Chương 1: Dat van đề về dé tài, hướng nghiên cứu của dé tài và mục tiêu của đề tài. Chương 2: Trình bày những công cụ phục vụ trong việc thiết kế hệ thống và lý thuyết của các giải thuật được sử dụng trong hệ thống định vị trong nhà. Chương 3: Trình bày tổng quan về thiết kế phần cứng đề xuất được thực hiện trên phần mềm Altium Designer và công nghệ mạch in PCB cũng như tổng quan thiết kế hệ thống định vị trong nhà. Chương 4: Kết quả và đánh giá kết quả Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai Chương2.
Định vị người dùng trong nhà 2. Giới thiệu chung về định vị trong nhà Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của các hệ thống định vị trong nhà hiện nay, những yếu tô quan trọng quyết định tính cạnh tranh của các thiết bị đó là sự chính xác và đáng tin cậy. Hệ thống định vị trong nhà cho phép các thiết bị di động xác định được vị trí của nó, sau đó sử dụng chúng cho các dịch vụ dựa trên vị trí như điều hướng, theo dõi hoặc giám sát, v. Thông tin vi trí của thiết bị hoặc người dùng có thé cải thiện đáng kể hiệu suất của mạng không dây trong việc lập kế hoạch mạng hoặc cân bằng tải [7].
Việc định vị thiết bị trong môi trường trong nhà mang lại lợi ích đáng kể trong nhiều trường hợp khác nhau. Ví dụ, nó có thé cung cấp hệ thong định vị trong nhà cho người mu và người khiếm thị, giúp xác định vị trí của thiết bị trong các tòa nhà, hỗ trợ khách du lịch tham quan trong các bảo tàng và tìm lối thoát khan cấp trong trường hợp xảy ra hỏa hoạn, theo dõi trẻ em trong những nơi đông đúc, và theo dõi các thiết bị có giá trị cao. Để đánh giá chất lượng của hệ thống định vị trong nhà, có năm thước đo chính bao gồm: (1) độ chính xác của hệ thống định vị trong nhà; (2) mức độ bao phủ của hệ thống; (3) độ trễ trong việc cập nhật vị trí; (4) ảnh hưởng của kết cấu hạ tầng, ví dụ vị trí đặt các điểm master trong hệ thống; (5) cách hệ thống tinh chỉnh vị trí và mức độ thường xuyên; và (6) ảnh hưởng của các lỗi ngẫu nhiên trên hệ thống, ví dụ như các lỗi do nhiễu và phản xa tín hiệu [9]. Không thể phủ nhận sự tiện ích mà hệ thống định vị toàn cầu (GPS) mang lại, chúng được sử dụng hệ thống định vị dựa trên vệ tinh, cung cấp vùng phủ sóng tối đa.
Các thiết bị muốn dùng GPS chỉ cần thêm thiết bị hỗ trợ GPS vào phần cứng, cho phép sử dụng các dịch vụ dựa trên vị trí, chang han nhu diéu hướng, du lịch, v. Tuy nhiên, GPS không thể sử dụng được ở môi trường trong nhà bởi vì tín hiệu vô tuyến vệ tinh không thể xuyên qua các bức tường và chướng ngại vật rắn. Đối với môi trường ngoài trời thì môi trường trong nhà phức tạp hơn nhiều. Có những chướng ngại vật khác nhau ví dụ như tường, thiết bị, con người, sinh vật làm ảnh hưởng đến sự lan truyền của sóng điện từ, dẫn đến hiệu ứng đa đường.
Hiệu ứng đa đường dẫn đến lỗi trong phép đo khoảng cách và do đó ảnh hưởng đến độ chính xác định vị, do tín hiệu đa đường có đường di dai hơn tín hiệu trực tiếp. Một số nhiễu và tiếng ồn nguồn từ các mạng có dây và không dây khác làm suy giảm độ chính xác của định vị. Ngoài ra còn có một số nhiễu đến từ các nguồn sóng khác như Wi-Fi, Bluetooth,. Toà nhà được thiết kế phức tạp với các phòng khác nhau cũng gây rất nhiều trở ngại đối với hệ thống định vị trong nhà.
