Tiểu luận kỹ thuật định vị trong uWB

Để ước tính vị trí của một nút được gọi là nút đích trong mạng vô tuyến, thìcần phải trao đổi các tín hiệu giữa nút đích và nhiều nút tham chiếu.. Việc ước tính vị trí có thể được thực h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN TRUYỀN THÔNG BĂNG SIÊU RỘNG

Giảng viên hướng dẫn: TS ĐẶNG QUANG HIẾU Học viên:

Chương I: ĐỊNH VỊ TRONG VÔ TUYẾN BĂNG SIÊU RỘNG

UWB 2.1 Giới thiệu

Việc ước tính khoảng cách (Ranging) và định vị trí (Positioning) có vai trò

rất quan trọng trong thiết kế các mạng truyền thông không dây Công nghệ UWBđược xem là công nghệ duy nhất có khả năng định vị và xác định khoảng cách chínhxác trong mạng cảm biến không dây (WSN) Sự phổ biến của mạng cảm biến khôngdây đã và đang diễn ra, bởi khả năng hỗ trợ của nó cho việc thông tin Máy tới Máyvới chi rất thấp Sự phát triển của mạng cảm biến không đây WSN được coi là bảnsao của sự bùng nổ mạng WLAN trong những năm gần đây

Để ước tính vị trí của một nút (được gọi là nút đích) trong mạng vô tuyến, thìcần phải trao đổi các tín hiệu giữa nút đích và nhiều nút tham chiếu Việc ước tính vị

trí có thể được thực hiện theo hai phương thức là: (i) phương thức trực tiếp từ tín hiệu (được gọi là định vị trực tiếp); (ii) phương thức hai bước, trong đó trước hết

các tham số đặc trưng cho định vị trí được tách ra từ tín hiệu thu, sau đó thực hiệnước tính vị trí dựa vào các tham số này Mặc dù phương thức hai bước là cận tối ưunhưng ít phức tạp hơn phương thức trực tiếp Hơn nữa, khi tỷ số tín hiệu trên tạp âmSNR và/hoặc độ rộng băng tần của tín hiệu đủ lớn thì hiệu năng của hai phươngthức này gần như nhau Do đó, phương thức thứ hai thường được chấp nhận ở hầuhết các hệ thống thực tế Vì vậy, chương này chỉ tập trung trình bày phương thứcthứ hai này Muốn vậy, trước hết ước tính các tham số của tín hiệu thu liên quan đếnviệc định vị như: cường độ điện trường của tín hiệu thu RSS; thời gian đến TOA;hướng góc đến AOA, sau đó thực hiện ước tính vị trídựa vào các tham số này

2.2 Ước tính tham số và định vị

Thuật ngữ “khoảng cách: Ranging” và “định vị trí: Positing”, cũng như “định

vị nội bộ: Localization”, được dùng trong các tài liệu một cách rất linh hoạt; không

có nhận thức hay quy ước chung về ngữ nghĩa chính xác của các thuật ngữ này Do

đó, ở đây xác lập một số định nghĩa sẽ được sử dụng như: khoảng cách, định vị núttrung tâm, định vị tương đối, và định vị tuyệt đối hay định vị địa lý

Ước tính khoảng cách được xác định là việc tính toán khoảng cách từ nút

đích đến nút tham chiếu Nút tham chiếu muốn có được thông tin về khoảng cách về

nút đích trong mạng bằng cách thiết lập một kết nối truyền thông ngang hàng

(peer-to-peer) tới nút đích Liên kết này được sử dụng để ước lượng các giá trị của tham

số mà được dùng ở nút tham chiếu cho việc ước tính khoảng cách từ nó tới nút đích.Các tham số này có được dựa trên việc ước lượng giá trị suy hao của kênh hoặc trễtruyền sóng

Hình 2 1: a) Định vị theo nút trung tâm; b) Định vị tương đối

Định vị theo nút trung tâm được xác định là việc tính toán các vị trí của một

tập các nút đích đối với một nút tham chiếu Định vị theo nút trung tâm cũng cóđược dựa trên các kết nối ngang hàng, sao cho thông tin về góc và khoảng cách củatừng nút đích là khả đạt tại nút tham chiếu Ta lưu ý rằng, mỗi nút đều có thể đóngvai trò là một nút tham chiếu và tính toán vị trí của các nút khác theo hệ tham chiếuriêng của nó Hình 2.1a minh họa về phương pháp định vị theo nút trung tâm với hainút tham chiếu khác nhau Trong đó, N2 là nút tham chiếu và các thông tin định vị

theo nút trung tâm tới các nút đích N1 và N3 được ký hiệu là POS N2 (N1 ) và

POS N2 ( N3 )

Định vị tương đối được dùng để chỉ việc tính toán vị trí của một tập các nút

trong một hệ tọa độ chung Điểm khác nhau với việc định vị theo nút trung tâm làtất cả các nút chia sẻ cùng một hệ tham chiếu và mỗi nút chỉ liên kết với một tập cáctọa độ duy nhất Việc chấp nhận chia sẻ chung một hệ trục tọa độ ở tất cả các nútcần phải tổ chức tập các nút thành một mạng, cho phép trao đổi thông tin với nhau,theo một số nguyên tắc được thiết lập bởi các thuật toán dành riêng cho việc lựachọn hệ trục tọa độ chung và việc biên dịch hệ trục tọa độ của từng nút Hình 2.1b

minh họa về việc định vị tương đối, trong đó hệ tọa độ tham chiếu được trung tâm

vị địa lý) do các tọa độ được gắn với mỗi nút là duy nhất trên toàn cầu

Cả hai phương pháp định vị theo nút trung tâm và định vị tương đối đều cần

có thủ tục ưu tiên để lấy lại các khoảng cách Mức độ chính xác trong việc ước tínhkhoảng cách ảnh hưởng đến tính chính xác của thành quả định vị Kỹ thuật ước tínhkhoảng cách phải được lựa chọn phù hợp với yêu cầu của lớp ứng dụng

2.3 Phương pháp ước lượng tham số định vị

Việc xác định khoảng cách là việc ước tính khoảng cách d giữa máy phát vàmáy thu Nếu tín hiệu phát là s (t) , thì tín hiệu thu tương ứng được cho bởi [9]:

r (t )  h(t )  s (t )  n(t) (2.1)trong đó h (t) là đáp ứng xung kim của kênh và n (t) là tạp âm nhiệt Tại đây, luậnvăn coi tín hiệu được truyền qua kênh lý tưởng có đáp ứng xung được cho bởi:

Tín hiệu thu sẽ được viết lại là:

Phương trình (2.3) cho thấy, khoảng cách d có thể được ước tính từ: suy hao

a (d) hoặc trễ (d) Việc sử dụng a (d) hoặc (d) xác định phương pháp ước tínhkhoảng cách dựa vào: cường độ trường của tín hiệu thu (RSS: Received SignalStrength) hoặc thời gian đến (TOA: Time of Arrival) hay góc tới (AOA: Angle ofArrival)

2.3.1 Phương pháp cường độ trường của tín hiệu thu RSS

Ý tưởng chính của phương pháp dựa vào cường độ trường tín hiệu thu là,nếu biết trước mối quan hệ giữa suy hao công suất và khoảng cách thì cường độtrường của tín hiệu thu RSS tại một nút có thể được dùng để ước tính khoảng cáchgiữa nút này và nút phát, với điều kiện biết trước công suất phát (hình 2.2) Tuynhiên, do sự thiếu chính xác của việc đo xác định cường độ điện trường thu RSS (dotính cách của môi trường truyền sóng) và việc định lượng mối liên hệ giữa khoảngcách và giá trị suy hao (PL) nên sẽ gây ra sai số ước tính khoảng cách Tín hiệuUWB chịu ảnh hưởng bởi: pha đinh đa đường phạm vi hẹp, che chắn và suy haotrong quá trình di chuyển từ nút này đến nút khác Một cách lý tưởng, công suất tínhiệu (hay cường độ điện trường của tín hiệu thu, RSS) được trung bình hóa trongkhoảng thời gian đủ lâu sẽ loại bỏ được ảnh hưởng của pha đinh đa đường và chechắn, dẫn đến ta có thể biểu diễn công suất trung bình của tín hiệu thu theo phươngtrình sau

Trong các hệ thống UWB, ảnh hưởng của đa đường có thể được giảm đáng

kể bằng cách lấy tổng công suất của tất cả các thành phần đa đường Nói một cách

khác, nếu trong quá trình tính công suất trung bình mà thời gian tính tích phân T đủ

lâu (để chứa tất cả các thành phần đa đường có trong tín hiệu thu r(t)), thì giảmđược ảnh hưởng của pha đinh phạm vi hẹp, khi này công suất trung bình là:

Tuy nhiên, ảnh hưởng của che chắn thường có trong công suất của tín hiệuthu P d , nó được mô hình hóa là biến ngẫu nhiên phân bố log-normal Nói mộtcách khác, công suất tín hiệu thu theo đơn vị dB được mô hình hóa là mộtbiến ngẫunhiên phân bố Gausơ có trung bình là được cho bởi (2.4) và phương sai là

chệch và không chệch ở chương 1) Từ biểu thức (2.7) cho thấy, mức độ chính xác

về ước tính khoảng cách dựa vào cường độ trường của tín hiệu thu RSS phụ thuộcvào bộ ba tham số sh ; n; d, cụ thể là: ( i ) giới hạn dưới tăng (tính chính xác của

ước tính khoảng cách giảm) khi độ lệch chuẩn của che chắn tăng, bởi vì khi nàymức độ thay đổi cường độ trường của tín hiệu thu RSS quanh công suất trung bình

của nó nhiều hơn; ( ii ) số mũ tổn hao công suất lớn thì mức độ chính xác của ước

tính chính xác hơn và công suất trung bình trở nên nhạy cảm với khoảng cách hơnkhi n lớn; ( iii ) mức độ chính xác về ước tính khoảng cách giảm khi khoảng cách

giữa các nút tăng lên Hay nói cách khác, giới hạn dưới tăng tuyến tính (tỷ lệ thuận)theo khoảng cách và độ lệch chuẩn của che chắn nhưng tỷ lệ nghịch với số mũ tổnhao công suất Nói cách khác, mức độ chính xác của kết quả ước tính khoảng cáchphụ thuộc vào các tham số đặc trưng của môi trường truyền sóng

Nhược điểm: do sự thiếu chính xác của việc đo xác định cường độ điệntrường thu RSS (do tính cách của môi trường truyền sóng) và việc định lượng mốiliên hệ giữa khoảng cách và giá trị suy hao (PL) nên sẽ gây ra sai số ước tínhkhoảng cách theo phương pháp cường độ trường tín hiệu thu RSS

của dàn anten,  là góc đến AOA, và c là vận tốc ánh sáng Vì vậy, việc ước tính sự khác nhau về thời điểm đến cho ta thông tin về góc

Hình 2 3: Minh họa ước tính góc đến AOA: a) nút tham chiếu đo xác định góc ψ giữa nó

và nút đích; b) quan hệ giữa sự khác nhau về thời điểm đến và ψ tại dàn anten.

Với các tín hiệu băng hẹp, sự khác nhau về thời điểm đến có thể được biểudiễn bằng sự dịch pha Theo đó, sự kết hợp của các phiên bản dịch pha của các tínhiệu thu tại các phần tử của dàn anten có thể được kiểm tra đối với các góc khácnhau để ước tính hướng của tín hiệu đến Tuy nhiên, với tín hiệu UWB (thời giancủa xung tín hiệu UWB rất nhỏ), ta phải xét các phiên bản trễ thời gian của tín hiệuthu, bởi lẽ một giá trị trễ thời gian không chỉ được biểu diễn bởi giá trị pha duynhất

Để có được giới hạn dưới theo lý thuyết về mức độ chính xác của phép đoAOA, xem xét một chuỗi gồm N a phần tử anten Ta ký hiệu rit  là tínhiệu thu tạiphần tử thứ i và được biểu diễn bởi:

r it  a.s t 

 i n i t, i  1, N a (2.8)

trong đó: s t  là tín hiệu phát; a là hệ số của kênh; i là trễ của tín hiệu khi đếnphần tử anten thứ i ; và ni t  là tạp âm Gausơ trắng cộng có trung bình không vàmật độ phổ N0 2

