiệu truyền đi bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ vv… và đến máy thu với nhiều đường khác nhau tại những thời điểm khác nhau (hiện tượng Fading). Điều này làm cho công suất nhận được tại máy thu tăng hoặc giảm bất định, không phản ánh đúng khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục bằng những giải thuật lọc RSSI phù hợp nhằm giữ độ chính xác của hệ thống nằm trong giới hạn cho phép. 2.2 Mối quan hệ giữa công suất tín hiệu nhận được và khoảng cách1 RSSI thể hiện cường độ tín hiệu nhận được, đây là tham số quan trọng và có quan hệ với gói tin nhận được. Nếu giá trị RSSI càng lớn thì tín hiệu thu được có tỉ lệ lỗi (BER) càng thấp. Dưới ngưỡng Pth thiết bị sẽ không thu được. RSSI tỉ lệ nghịch với khoảng cách theo hàm logarit, vì thế giá trị RSSI có dạng hàm mũ giảm theo công thức: 𝐑𝐒𝐒𝐈𝐝 = 𝐑𝐒𝐒𝐈𝐝𝟎 − 𝟏𝟎𝐧𝐥𝐨𝐠 𝟏𝟎 (𝐝) (2.1) Trong đó : o RSSId : Giá trị RSSI nhận được tại khoảng cách d, đơn vị dBm. o RSSId0 : Giá trị RSSI tham khảo tại vị trí tham chiếu d0, đơn vị dBm. 1 Jiuqiang Xu, “Distance Measurement Model Based on RSSI in WSN”(2010). Trang 13 o n : Hệ số tổn hao của môi trường. o d : Khoảng cách, đơn vị m. Hình 2.1: Mô hình truyền sóng trong không gian Từ mô hình trên, ta thấy giá trị RSSI không những phụ thuộc vào khoảng cách, mà nó còn phụ thuộc vào các yếu tố môi trường. Các vật cản trên đường truyền sóng như tòa nhà, phương tiện giao thông, cây cối, v.v… làm cho tín hiệu nhận được tại trạm thu không được ổn định. Vì thế, giá trị RSSI sau khi nhận được cần phải đưa qua mạch lọc nhằm hạn chế sai số khi tính toán. Kỹ thuật định vị dựa vào giá trị RSSI tuy kết quả cho độ chính xác không cao, nhưng đây là một kỹ thuật không quá phức tạp, chi phí thực hiện không cao, phù hợp cho mục đích nghiên cứu và xây dựng một ứng dụng xác định vị trí sóng vô tuyến cơ bản. RSSI là tham số chính cho việc xác định vị trí sử dụng trong đề tài này. 2.3 Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách Công thức thể hiện mối quan hệ giữa RSSI và công suất truyền [10]: 𝑑 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( ) + 𝑋𝜎 𝑑0 Trong đó:  PT: Công suất phát, đơn vị dBm.  PL(d0): Chuẩn tổn hao tại d0, đơn vị dBm. (2.2) Trang 14  n: Hệ số tổn hao của môi trường.  X: Biến Gaussian ngẫu nhiên. Khi d = d0 ta có: 𝑑 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( ) + 𝑋𝜎 (2.3)  𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) + 𝑋𝜎 (2.4) 𝑑0 Thay (10b) vào (9) : 𝑑 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0 − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( ) 𝑑0 (2.5) Chuyển vế và lấy logarit hai vế : 𝑑 𝑑0 = 10(𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0−𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑)/10𝑛 (2.6) Cuối cùng ta được công thức thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách và cường độ RSSI : 𝑑 = 𝑑0 10(𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0−𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑)/10𝑛 (2.7) 2.4 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI và kỹ thuật định vị dùng RSSI Kỹ thuật định vị dựa vào giá trị RSSI tuy kết quả cho độ chính xác không cao, nhưng đây là một kỹ thuật không quá phức tạp, chi phí thực hiện không cao, phù hợp cho mục đích nghiên cứu và xây dựng một ứng dụng xác định vị trí sóng vô tuyến cơ bản. Giá trị RSSI tỉ lệ nghịch với với khoảng cách, RSSI càng suy giảm khi khoảng cách truyền nhận càng xa giá trị này giảm đều, ổn định trong phạm vi nhỏ hơn 40m. Ở khoảng cách xa hơn, giá trị ghi nhận được thiếu ổn định do ảnh hưởng bởi nhiễu. Ngoài ra, giá trị này cũng phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh.