Nghiên Cứu Giải Pháp Tăng Độ Chính Xác Của Kỹ Thuật Định Vị Bằng Phương Pháp DRSSI

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật viễn thông nghiên cứu giải pháp tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị bằng phương pháp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Lê Hải Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Lương Vinh Quốc Danh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Pháp Tăng Độ Chính Xác Của Kỹ Thuật Định Vị Bằng Phương Pháp DRSSI
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Phạm vi thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF
• 2.2. Mối quan hệ giữa công suất tín hiệu nhận được và khoảng cách
• 2.3. Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách
• 2.4. Phương pháp khảo sát giá trị RSSI và kỹ thuật định vị dùng RSSI
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 3.1. Giới thiệu module CC1120
• 3.2. Khối điều khiển
• 3.3. Hoàn thiện phần cứng
• 3.4. Mạch thực tế
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120
• 4.1. Cách đọc RSSI từ CC1120
• 4.2. Phương pháp khảo sát
• 4.3. Tính toán khoảng cách từ giá trị RSSI
• 4.4. Giải thuật lọc cải thiện thông số RSSI
• 5. CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT TÍNH TOÁN ĐỊNH VỊ BẰNG KỸ THUẬT DRSSI
• 5.1. Mô hình xác định vị trí nguồn phát vô tuyến
• 5.2. Giải thuật xác định nguồn phát vô tuyến bằng kỹ thuật DRSSI
• 5.3. Giải thuật cải thiện độ chính xác của kỹ thuật định vị DRSSI
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 6.1. Kết quả khảo sát giá trị RSSI, hệ số suy hao môi trường
• 6.2. Kết quả khảo sát giải thuật định vị
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 7.1. Kết luận
• 7.2. Định hướng phát triển cho đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Kỹ Thuật Định Vị DRSSI Giới Thiệu Chi Tiết

Kỹ thuật định vị DRSSI (Differential Received Signal Strength Indicator) đang ngày càng trở nên quan trọng trong bối cảnh các ứng dụng không dây phát triển mạnh mẽ. Phương pháp này sử dụng sự khác biệt về cường độ tín hiệu thu được từ các trạm thu khác nhau để xác định vị trí của nguồn phát, đặc biệt hữu ích trong trường hợp không biết trước công suất phát của nguồn. Ưu điểm của DRSSI là tính đơn giản, chi phí thấp và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như định vị trong nhà, theo dõi tài sản, và quản lý kho vận. Tuy nhiên, độ chính xác của định vị DRSSI chịu ảnh hưởng lớn bởi nhiều yếu tố như nhiễu, fading, và sự thay đổi của môi trường truyền dẫn. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp nâng cao độ chính xác định vị là vô cùng cần thiết để khai thác tối đa tiềm năng của kỹ thuật này. Theo nghiên cứu của Lê Hải Toàn (2018), “tính chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào số lượng trạm phát sóng không dây và chất lượng của thông số RSSI”.

1.1. Ưu Điểm Nổi Bật của Phương Pháp Định Vị DRSSI

Phương pháp định vị DRSSI nổi bật với ưu điểm không yêu cầu thông tin về công suất phát của nguồn, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tế nơi thông tin này thường không có sẵn hoặc không chính xác. Hơn nữa, hệ thống DRSSI có thể triển khai với chi phí thấp hơn so với các phương pháp khác như định vị vệ tinh (GPS, GLONASS, Galileo, Beidou) hoặc sử dụng các cảm biến quán tính (IMU). Hệ thống đơn giản hơn, dễ triển khai và bảo trì, đồng thời không phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng hoặc tầm nhìn trực tiếp. Ứng dụng DRSSI đặc biệt phù hợp cho môi trường trong nhà, nơi tín hiệu định vị vệ tinh bị suy yếu hoặc chặn hoàn toàn.

1.2. Thách Thức Về Độ Chính Xác Định Vị Của DRSSI

Mặc dù có nhiều ưu điểm, kỹ thuật định vị DRSSI vẫn đối mặt với những thách thức lớn về độ chính xác định vị. Sự biến động của tín hiệu vô tuyến trong môi trường thực tế, đặc biệt là trong môi trường đa đường, gây ra sai số lớn trong việc ước lượng khoảng cách từ cường độ tín hiệu thu được. Các yếu tố như nhiễu, fading, và sự thay đổi của môi trường truyền dẫn (ví dụ: sự di chuyển của người hoặc vật thể) đều ảnh hưởng đến độ tin cậy định vị. Do đó, cần có các giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố này và nâng cao độ chính xác định vị cho DRSSI.

II. Phân Tích Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Sai Số Định Vị DRSSI

Để nâng cao độ chính xác kỹ thuật định vị bằng DRSSI, cần phải hiểu rõ các yếu tố gây ra sai số định vị. Các yếu tố này có thể được chia thành hai nhóm chính: sai số do mô hình truyền sóng không chính xác và sai số do nhiễu và biến động của tín hiệu. Mô hình truyền sóng thường được sử dụng trong DRSSI là mô hình đường truyền tự do, nhưng mô hình này không phản ánh chính xác các đặc tính của môi trường truyền dẫn thực tế, đặc biệt là trong môi trường trong nhà với nhiều vật cản và phản xạ. Nhiễu và biến động của tín hiệu, bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu từ các thiết bị điện tử khác, và fading do đa đường, cũng gây ra sai số đáng kể trong việc ước lượng cường độ tín hiệu.

2.1. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Truyền Dẫn Đến Độ Chính Xác Định Vị

Môi trường truyền dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác định vị của DRSSI. Trong môi trường trong nhà, tín hiệu vô tuyến thường bị suy yếu và phản xạ do các bức tường, đồ đạc, và các vật thể khác. Hiện tượng đa đường, khi tín hiệu đến trạm thu theo nhiều đường khác nhau, gây ra fading và làm sai lệch giá trị RSSI. Các yếu tố như độ ẩm, nhiệt độ, và sự hiện diện của người hoặc vật thể di chuyển cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác định vị. Cần có các mô hình truyền sóng phức tạp hơn và các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để giảm thiểu ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn.

2.2. Tác Động Của Nhiễu Và Fading Đến Tín Hiệu Định Vị DRSSI

Nhiễu và fading là hai yếu tố chính gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong định vị DRSSI. Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu từ các thiết bị điện tử khác, và nhiễu từ các nguồn tín hiệu vô tuyến khác. Fading, đặc biệt là fading đa đường, xảy ra khi tín hiệu đến trạm thu theo nhiều đường khác nhau với các pha khác nhau, gây ra sự giao thoa và làm suy yếu tín hiệu. Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và fading, có thể sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu, điều chế tín hiệu, và kết hợp đa dạng.

III. Phương Pháp Lọc Kalman Nâng Cao Độ Chính Xác Định Vị DRSSI

Một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện độ chính xác kỹ thuật định vị bằng DRSSI là sử dụng lọc Kalman. Lọc Kalman là một thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu, có khả năng ước lượng trạng thái của một hệ thống động dựa trên các phép đo không chính xác và mô hình hệ thống. Trong DRSSI, lọc Kalman có thể được sử dụng để lọc nhiễu và biến động của tín hiệu RSSI, từ đó cải thiện độ tin cậy định vị. Lọc Kalman kết hợp thông tin từ mô hình truyền sóng và các phép đo RSSI để tạo ra một ước lượng tốt nhất về vị trí của nguồn phát.

3.1. Ứng Dụng Lọc Kalman Để Lọc Tín Hiệu RSSI

Lọc Kalman có thể được sử dụng để lọc tín hiệu RSSI bằng cách coi vị trí của nguồn phát là trạng thái cần ước lượng của hệ thống. Mô hình hệ thống mô tả sự thay đổi của vị trí theo thời gian, và các phép đo RSSI cung cấp thông tin về vị trí. Lọc Kalman sử dụng mô hình hệ thống và các phép đo RSSI để ước lượng vị trí của nguồn phát tại mỗi thời điểm. Do đó, nhiễu và biến động của tín hiệu RSSI được lọc bỏ, và độ chính xác định vị được cải thiện.

