Luận văn thạc sĩ về hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ UWB

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu máy tính hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ uwb, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Bùi Ngọc Can
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Hoàng Anh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Hệ thống định vị trong nhà sử dụng công nghệ UWB
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Định vị trong nhà (Indoor localization) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong bối cảnh phát triển công nghệ hiện đại, đặc biệt là trong thời đại 4.0. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng công nghệ UWB để xây dựng một hệ thống định vị trong nhà hiệu quả. UWB (Ultra Wideband) nổi bật với khả năng cung cấp độ chính xác cao và tốc độ truyền dữ liệu lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường trong nhà. Đặc biệt, luận văn sẽ nghiên cứu và phát triển các mô hình nhằm giảm thiểu sai số định vị trong hai trường hợp: không có vật cản (LOS) và có vật cản (NLOS). Việc tìm hiểu về module UWB DWM1001C và thực hiện các thí nghiệm trên phần cứng này sẽ là những bước quan trọng trong quá trình nghiên cứu.

1.1 Lý do và động lực thực hiện đề tài

Sự gia tăng nhu cầu về định vị trong nhà đã dẫn đến việc áp dụng các công nghệ mới nhằm cải thiện độ chính xác và hiệu suất. Công nghệ UWB đã chứng minh được ưu thế vượt trội so với các công nghệ khác như WiFi hay Bluetooth, với khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường có nhiều vật cản. Luận văn này không chỉ tìm hiểu về công nghệ UWB mà còn phát triển các mô hình định vị nhằm giảm thiểu sai số, qua đó nâng cao hiệu quả của các ứng dụng IoT trong không gian sống thông minh.

II. Công nghệ UWB

Ultra-Wideband (UWB) là một công nghệ không dây có khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. UWB hoạt động trên một băng tần rộng, cho phép truyền tín hiệu trong khoảng cách từ 10 đến 20 mét với độ chính xác dưới 10 cm. Các đặc tính nổi bật của công nghệ UWB bao gồm tốc độ truyền dữ liệu cao, khả năng chống nhiễu tốt và chi phí thấp trong thiết kế hệ thống. UWB không yêu cầu sóng mang, điều này giúp đơn giản hóa cấu trúc và giảm chi phí thiết bị. Việc nghiên cứu và áp dụng công nghệ UWB trong hệ thống định vị trong nhà sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực IoT.

2.1 Đặc điểm và ưu điểm của UWB

UWB có nhiều ưu điểm nổi bật, trong đó tốc độ dữ liệu cao và mức tiêu thụ năng lượng thấp là hai yếu tố quan trọng. Tốc độ truyền dữ liệu lên tới 500 Mbps trong khoảng cách dưới 10m giúp UWB trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao. Hơn nữa, khả năng chống nhiễu của UWB cũng giúp tín hiệu ổn định hơn trong môi trường phức tạp. Điều này đặc biệt quan trọng trong định vị trong nhà, nơi mà các vật cản có thể gây ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của tín hiệu. Do đó, việc áp dụng UWB trong hệ thống định vị không chỉ mang lại hiệu quả cao mà còn giảm thiểu chi phí.

III. Xây dựng mô hình định vị

Mô hình định vị được xây dựng dựa trên việc áp dụng các thuật toán machine learning như kNN và ANN kết hợp với LSTM. Các mô hình này giúp tối ưu hóa quá trình xác định vị trí, đặc biệt trong các trường hợp có vật cản (NLOS). Việc thu thập và xử lý dữ liệu từ module UWB DWM1001C là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của mô hình. Thực nghiệm cho thấy rằng các mô hình này có thể giảm thiểu sai số định vị một cách đáng kể, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống định vị trong nhà.

3.1 Mô hình định vị sử dụng kNN

Mô hình kNN (k-Nearest Neighbor) được áp dụng để xác định vị trí dựa trên khoảng cách giữa các điểm dữ liệu. Phương pháp này tận dụng thông tin từ các điểm lân cận để đưa ra dự đoán chính xác hơn về vị trí. Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình kNN có thể đạt được độ chính xác cao trong việc xác định vị trí trong cả hai trường hợp LOS và NLOS. Việc điều chỉnh tham số k là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của mô hình, giúp giảm thiểu sai số định vị.