Trễ i có thể được biểu diễn như sau:

trong đó: i   N a1  i , i 1, , N a;d là khoảng cách giữa máy phát và trung

 2 

tâm của dàn anten thu

Khi các thành phần tạp âm tại các phần tử của dàn anten là độc lập, thì giớihạn dưới CRLB đối với ước tính góc  (ta lưu ý rằng, ˆ là ước tính của  ,

Var  ˆ làphương sai củaˆ ) được cho bởi:

trong đó: SNR a2E N0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm của từng phần tử dàn anten; E

là năng lượng của tín hiệu phát s t  ;  là độ rộng băng tần hiệu dụng của tín hiệu

s t được định nghĩa như sau:

 1  S f 2 1 2

với S f  là biến đổi Fourier của s t 

Từ biểu thức (2.12), ta thấy khi tăng SNR, tăng băng tần hiệu dụng, tăngkhoảng cách giữa các phần tử của dàn anten, tăng số phần tử anten đều nâng cao(cải thiện) tính chính xác của ước tính góc đến AOA Vì vậy, tín hiệu UWB có độrộng băng tần lớn sẽ dễ dàng có được kết quả đo chính xác về góc đến, đây cũng làkhả năng nổi trội của UWB trong việc định vị

Ta lưu ý rằng, dàn anten loại tuyến tính đồng khoảng cách giữa các phần tửcủa dàn anten (ULA) như trên hình 2.3 không thể phát hiện chính xác được các góctín hiệu đến là góc tù mà chỉ phát hiện chính xác đối với góc nhọn

2.3.3 Phương pháp thời gian đến TOA

Ta cần nhớ lại rằng, kỹ thuật RSS dựa vào việc phát tín hiệu tại một mứccông suất tham chiếu, mức công suất này được biết ở phía thu Máy thu đo đánh giácông suất của tín hiệu thu và rút ra được khoảng cách từ suy hao công suất đo được

Do quan hệ giữa suy hao và khoảng cách phụ thuộc vào tính cách của kênh truyềnsóng, nên cần có mô hình truyền sóng chính xác để việc ước tính khoảng cách đượctin cậy Tính di động của thiết bị đầu cuối và sự thay đổi ngẫu nhiên về tính cáchcủa kênh thực sự là thách thức lớn Sai số phát sinh đối với ước lượng RSS do hạnchế về phần cứng của thiết bị Đặc biệt là, máy phát phải phát xạ chính xác và ổnđịnh mức công suất tham chiếu Sự khác biệt giữa công suất phát thực tế và côngsuất tham chiếu phản ánh độ lệch có tính hệ thống Tóm lại, ước tính khoảng cáchdựa vào RSS không phải là một phương pháp chính xác cao, và việc chấp nhận nóđược hạn chế cho các ứng dụng xác định khoảng cách một cách sơ bộ

Kỹ thuật ước tính TOA tính toán khoảng cách dựa vào ước tính toán trễtruyền sóng giữa máy phát và máy thu TOA là phương pháp ước tính khoảng cáchđược dùng phổ biến nhất trong lĩnh vực Radar, và vì lý do này, thuật ngữ “TOA” và

“ranging” thường được hoán đổi cho nhau

Kết quả ước tính thời điểm đến của tín hiệu TOA cho ta thông tin về khoảngcách giữa hai nút bằng cách ước tính thời gian truyền tín hiệu từ một nút đến mộtnút khác Theo đó, việc ước tính thời điểm tín hiệu đến TOA tại một nút sẽ cung cấpmột vùng bất định được minh họa như hình 2.2b trong phương pháp ước tínhkhoảng cách dựa vào RSS Để tránh sự không rõ ràng (mức độ sai số) về ước tính

TOA, hai nút phải có một xung nhịp đồng hồ chung hoặc chúng phải trao đổi cácthông tin định thời với nhau thông qua giao thức cụ thể.