3.2. Cải Thiện Độ Trễ DRSSI Bằng Thuật Toán Lọc Kalman

Ngoài việc cải thiện độ chính xác định vị, lọc Kalman còn có thể giúp giảm độ trễ DRSSI. Độ trễ DRSSI là thời gian cần thiết để hệ thống định vị đưa ra một ước lượng về vị trí của nguồn phát. Lọc Kalman có khả năng xử lý dữ liệu theo thời gian thực, do đó có thể đưa ra ước lượng vị trí nhanh chóng và chính xác. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh, chẳng hạn như theo dõi đối tượng di động.

IV. Giải Thuật Hiệu Chỉnh Sai Số Tăng Cường Định Vị DRSSI

Ngoài lọc Kalman, các giải thuật hiệu chỉnh sai số cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác kỹ thuật định vị bằng DRSSI. Các giải thuật này có thể được sử dụng để bù đắp cho các sai số do mô hình truyền sóng không chính xác, nhiễu, fading, và các yếu tố khác. Một số giải thuật hiệu chỉnh sai số phổ biến bao gồm: hiệu chỉnh dựa trên bản đồ, hiệu chỉnh dựa trên học máy, và hiệu chỉnh dựa trên kết hợp GNSS và IMU (trong môi trường ngoài trời). Các thuật toán hiệu chỉnh sai số này giúp giảm thiểu các tác động tiêu cực từ môi trường, góp phần nâng cao độ tin cậy định vị.

4.1. Hiệu Chỉnh Sai Số Dựa Trên Bản Đồ Môi Trường

Phương pháp hiệu chỉnh sai số dựa trên bản đồ sử dụng thông tin về môi trường truyền dẫn, chẳng hạn như vị trí của các bức tường, đồ đạc, và các vật thể khác, để cải thiện độ chính xác định vị. Bản đồ môi trường có thể được xây dựng bằng cách sử dụng các kỹ thuật khảo sát hoặc quét 3D. Khi có bản đồ môi trường, hệ thống định vị có thể sử dụng thông tin này để ước lượng sự suy hao tín hiệu do các vật cản và điều chỉnh ước lượng vị trí cho phù hợp. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong môi trường trong nhà.

4.2. Sử Dụng Học Máy Trong Hiệu Chỉnh Sai Số Định Vị DRSSI

Học máy là một lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, cho phép máy tính học hỏi từ dữ liệu mà không cần được lập trình rõ ràng. Trong DRSSI, học máy có thể được sử dụng để xây dựng mô hình dự đoán sai số định vị dựa trên các yếu tố như cường độ tín hiệu, vị trí của các trạm thu, và các đặc tính của môi trường truyền dẫn. Mô hình này sau đó có thể được sử dụng để hiệu chỉnh ước lượng vị trí và cải thiện độ chính xác định vị. Các thuật toán học máy phổ biến được sử dụng trong DRSSI bao gồm mạng nơ-ron, máy vectơ hỗ trợ, và cây quyết định.

V. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Năng DRSSI Cải Tiến

Để chứng minh hiệu quả của các phương pháp nâng cao độ chính xác kỹ thuật định vị bằng DRSSI, cần tiến hành các thí nghiệm thực tế và đánh giá hiệu năng DRSSI. Các thí nghiệm này nên được thực hiện trong các môi trường khác nhau, chẳng hạn như môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời, với các điều kiện truyền dẫn khác nhau. Các chỉ số đánh giá hiệu năng DRSSI quan trọng bao gồm: độ chính xác định vị (sai số trung bình, sai số lớn nhất), độ tin cậy định vị, và độ trễ DRSSI. Các kết quả thực nghiệm sẽ cung cấp bằng chứng về hiệu quả của các phương pháp đề xuất và giúp xác định các lĩnh vực cần cải thiện thêm.

5.1. So Sánh Độ Chính Xác Định Vị Trước và Sau Cải Tiến

Một trong những mục tiêu quan trọng của các thí nghiệm là so sánh độ chính xác định vị của hệ thống DRSSI trước và sau khi áp dụng các phương pháp cải tiến. So sánh này sẽ cho thấy mức độ cải thiện độ chính xác định vị đạt được nhờ các phương pháp như lọc Kalman và hiệu chỉnh sai số. Các kết quả so sánh nên được trình bày dưới dạng bảng và biểu đồ, với các thống kê như sai số trung bình, sai số lớn nhất, và độ lệch chuẩn.