IV. Hiện thực và đánh giá

Quá trình thực nghiệm được thực hiện trong cả hai trường hợp LOS và NLOS, với mục tiêu đánh giá hiệu quả của các mô hình định vị đã xây dựng. Kết quả cho thấy rằng mô hình sử dụng công nghệ UWB có thể giảm thiểu sai số định vị đáng kể, từ đó khẳng định tính khả thi của giải pháp. Việc đánh giá hiệu quả của mô hình không chỉ dựa trên số liệu thực nghiệm mà còn thông qua các chỉ số đánh giá khoa học, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả.

4.1 Đánh giá tổng quát

Đánh giá tổng quát về mô hình định vị cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ UWB mang lại nhiều lợi ích trong việc cải thiện độ chính xác định vị. Các kết quả thực nghiệm được phân tích và so sánh với các công nghệ khác, cho thấy UWB vượt trội trong môi trường có nhiều vật cản. Điều này không chỉ khẳng định giá trị của nghiên cứu mà còn mở ra hướng phát triển cho các ứng dụng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - Giới thiệu tổng quát về đề tài; mục tiêu, giới hạn, đối tượng và phương pháp nghiên cứu; kết quả đạt được, ý nghĩa của đề tài, cấu trúc của báo cáo luận văn. • Chương 2 - Trình bày các khảo sát về công nghệ UWB và tìm hiểu về hệ thống định vị sử dụng module UWB DWM1001C. • Chương 3 - Xây dựng mô hình định vị. • Chương 4 - Thực nghiệm và đánh giá hiệu quả mô hình định vị trên.

• Chương 5 - Tổng kết về những điều đã thực hiện và trình bày; đề ra một số hướng phát triển. 6 Chương 2 Tổng quan 2.1 Công nghệ UWB 2.1 Giới thiệu Ultra-Wideband (UWB) là công nghệ không dây tầm ngắn, tốc độ dữ liệu cao, công suất thấp đang thu hút nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu cũng như ứng dụng trong công nghiệp, như một giải pháp thay thế cho các công nghệ không dây hiện có. Mặc dù chỉ mới nổi bật gần đây, UWB thực sự xuất hiện từ những năm 1960. Do những hạn chế về kỹ thuật, truyền thông băng hẹp được ưu tiên hơn UWB.

Trong 20 năm qua, UWB đã được sử dụng cho các ứng dụng như radar, cảm biến, liên lạc quân sự và định vị. Trong những năm gần đây, công nghệ UWB chủ yếu tập trung vào điện tử tiêu dùng và truyền thông không dây. Công nghệ Ultra-Wideband (UWB) có thể được định nghĩa là bất kỳ công nghệ truyền dẫn không dây nào mà tín hiệu có băng thông tương đối lớn hơn 25%. Băng thông tương đối được định nghĩa như sau [5]: fh − fl fh − f Brel = =2 (1) favg fh + f 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN Trong đó: fh : Tần số hoạt động ngưỡng trên fh : Tần số hoạt động ngưỡng dưới favg: Tần số hoạt động trung bình Một hệ thống UWB cũng có thể được xác định bởi chu kỳ hoạt động (duty cycle) nhỏ hơn 0,5%. Phương trình sau minh họa chu kỳ hoạt động của một xung UWB. Tb Duty cycle = (2) Tw Trong đó: Tb : thời lượng hoạt động Tw : độ rộng xung UWB UWB là công nghệ tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) truyền dữ liệu nhị phân, sử dụng năng lượng thấp và các xung có thời lượng cực ngắn (pico giây) trên một phổ tần số rộng. Nó cung cấp dữ liệu trong phạm vi từ 15 đến 100 mét và không yêu cầu tần số vô tuyến chuyên dụng, do đó còn được gọi là vô tuyến không sóng mang, xung hoặc băng cơ sở.