Kỹ thuật ước tính TOA kinh điển được thực hiện bởi bộ lọc thích hợp hay bộtương quan Tín hiệu thu tại một nút được biểu diễn như sau:

r t  a.s t    n t  (2.14)trong đó:  biểu thị thời gian đến TOA; a là hệ số kênh; n t  là tạp âm Gausơ trắng

có trung bình không và mật độ phổ N0 2 Sau đó, bộ tương quan sẽ tìm kiếm giá trịđỉnh của tương quan giữa rt và phiên bản dịch thời của tín hiệu stˆ

với trễ ˆ khác nhau Tương tự như trong sơ đồ dùng bộ lọc thích hợp, giá trị lớnnhất tại đầu ra bộ lọc bằng với giá trị lớn nhất đầu ra bộ tương quan tại thời điểmkết thúc của một chu kỳ ký hiệu mang tin (xem hình 2.4b) Các mô hình này là tối

ưu trong môi trường kênh AWGN đơn đường Ta cần lưu ý tính chất đặc trưng củakênh UWB so với kênh vô tuyến khác Tại đây, mục đích chính là xét mối quan hệgiữa độ rộng băng tần của tín hiệu UWB với các giới hạn về lý thuyết của ước tínhthời điểm đến TOA

Việc ước tính trễ là chủ đề then chốt trong truyền thông không dây vì nóđược yêu cầu để có được sự đồng bộ định thời ký hiệu giữa máy phát và máy thu[3] Một số giải pháp cho vấn đề này sẵn có trong các tài liệu Hầu hết chúng đềuđược rút ra từ bộ ước tính theo nguyên tắc khả năng giống nhất ML, được xác địnhnhư sau

truyền sóng theo nguyên tắc ML được ký hiệu là ˆML , nghĩa là tồn tại một giá trị

ˆML làm giảm thiểu hàm khả năng giống ML Vì vậy, ước tính ˆML được biểu diễnnhư sau[3]:

Sơ đồ đồng bộ phổ biến thực hiện xấp xỉ hóa ước tính trễ theo nguyên tắc

ML được gọi là bộ đồng bộ mở cổng sớm muộn Để làm sáng tỏ hoạt động của bộ

s(t) R S (  )

Mẫu tối ưu



t

a) Đầu vào bộ lọc thích hợp b) Đầu ra bộ lọc thích hợp

Hình 2 4: Xung chữ nhật s (t ) có độ rộng T và đầu ra R s  của bộ lọc thích hợp

Ta lưu ý rằng, RS () biểu trưng cho tín hiệu đầu ra của máy thu tương quan

Vì vậy, ta có được giá trị đỉnh bằng cách lấy mẫu tín hiệu RS() tại   T (xem hình2.4b)

Bộ đồng bộ cổng sớm-muộn khai thác tính đối xứng của tín hiệu tại đầu ra

bộ tương quan RS() , nghĩa là, RS (T) RS (T) Bộ đồng bộ trích ra 2 giá trị

từ RS ( ) tại các vị trí đối xứng qua giá trị đỉnh kỳ vọng   Tbằng cách lấy mẫu đầu

ra của bộ tích phân của máy thu tương quan tại   T  và   T  Sau đó, bộđồng bộ ước lượng đại lượng R dưới đây:

Trong trường hợp đồng bộ không hoàn hảo, bộ đồng bộ đưa vào một trễ bổsung và tính toán lại giá trị của R Sau đó điều chỉnh giá trị của trễ bổ sung đến khi

R = 0 bằng cách sử dụng vòng lặp điều khiển kín làm thay đổi giá trị của trễ bổsung dựa trên đầu ra của biểu thức (2.16) Trễ bổ sung cuối cùng biểu trưng cho ướctính trễ ngẫu nhiên mong muốn

Lưu ý rằng, khi sơ đồ trên được sử dụng cho các mục đích đồng bộ, nó bù trễbất kỳ giữa tín hiệu thu và tín hiệu tham chiếu Các nguyên nhân gây trễ bao gồmtrễ truyền sóng và sự mất đồng chỉnh giữa xung nhịp đồng hồ của máy phat và xungnhịp đồng hồ của máy thu Khi áp dụng sơ đồ này vào việc xác định khoảng cách(ranging), điều cốt yếu là phải đạt được định thời tham chiếu chung giữa máy phát