5.2. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Kết Quả Đánh Giá Hiệu Năng DRSSI

Môi trường truyền dẫn có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đánh giá hiệu năng DRSSI. Do đó, cần phân tích ảnh hưởng của môi trường đến độ chính xác định vị, độ tin cậy định vị, và độ trễ DRSSI. Phân tích này sẽ giúp xác định các điều kiện môi trường nào gây ra sai số lớn nhất và các phương pháp cải tiến nào hiệu quả nhất trong từng môi trường. Kết quả phân tích có thể được sử dụng để tối ưu hóa cấu hình hệ thống DRSSI cho các ứng dụng cụ thể.

VI. Kết Luận Và Định Hướng Phát Triển Kỹ Thuật Định Vị DRSSI

Kỹ thuật định vị DRSSI có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng, nhưng cần phải cải thiện độ chính xác định vị để khai thác tối đa tiềm năng này. Các phương pháp như lọc Kalman và hiệu chỉnh sai số có thể giúp nâng cao đáng kể độ chính xác kỹ thuật định vị bằng DRSSI. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, fading, và sự thay đổi của môi trường truyền dẫn. Các định hướng phát triển tiềm năng bao gồm sử dụng các cảm biến quán tính (IMU) để bổ sung thông tin vị trí, kết hợp GNSS và IMU để cải thiện độ chính xác định vị trong môi trường ngoài trời, và sử dụng học sâu để xây dựng mô hình truyền sóng chính xác hơn.

6.1. Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Rãi Của Định Vị DRSSI Cải Tiến

Định vị DRSSI cải tiến có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm định vị trong nhà (ví dụ: theo dõi tài sản, điều hướng người dùng trong trung tâm thương mại), theo dõi đối tượng di động (ví dụ: theo dõi xe cộ, theo dõi người già và trẻ em), và quản lý kho vận (ví dụ: theo dõi hàng hóa, tối ưu hóa lộ trình). Với độ chính xác định vị và độ tin cậy định vị được cải thiện, DRSSI có thể trở thành một giải pháp định vị hiệu quả và chi phí thấp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

6.2. Hướng Phát Triển Các Thuật Toán Định Vị DRSSI Trong Tương Lai

Trong tương lai, các thuật toán định vị DRSSI cần được phát triển theo các hướng phát triển sau: (1) Phát triển các mô hình truyền sóng chính xác hơn, đặc biệt là cho môi trường trong nhà và môi trường phức tạp; (2) Sử dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu tiên tiến để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và fading; (3) Tích hợp thông tin từ các cảm biến khác, chẳng hạn như cảm biến quán tính (IMU), để bổ sung thông tin vị trí; (4) Sử dụng học sâu để xây dựng mô hình dự đoán sai số định vị và hiệu chỉnh ước lượng vị trí. Các hướng phát triển này sẽ giúp nâng cao hơn nữa độ chính xác định vị và độ tin cậy định vị của DRSSI.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công tác quản lý và kiểm soát phổ tần số vô tuyến điện đóng vai trò huyết mạch trong việc đảm bảo an toàn thông tin quốc gia, hàng không, hàng hải và các hệ thống viễn thông dân dụng. Căn cứ theo Quyết định số 71/2013/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện quốc gia, các cơ quan chức năng đã thực hiện giám sát thường xuyên dải tần từ 9 kHz đến 3 GHz trên phạm vi toàn quốc. Mặc dù vậy, tình trạng sử dụng trái phép các thiết bị phát sóng không đăng ký như máy bộ đàm, điện thoại kéo dài và máy phát vô tuyến tự chế vẫn diễn ra phức tạp, gây can nhiễu nghiêm trọng đến tần số điều hành bay và an ninh quốc phòng. Thách thức lớn nhất hiện nay là các thiết bị đo kiểm, định vị chuyên dụng có chi phí đầu tư rất lớn, lên tới hàng trăm triệu đồng cho mỗi bộ máy, khiến việc triển khai đồng loạt trên diện rộng gặp nhiều hạn chế.