Các hệ thống UWB sử dụng không có sóng mang, nghĩa là dữ liệu không được điều chế trên dạng sóng liên tục với tần số sóng mang cụ thể như trong các công nghệ băng thông hẹp.2 Các đặc tính nổi bật của UWB • Tốc độ dữ liệu cao Khả năng truyễn dữ liệu với tốc độ dữ liệu cao của UWB có thể được hiểu rõ nhất bằng phương trình dung lượng nổi tiếng của Shannon [5]: S C = B log2 (1 + ) (3) N Trong đó: C : dung lượng kênh tính bằng bit/s B : băng thông kênh tính bằng Hz S : công suất tín hiệu, N : công suất nhiễu 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN Phương trình này cho chúng ta biết rằng dung lượng của một kênh tăng tuyến tính với băng thông B, nhưng chỉ logarit với công suất tín hiệu S. Vì kênh UWB có nhiều băng thông nên nó có thể tăng băng thông để giảm công suất tín hiệu và nhiễu từ những nguồn khác. Do đó, từ phương trình của Shannon, chúng ta có thể thấy rằng các hệ thống UWB có tiềm năng lớn cho truyền thông không dây dung lượng cao.

UWB có thể xử lý nhiều ứng dụng sử dụng nhiều băng thông như phát trực tuyến video so với 802.11 hoặc Bluetooth vì nó có thể gửi dữ liệu với tốc độ nhanh hơn nhiều. Công nghệ UWB có tốc độ dữ liệu 500 Mb/s ở tầm hoạt động dưới 10m. Một điều đặc biệt của công nghệ này là chúng ta có thể dễ dàng chuyển đổi linh hoạt giữa tốc độ truyền dữ liệu và phạm vị hoạt động của tín hiệu, có thể đạt đến tốc tầm 100m với tốc độ truyền dữ liệu là 0.1: Phạm vị và tốc độ truyền dữ liệu của các công nghệ không dây [5] • Mức độ tiêu thụ năng lượng thấp UWB truyền liên tục các xung ngắn thay vì truyền liên tục các sóng điều chế giống như hầu hết các hệ thống băng hẹp vẫn làm. Do đó chipset UWB không yêu cầu chuyển đổi tần số vô tuyến (RF) sang tần số trung gian (IF), 9 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN bộ tạo dao động và các bộ lọc khác. Do mức tiêu thụ điện năng thấp, các thiết bị chạy bằng pin như điện thoại di động có thể sử dụng UWB. • Khả năng chống nhiễu Phổ UWB bao gồm một dải tần số rất lớn. Đó là lý do tại sao, tín hiệu UWB tương đối có khả năng chống gây nhiễu, bởi vì không thể gây nhiễu mọi tần số trong phổ UWB tại một thời điểm.

Do đó, có rất nhiều dải tần khả dụng ngay cả trong trường hợp một số tần số bị kẹt. Bên cạnh đó, công nghệ UWB hoạt động ở mức tần số rộng và ít có công nghệ không dây khác hoạt động ở tần số này nên đảm bảo được khả năng ít bị can thiệp hoặc thu nhận dữ liệu bởi các thiết bị từ các công nghệ khác.2: Tần số hoạt động của các công nghệ không dây [5] • Độ phức tạp thấp, chi phí thấp Ưu điểm hấp dẫn nhất của UWB là chi phí và độ phức tạp của hệ thống thấp. Các công nghệ dựa trên sóng mang truyền thống điều chế và giải điều chế các dạng sóng sóng mang analog phức tạp. Trong UWB, do không có sóng mang nên cấu trúc bộ thu phát có thể rất đơn giản.

Các kỹ thuật tạo tín hiệu UWB đã tồn tại hơn ba thập kỷ. Những tiến bộ gần đây làm cho hệ 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN thống UWB có chi phí thấp. Ngoài ra, các thiết bị không dây UWB được sử dụng trong nhà không cần bộ khuếch đại công suất truyền.

Đây là một lợi thế lớn so với các kiến trúc băng hẹp yêu cầu các bộ khuếch đại có công suất dự phòng lớn để hỗ trợ các dạng sóng điều chế cho tốc độ dữ liệu cao.2 Các phép đo trong định vị Trong bài toán định vị trong nhà, có nhiều phương pháp đo và mỗi phương pháp lại sử dụng thông số đầu vào khác nhau để tính toán ra vị trí. Tài liệu [4] [5] đã thực hiện tổng hợp các phép đo thường được sử dụng như sau: 2.1 Cường độ tín hiệu RSSI Khi một tín hiệu được truyền trong một môi trường, nó sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiều chướng ngại vật trên đường đến đích. Nguyên nhân phổ biến nhất của suy giảm tín hiệu là mất mát trên đường dẫn. Khoảng cách có thể được tính bằng cách phân tích công suất truyền, độ suy giảm và công suất nhận được trên nút đích.