Chính vì vậy, một hệ thống định vị được thiết kế riêng cho việc sử dụng trong nhà là vô cùng can thiết. Các kỹ thuật định vị trong nhà Kỹ thuật định vị trong nhà chủ yếu chia ra thành ba phương pháp đo chính: công suất, thời gian và góc. Chúng đều là phép đo vật lý thông thường nhưng khác nhau về khả năng tiếp cận, độ phức tạp và độ chính xác.[10] e Phép đo công suất tín hiệu (RSS) được sử dụng rộng rãi trong các kỹ thuật ánh xạ hình học (geometric mapping) và lấy mẫu (fingerprinting) nhờ vào tính tiện dụng của nó. - RSS là viết tắt của cường độ công suất tín hiệu thực nhận được tai máy thu, thường được đo bằng don vị decibel-milliwatts (dBm) hoặc milliWatts (mW).
- Giá tri RSSI có thể được sử dụng dé ước tính khoảng cách giữa thiết bị phát (Tx) và thiết bị nhận (Rx); khi giá trị RSS càng cao thì khoảng cách giữa Tx và Rx càng gần. - Độ dai khoảng cách giữa Tx va Rx có thé được ước tính bằng cách sử dụng một số mô hình truyền tín hiệu khác nhau với công suất truyền tải đã biết trước. - Hạn chế chính của phép đo RSSI nằm ở sự chênh lệch giá trị theo thời gian của nó tại môi trường trong nhà phức tạp. Phép đo thời gian thường được sử dụng trong phép đo khoảng cách, trong đó có thé kể đến Phép đo thời gian đến (ToA), Phép đo chênh lệch thời gian đến (TDoA) và phép đo thời gian truyền tín hiệu khứ hồi (RtoF).
Trong đó Phép đo thời gian đến (ToA) sử dụng thời gian truyền tín hiệu dé tính khoảng cách giữa máy phát Tx và bộ thu Rx. - Giá trị ToA nhân với tốc độ ánh sáng c = 3x108 m/giây cung cấp khoảng cách vật lý giữa Tx và Rx. ToF từ ba nút tham chiếu khác nhau được sử dung đề ước tính khoảng cách giữa các nút tham chiếu và thiết bị. - Có thé sử dụng hình học cơ bản đề tính toán vị trí của thiết bị đối với các bộ phát.
Tuy nhiên, ToA yêu cầu đồng bộ chặt chẽ giữa các bộ phát và máy thu. - Độ phân giải của ToA được ảnh hưởng chủ yếu bởi băng thông tín hiệu và tốc độ lấy mẫu. Tốc độ lấy mau thấp làm giảm độ phân giải ToA vì tín hiệu có thé đến giữa các khoảng thời gian lấy mẫu. Kỹ thuật siêu phân giải miền tần số thường được sử dụng để đạt được ToA với độ phân giải cao từ đáp ứng tần số kênh.
Trong môi trường trong nhà, độ phân giải ước lượng ToA sẽ càng cao khi băng thông tín hiệu càng lớn[{ II]. -_ Phép đo chênh lệch thời gian đến (TDoA) sử dụng sự khác biệt thời gian truyền tín hiệu từ các máy phát khác nhau được đo tại máy thu. Tính vị trí chính xác của bộ thu yêu cầu ít nhất ba máy phát đề tính toán giao điểm của ba (hoặc nhiều hơn) đường hyperbol. Hệ phương trình hyperbola có thể được giải bằng phương pháp hồi quy tuyến tính hoặc tuyến tính hóa phương trình sử dung mở rộng chuỗi Taylor.