và máy thu, để tách biệt (cô lập) trễ do truyền sóng Trong các ứng dụng radar, thamchiếu định thời chung vốn đã được cấp bởi thực tế là máy phát và máy thu cùngđược định vị vật lý, vì việc ước lượng cự ly đến mục tiêu dựa trên tín hiệu phản hồi.Ngược lại, để bắt được cự ly (khoảng cách) giữa các thiết bị truyền thông khácnhau, cần phải có một giao thức bắt tay đo xác định cự ly giữa máy phát và máy thunhằm đạt được sự đồng bộ trong điều kiện ràng buộc về mức độ chính xác cụ thể.Chủ đề này được diễn đạt đối với trường hợp hệ thống UWB trong (Fleming andKushner, 1997), ở đó đề xuất một số sơ đồ để đạt được tham chiếu định thời chunggiữa hai thiết bị UWB, được biểu diễn trong hình 2.6cho trường hợp đã chọn

Trong hình 2.6 nút tham chiếu N1 gửi một gói tin tại thời điểm t0 Nút đíchN2 nhận gói tin tại thời điểm t0+ và cộng tác với nhau trong quá trình đo xác định

cự ly bằng cách phản hồi chính gói tín đó tại thời điểm t0 +  +  , với  là trễ thời

gian cố định  đủ lớn để chứa đựng các trễ do xử lý tín hiệu tại nút đích (trễ do xử

lý tín hiệu), và trễ này được biết tại cả máy phát và máy thu Nút tham

chiếu N1 nhận gói tin phản hồi tại thời điểm t1 = t0 +  +  +  , và suy ra được trễ

truyền sóng như sau:

2

Ta lưu ý rằng, quá trình này cung cấp việc đo xác định cự ly chỉ đối với N 1mà

không phải là N 2 Hoặc là gói tin đo cự ly bổ sung từ N 1 đến N 2 hoặc là truyền thông

tường minh về khoảng cách đo được bởi N 1 cần phải cung cấp cho N 2 bằng đo ướclượng cự ly

Hình 2 6: Quá trình trao đổi bắt tay đo cự ly đối với các 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 phù hợp với vôtuyến UWB, nhờ băng thông siêu rộng Độ chính xác của ước tính TOA được biểudiễn bởi phương sai của sai số ước tính TOA, 2 , thực tế nó liên quan đến độ rộngbăng tần của tín hiệu và SNR tại máy thu Theo lý thuyết tổng quát về bộ ước tính

ML, giới hạn dưới đối với 2trong môi trường kênh AWGN được cho bởi giới hạndưới Cramer-Rao, CRLB

Cũng vậy, với mô hình tín hiệu như ở biểu thức (2.14), giới hạn CRLB (2.18)được viết lại là:

Var ˆ 

1

(2.19a

2 2 SNR

trong đó: ˆ là ước tính thời gian đến; SNR = a2 E N0 là tỷ số tín hiệu trên tạp âm;

E là năng lượng của tín hiệu;  là độ rộng băng tần tín hiệu hiệu dụng của tín hiệuđược định nghĩa bởi (2.13)

Ta lưu ý rằng, khác với ước tính cường độ trường của tín hiệu thu RSS, mức

độ chính xác của ước tính thời điểm đến của tín hiệu TOA được cải thiện bằng cáchtăng SNR và/hoặc độ rộng băng tần hiệu dụng của tín hiệu Vì tín hiệu UWB cóbăng tần rất rộng nên thuộc tính này cho phép ước tính khoảng cách có độ chính xáccao khi dùng ước tính TOA

2.3.4 Phương pháp vi sai thời gian đến TDOA

Theo quy ước, phương pháp ước tính khoảng cách dựa trên TOA cần có sựđồng bộ giữa nút đích và các nút tham chiếu Tuy nhiên, phương pháp dựa vàoTDOA không cần phải đồng bộ giữa nút tham chiếu và nút đích, mà chỉ cần có sựđồng bộ giữa các nút tham chiếu với nhau Trong trường hợp này, sự sai khác vềthời điểm đến của tín hiệu giữa nút đích và nút tham chiếu được ước tính Điều này

sẽ định vị nút đích trên một hình hyperbol với tiêu điểm là vị trí của hai nút thamchiếu như hình 2.7a