Suy giảm tín hiệu đường dẫn có thể được tính theo phương trình: d pd = pd0 − 10nlog( ) (4) d0 Trong đó: d : khoảng cách giữa nguồn và đích d0 : khoảng cách của vị trí tham chiếu pd : cường độ tín hiệu nhận được tại d pd0 : cường độ tín hiệu nhận được tại d0 Ngoài ra, tín hiệu bị ảnh hưởng bởi sự phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ gây ra sự thay đổi trong RSS. Chúng ta sử dụng thêm thông số shadow fading để bù vào những ảnh hưởng này. Kết quả chúng ta có được phương trình giúp xác định 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN khoảng cách theo RSSI như sau:   d pd = pd0 − 10nlog +s (5) d0 Trong đó: s : bù sai số shadow fading 2.2 Góc của tín hiệu đến AOA Góc của tín hiệu đến (Angle of arrival) là một phương pháp khác được sử dụng để đo vị trí của nút đích trên cơ sở góc đo được.

Đối với phương pháp này, số lượng antena được sử dụng theo kiểu mảng. Các phần tử antena đang nhận tín hiệu tại các thời điểm khác nhau. Theo tọa độ không gian, góc của đường thẳng nối nút mục tiêu với nút tham chiếu được đo. Nếu chúng ta sắp xếp các phần tử ăng ten ở dạng mảng tuyến tính đồng nhất như trong hình 2.4, tín hiệu nhận được trong cấu hình này có thời gian chênh lệch lsin(α)/c, trong đó: l là khoảng cách giữa các khoảng cách giữa các antena, alpha là góc và c là tốc độ ánh sáng.3: Sắp xếp antena trong trường hợp AOA [5] 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN Giới hạn dưới của khoảng cách cần đo có thể được tính bằng công thức sau: √ 3c d≥ √ √ √ (6) 2π SN Rβ lcosα Trong đó: SN R : Tỉ lệ tín hiệu/nhiễu β : Hệ số hiệu suất của băng thông Tuy nhiên, để xác định vị trí được chính xác thì cần có nhiều thiết bị cho điểm phát tín hiệu nên đòi hỏi chi phí cao. Đây là hạn chế làm cho phương pháp không được khả thi.3 Thời gian nhận tín hiệu TOA Toàn bộ ý tưởng đằng sau cách tiếp cận TOA (Time of arrival) là đo độ trễ lan truyền giữa nút gửi và nút nhận. Để có được điều này, các nút phải có một đồng hồ chung hoặc chia sẻ thông tin về thời gian. Theo một cách đơn giản, khoảng cách có thể được đo nếu chúng ta biết tốc độ tín hiệu truyền giữa nguồn và đích và tổng thời gian từ nguồn đến đích hoặc độ trễ thời gian truyền.

d = speed ∗ time (7) Trong đó tốc độ biểu thị tốc độ truyền tín hiệu giữa các nút, trong khi thời gian biểu thị tổng thời gian tín hiệu sử dụng trong quá trình truyền giữa máy phát và máy thu. Kết quả là chúng ta thu được d là khoảng cách giữa nguồn và đích. Tốc độ ở đây là giá trị không đổi. Phương pháp này là phép đo khoảng cách trong nhà hiệu quả.4 Sự chênh lệch thời gian nhận tín hiệu TDOA Phương pháp TDOA (Time difference of arrival) sử dụng sự chênh lệch về thời gian nhận tín hiệu giữa các nút đích để xác định khoảng cách.

Ưu điểm 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN lớn nhất của phương pháp này là không đòi hỏi sự đồng bộ thời gian giữa nút nguồn và nút đích.5 Thời gian trễ trọn vòng RTT RTT (Round trip time) là một quá trình bắt tay (handshake) giữa nút nguồn và nút đích. Trong quá trình bắt tay, thời gian truyền từ nguồn đến đích và từ đích đến nguồn được đo.