Trước yêu cầu cấp thiết đó, đề tài tập trung nghiên cứu và xây dựng giải pháp định vị nguồn phát vô tuyến bằng phương pháp vi phân cường độ tín hiệu nhận DRSSI (Differential Received Signal Strength Indicator) trong điều kiện hoàn toàn không biết trước công suất của nguồn phát. Mục tiêu cụ thể của công trình là giải quyết triệt để bài toán biến động công suất phát, đồng thời ứng dụng các giải thuật lọc số tiên tiến nhằm cải thiện chất lượng dữ liệu đầu vào. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai từ tháng 1 năm 2017 đến tháng 12 năm 2017 tại khu vực sân vận động Trường Đại học Cần Thơ và Quân khu 9 trên diện tích khảo sát 80m x 80m với tần số hoạt động 169 MHz. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm sai số định vị xuống mức dưới 10%, đồng thời tiết kiệm hơn 60% chi phí phần cứng so với các hệ thống định vị truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng mô hình suy hao đường truyền theo hàm logarit (Log-distance Path Loss Model). Cường độ sóng nhận được tại máy thu tỷ lệ nghịch với khoảng cách theo quy luật hàm số mũ, trong đó hệ số suy hao môi trường n đóng vai trò then chốt xác định mức độ suy giảm năng lượng sóng điện từ trong không gian tự do. Để khắc phục nhược điểm của phương pháp định vị RSSI cổ điển vốn phụ thuộc chặt chẽ vào công suất phát đã biết trước, luận văn tích hợp lý thuyết định vị vi phân công suất DRSSI dựa trên thuật toán bình phương tối thiểu có trọng số WLS (Weighted Least Squares) hai bước. Giải thuật này triệt tiêu hoàn toàn tham số công suất nguồn phát thông qua việc tính toán tỷ số chênh lệch tín hiệu giữa các trạm thu.

Bên cạnh đó, nghiên cứu khai thác lý thuyết ước lượng trạng thái ngẫu nhiên thông qua bộ lọc Kalman đệ quy được công bố bởi Rudolf E. Kalman năm 1960. Nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu trong môi trường fading đa đường, mô hình lọc kết hợp thích nghi (Adaptive Fusion Filter) giữa cường độ tín hiệu RSSI và chỉ thị chất lượng liên kết LQI (Link Quality Indicator) được áp dụng. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) được sử dụng làm cơ sở để xác định ngưỡng chuyển đổi giữa các trạng thái lọc, đảm bảo tín hiệu đầu ra giữ được độ mượt và tính chính xác cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống phần cứng chuyên dụng được thiết kế đồng bộ. Hệ thống bao gồm 4 trạm thu giám sát cố định tại các tọa độ chuẩn, 1 trạm trung gian kết nối máy tính và 1 nút phát di động. Module vô tuyến CC1120 của Texas Instruments hoạt động ở tần số 169 MHz với bước sóng 1,77m, băng thông lọc 50 kHz, điều chế 4-GFSK, tốc độ dữ liệu 8 kbps, độ nhạy -123 dBm tại 1,2 kbps và độ bù offset RSSI chuẩn 102 dBm. Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển 16-bit MSP430G2553 siêu tiết kiệm năng lượng với dòng tiêu thụ chỉ 270 µA tại 1 MHz, hoạt động ở điện áp 3,3V cấp từ nguồn pin LiPo 3,7V dung lượng 500 mAh qua mạch điều áp LM1117.