Tuy nhiên, độ chính xác ước lượng TDoA tương tự như kỹ thuật ToF phụ thuộc vào băng thông tín hiệu, tốc độ lay mẫu tại máy thu và sự tồn tại của đường ngắm trực tiếp giữa các bộ phát và bộ thu. - Cũng giống với ToA, yêu cầu sự đồng bộ hóa nghiêm ngặt, tuy nhiên, khác với kỹ thuật ToA, đồng bộ hóa chỉ cần thiết giữa các bộ phát thay vì giữa bộ phát và bộ thu. RToF đo thời gian truyền tín hiệu khứ hồi (tức là từ Tx đến Rx và trở về) dé ước tính khoảng cách giữa Tx va Rx. - Các cơ chế đo khoảng cách của ToA và RToF đều tương tự nhau; khi nhận được tín hiệu từ bộ phát, máy thu sẽ phản hồi lại bộ phát, sau đó tính tổng thời gian truyền tín hiệu khứ hồi.
RToF có lợi thế chính là chỉ cần đồng bộ hóa xung tương đối vừa phải giữa Tx và Rx, khác với ToF cần đồng bộ hóa giữa bộ phát và bộ thu. Tuy nhiên, độ chính xác ước tính RToF bị ảnh hưởng bởi các yếu tô giống như ToA (tức là tốc độ lay mau và băng thông tín hiệu) trong trường hợp này là cao hơn vì tín hiệu được truyền và nhận hai lần. -_ Nói chung, phép do dựa trên thời gian thì có độ chính xác ấn tượng trong các điều kiện Line-Of-Sight (LOS). Không giống như các phép đo trên công suất, độ chính xác của phạm vi dựa trên thời gian được cải thiện theo băng thông tín hiệu.
Do đó, công nghệ Ultra-Wide Bandwidth (UWB) rất phé biến do độ phân giải thời gian cao và băng thông cực lớn. Một hạn chế chính của các phép đo thời gian chính là phải cần một nguồn dao động điện tử (oscillator) nên cần mức tiêu thụ năng lượng cao hơn. e _ Phép đo góc cho ra kết quả thông tin góc cung cấp một kích thước trực giao liên quan đến khoảng cách đề lập bản đồ hình học. - Góc có thê được kết hợp với ước tính khoảng cách dé cho phép nội địa hoá mô hình trong nhà.
- Phuong pháp tiếp cận dựa trên góc tới (AoA) sử dụng mảng Anten (ở phía bên nhận) để ước tính góc tín hiệu truyền đi trên máy thu bằng cách khai thác và tính toán chênh lệch thời gian khi đến tại các phần tử riêng lẻ của mảng Anten. - AoA có ưu điểm chính là vị trí thiết bị/người dùng có thé được ước tính với hai máy dò hai chiều. Tuy nhiên, để đạt được ước lượng chính xác, AoA yêu cầu phần cứng phức tạp và hiệu chuẩn cân thận hơn so với kỹ thuật RSS. Một sai số nhỏ trong tính toán góc tới có thể dẫn đến sai số rất lớn trong ước tính vị trí thực tế, đặc biệt khi khoảng cách nhận của máy phát là nhỏ.
10 - Anten định hướng thường có kha năng thu được cả ước tính góc và khoảng cách trong khi tránh nhiễu từ các hướng khác, nhưng phải cần xây dựng cơ sở hạ tầng chuyên dụng. Cac kỹ thuật xác định vi trí định vị Đề chuyên đổi các phép do vật lý thành các vị trí định vị, thông thường ta sử dụng hai phương pháp chính: Phép đo hình học và Kỹ thuật lưu vết. ¢ Trong phép tinh ánh xạ hình học, các thông số hình học trung gian như khoảng cách hoặc hướng liên quan đến các điểm tham chiếu được lấy từ các phép đo vật lý cụ thể. - Sau đó, các thông số tương đối này được chuyền đồi thành vị trí bằng thuật toán hình học, ví dụ như phép đo tam giác.
Anh xa dua trén khoang cach thường được gọi là phép do khoảng cach và phô biến hon so với ánh xa dựa trên hướng, đặc biệt vì các phép đo hướng khó thực hiện hơn với các thiết bị phổ biến.