Phương pháp chọn mẫu được thực hiện theo nguyên tắc thực nghiệm ngẫu nhiên phân tầng trên cự ly từ 0m đến 80m với bước nhảy 5m mỗi điểm đo. Cỡ mẫu tại mỗi vị trí khảo sát là 30 lần lấy mẫu liên tiếp để loại trừ sai số ngẫu nhiên do nhiễu môi trường. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tối ưu hóa sai số trung bình bình phương MSE (Mean Squared Error) và ma trận WLS trên nền tảng phần mềm MATLAB kết hợp SmartRF Studio 7 là nhằm đảm bảo tính chặt chẽ về mặt toán học, giúp trích xuất chính xác hệ số suy hao môi trường thực tế và đánh giá sai số vị trí RMSE một cách khách quan nhất trong suốt 12 tháng thực hiện đề tài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm ngoài trời tại Cần Thơ đã ghi nhận những kết quả nổi bật về cả thông số truyền sóng lẫn độ chính xác định vị:

Thứ nhất, qua phép tối ưu hóa đạo hàm sai số trung bình bình phương MSE từ chuỗi dữ liệu đo đạc thực tế, hệ số suy hao môi trường n được xác định chính xác ở mức 2,08. Kết quả này phản ánh sự tương thích hoàn hảo với lý thuyết lan truyền sóng vô tuyến trong không gian thoáng ngoài trời, nơi giá trị n thường dao động từ 2,0 đến 2,2.

Thứ hai, dữ liệu RSSI thô chưa qua xử lý có biên độ dao động rất lớn, độ lệch chuẩn nhiễu ghi nhận từ 6 dBm đến 8 dBm ở các khoảng cách trên 40m do ảnh hưởng của phản xạ mặt đất và hiện tượng đa đường. Tuy nhiên, sau khi áp dụng giải thuật lọc Kalman kết hợp chỉ số LQI, độ lệch chuẩn nhiễu giảm hơn 45%, đường đặc tính công suất theo khoảng cách trở nên ổn định và bám sát lý thuyết.

Thứ ba, sai số ước lượng khoảng cách từ giá trị RSSI được cải thiện vượt bậc. Cụ thể, tại khoảng cách đo 40m, sai số khoảng cách giảm từ 4,5m xuống còn 1,8m (cải thiện 60% độ chính xác); tại khoảng cách 80m, sai số giảm từ 9,2m xuống dưới 3,6m sau khi kích hoạt bộ lọc.

Thứ tư, khi thử nghiệm định vị nguồn phát di động tại các vị trí tọa độ khác nhau trong không gian 80m x 80m (ví dụ tại tọa độ 40m, 40m hoặc 50m, 30m), sai số định vị RMSE sau khi hiệu chỉnh giải thuật DRSSI luôn duy trì ở mức sai lệch từ 1,5m đến 3,8m, khống chế tỷ lệ sai số toàn hệ thống dưới 10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cải thiện vượt bậc của hệ thống xuất phát từ việc loại bỏ nhiễu trắng và hiện tượng fading ngẫu nhiên. Về bản chất, công suất sóng vô tuyến suy giảm mạnh theo hàm logarit nên ở cự ly xa trên 40m, tỷ số SNR suy giảm nhanh khiến các thiết bị thu dễ đọc sai giá trị RSSI. Cơ chế hồi quy hai bước của bộ lọc Kalman (bước dự đoán trạng thái tiền nghiệm và bước hiệu chỉnh hậu nghiệm) kết hợp với bộ lọc ngưỡng thích nghi LQI đã triệt tiêu hiệu quả các đỉnh nhiễu đột biến mà không làm trễ pha tín hiệu.

So sánh với các nghiên cứu định vị truyền thống vốn bắt buộc phải biết công suất máy phát, giải thuật DRSSI sử dụng phương pháp vi phân công suất đã chứng minh tính ưu việt khi hoàn toàn không cần khai báo tham số công suất nguồn mà vẫn đạt độ chuẩn xác tương đương. So với các giải pháp định vị góc tới AOA đòi hỏi hệ thống anten mảng phức tạp hay giải pháp đo thời gian đến TDOA yêu cầu đồng bộ xung nhịp cấp nanosecond, giải pháp DRSSI trên nền chip CC1120 giúp tiết kiệm hơn 70% chi phí chế tạo phần cứng.

Các dữ liệu thực nghiệm trong nghiên cứu được trực quan hóa sinh động thông qua đồ thị đường cong suy hao RSSI theo hàm logarit khoảng cách và bảng ma trận đối chiếu sai số vị trí RMSE trước và sau hiệu chỉnh, tạo cơ sở khoa học tin cậy để triển khai trên các hệ thống giám sát vô tuyến diện rộng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên những kết quả thực nghiệm đã đạt được, luận văn đưa ra bốn giải pháp mang tính ứng dụng cao nhằm nâng cấp và mở rộng hệ thống trong thời gian tới:

Thứ nhất, nâng cấp module phần cứng thu phát bằng cách tích hợp vi mạch RF dải rộng có khả năng quét liên tục từ 100 MHz đến 1 GHz trong vòng 6 tháng tới. Mục tiêu nhằm mở rộng khả năng giám sát đa tần số thay vì chỉ cố định ở tần số 169 MHz, nâng hiệu suất rà quét phổ lên gấp 5 lần. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông tại các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm trọng điểm.

Thứ hai, tối ưu hóa giải thuật nhúng bằng cách chuyển đổi toàn bộ mã nguồn xử lý Kalman và WLS sang các dòng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao như ARM Cortex-M4 hoặc ESP32 trong thời hạn 3 tháng. Mục tiêu kỹ thuật là giảm độ trễ tính toán vị trí xuống dưới 200 ms cho mỗi chu kỳ cập nhật, cho phép hệ thống theo dõi các mục tiêu di động với vận tốc cao theo thời gian thực.

Thứ ba, kiến nghị Cục Tần số Vô tuyến điện và các đơn vị kiểm soát thông tin triển khai thử nghiệm mô hình trạm thu DRSSI phân tán chi phí thấp phục vụ công tác thanh tra tần số trong giai đoạn 2024 - 2026. Giải pháp này giúp tăng 35% khả năng phát hiện các trạm phát sóng lậu tại các đô thị và khu vực biên giới, đồng thời giảm 50% chi phí mua sắm trang thiết bị ngoại nhập đắt tiền.

Thứ tư, nghiên cứu mở rộng mô hình toán học từ định vị 2D sang không gian 3D và tự động hiệu chỉnh hệ số suy hao môi trường n theo thời gian thực (Dynamic Path Loss Exponent) trong vòng 12 tháng. Giải pháp này do các nhóm nghiên cứu học thuật chủ trì nhằm ứng dụng định vị tài sản trong các tòa nhà cao tầng, nhà xưởng công nghiệp và hầm mỏ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị học thuật và thực tiễn phong phú, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng chính sau:

Nhóm thứ nhất là các cán bộ kỹ thuật, thanh tra viên thuộc cơ quan quản lý tần số vô tuyến điện. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và thuật toán thực nghiệm để phát hiện, định vị chính xác vị trí các nguồn phát sóng trái phép không rõ nguồn gốc trong vùng giám sát 80m x 80m mà không cần tiếp cận trực tiếp thiết bị vi phạm.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư phát triển phần cứng và hệ thống nhúng trong lĩnh vực Internet vạn vật (IoT). Tài liệu trình bày tường minh sơ đồ nguyên lý, thiết kế mạch nguồn, giao tiếp SPI giữa vi điều khiển MSP430G2553 và chip CC1120 ở tần số 169 MHz, giúp tối ưu hóa điện áp 3,3V và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị đo kiểm di động dùng pin 500 mAh.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Công nghệ Thông tin và Điện tử. Công trình là tài liệu tham khảo chất lượng cao về toán học ứng dụng, thuật toán bình phương tối thiểu WLS hai bước, bộ lọc Kalman và mô hình truyền sóng thực tế ngoài trời trên MATLAB.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp công nghệ phát triển giải pháp an toàn lao động, cứu hộ cứu nạn. Tài liệu là cẩm nang hữu ích để xây dựng hệ thống định vị vị trí nhân sự trong điều kiện môi trường che khuất, hầm lò hoặc các khu vực mất hoàn toàn tín hiệu định vị vệ tinh GPS.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp định vị DRSSI có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp RSSI truyền thống?

Phương pháp DRSSI sử dụng hiệu mức cường độ tín hiệu giữa các cặp trạm thu, cho phép triệt tiêu hoàn toàn tham số công suất nguồn phát chưa biết. Trong khi RSSI truyền thống bắt buộc phải biết công suất phát để tính khoảng cách, DRSSI vẫn định vị chính xác các nguồn phát lạ với sai số thực nghiệm duy trì dưới mức 10%.

Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn tần số 169 MHz và chip CC1120 để khảo sát thực nghiệm?

Tần số 169 MHz thuộc băng tần ISM có bước sóng dài 1,77m, giúp giảm mạnh độ suy hao truyền sóng trong không gian và mở rộng cự ly đo kiểm. Chip CC1120 của Texas Instruments sở hữu độ nhạy vượt trội -123 dBm tại 1,2 kbps cùng độ bù offset chuẩn 102 dBm, đảm bảo hệ thống đọc tham số RSSI ổn định trên cự ly 80m.

Bộ lọc Kalman và chỉ thị chất lượng liên kết LQI đóng vai trò như thế nào trong hệ thống?

Tín hiệu RSSI thô thường xuyên bị dao động từ 6 dBm đến 8 dBm do hiện tượng đa đường và fading. Bộ lọc Kalman đệ quy kết hợp chỉ số LQI giúp loại bỏ các đỉnh nhiễu bất thường, làm mịn chuỗi dữ liệu đo và giảm hơn 60% sai số khoảng cách ước lượng, tạo tiền đề cho việc tính toán tọa độ chính xác.

Hệ thống cần tối thiểu bao nhiêu trạm thu giám sát để có thể định vị mục tiêu bằng DRSSI?

Theo mô hình toán học bình phương tối thiểu WLS hai bước, hệ thống yêu cầu tối thiểu 4 trạm thu giám sát đặt tại các vị trí đã biết trước tọa độ trong không gian 2D. Số lượng 4 trạm đảm bảo thiết lập đủ hệ phương trình vi phân độc lập để xác định duy nhất tọa độ của nguồn phát mục tiêu.

Hệ thống định vị này có khả năng ứng dụng thực tế vào những lĩnh vực nào hiện nay?

Công trình có thể ứng dụng trực tiếp trong hoạt động thanh tra và xử lý can nhiễu phổ vô tuyến của Cục Tần số, định vị nhân sự cứu hộ trong khu vực thiên tai mất sóng GPS, cũng như theo dõi thiết bị trong mạng cảm biến không dây công nghiệp với chi phí phần cứng tiết kiệm hơn 70% so với công nghệ AOA hay TDOA.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao độ chính xác cho kỹ thuật định vị nguồn phát sóng vô tuyến khi không biết trước công suất phát thông qua 5 đóng góp học thuật và kỹ thuật cốt lõi:

• Thiết kế và hoàn thiện thành công mô hình phần cứng vô tuyến 169 MHz sử dụng chip CC1120 kết hợp vi điều khiển MSP430G2553 siêu tiết kiệm năng lượng.
• Xác định chính xác hệ số suy hao môi trường thực nghiệm ngoài trời n = 2,08 thông qua 30 mẫu đo ngẫu nhiên tại mỗi điểm khảo sát trên cự ly 80m.
• Tích hợp thành công bộ lọc Kalman kết hợp chỉ số LQI thích nghi, giúp triệt tiêu nhiễu fading đa đường và giảm hơn 45% độ lệch chuẩn tín hiệu.
• Làm chủ và tối ưu hóa giải thuật định vị vi phân DRSSI trên nền tảng thuật toán bình phương tối thiểu có trọng số WLS hai bước.
• Khống chế thành công sai số định vị thực tế dưới 10% trong không gian giám sát 80m x 80m chỉ với 4 trạm thu cố định.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là đã đặt nền móng thực nghiệm vững chắc cho giải pháp định vị nguồn phát sóng RF chi phí thấp tại Việt Nam. Lộ trình phát triển trong 12 tháng tiếp theo sẽ tập trung mở rộng giải thuật sang không gian 3 chiều và tích hợp xử lý trực tiếp trên chip nhúng. Đề tài mở ra hướng đi đầy triển vọng cho các cơ quan quản lý và doanh nghiệp công nghệ trong việc làm chủ các giải pháp viễn thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.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. 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. 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.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.