Chương 1: Tổng quan phổ tương quan có lươ ̣ng sai lệch, điề u này sẽ ảnh hưởng đế n đô ̣ chính xác của ước lượng sai lệch thời gian đến. Nó có thể dẫn đến sai số (error) lớn khi ta chỉ giám sát trong một khoảng thời gian ngắn. Do vâ ̣y trong thực tế nhiề u trường hơ ̣p giả đinh ̣ khoảng thời gian quan sát dài và một số giả đinh ̣ như quá trình dừng và đô ̣ trễ là hằ ng số sẽ chỉ thỏa mañ trong một điều kiện nào đó hoặc một khoảng thời gian giới hạn. Do vậy đòi hỏi phải đảm bảo giữa thời gian quan sát và tỷ số SNR trong khi thực hiện ước lượng thời gian trễ giữa hai tín hiệu.
Trong trường hợp tỷ số SNR thấp, thời gian quan sát lâu dài là cần thiết để đảm bảo thu được phổ chính xác. Ngược lại, khi tỷ số SNR cao hơn, sẽ cho phép quan sát trong khoảng thời gian ngắn hơn mà vẫn đảm bảo cho kết quả đủ tin cậy.2 Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Từ nghiên cứu tổng quan về phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến và một số vấn đề tồn tại, yêu cầu của phương pháp này; Ta thấy yêu cầu đồng bộ thời gian chính xác giữa các trạm gốc và yêu cầu có đồng hồ xung nhịp tốc độ càng cao, hoạt động càng ổn định để có thể có kết quả ước lượng chính xác, thì tại các trạm gốc của mỗi mạng di động đã có sẵn các đồng hồ chuẩn, đó là các đồng hồ nguyên tử (như Cesium) hay đồng hồ thu dựa vào định vị vệ tinh (GPS- Global Positioning System), các đồng hồ này cũng thường xuyên được đồng bộ trên toàn hệ thống. Nên vấn đề này hoàn toàn có thể được giải quyết, do đó, có thể nói xác định vị trí dựa vào TDOA là giải pháp khả thi nhất cho các định vị khẩn cấp trong mạng di động (hoặc là một hệ thống định vị).
Đồng thời định vị bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến có ưu điểm so với các phương pháp khác: - Không cần đồng bộ thời gian giữa các trạm thu và nguồn cần định vị nên rất thích hợp để ứng dụng trong xác định vị trí các điểm nguồn thụ động.5) ta thấy phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định TDOA có thể giảm hoặc triệt tiêu nhiễu phản xạ đa đường trong điều kiện tín hiệu 9 Luận văn Thạc sĩ Chương 1: Tổng quan không phải là truyền thẳng vì chúng sẽ bị trừ đi cho nhau, nên nó cho kết quả chính xác cao hơn các phương pháp khác khi có tín hiệu đa đường. - Là phương pháp thường được các mạng viễn thông lựa chọn để sử dụng vì mọi thay đổi chỉ diễn ra ở phần của nhà quản lý mạng. -Phương pháp này nó còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng về xác định vị trí ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như đã kể trên, nó được úng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như quản lý theo dõi phương tiện giao thông, thiết bị tài sản cá nhân.
Ở nước ta công nghệ viễn thông cũng phát triển rất nhanh chóng và đa dạng, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cách đây vài năm cũng đã cung cấp dịch vụ xác định vị trí cho các thuê bao di động dựa vào kỹ thuật TOA hoặc TDOA có hỗ trợ của GPS (Assisted Global Positioning System –AGPS. Vì vậy nghiên cứu về xác định vị trí bằng kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến là một đề tài cần thiết vì nó sẽ ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Để đáp ứng tình hình mới trong nhiệm vụ bảo vệ chủ quyền biển đảo, Quân đội được trang bị nhiều khí tài mới có ứng dụng các kỹ thuật TDOA, bản tôi là một người sỹ quan làm nhiệm vụ trong Quân đội nên tôi chọn đề tài này vì xác định vị trí bằng kỹ thuật sai lệch thời gian đến rất phù hợp cho các ứng dụng xác định các mục tiêu quân sự, đồng thời để nghiên cứu để nắm vững hơn nữa về kỹ thuật TDOA và để có thể nghiên cứu úng dụng để thực hiện tốt hơn nhiệm vụ khai thác, sử dụng các thiết bị có ứng dụng kỹ thuật TDOA trong quân sự để hoàn thành tốt nghiệm vụ được giao, và nếu có điều kiện có thể góp phần nghiên cứu, cải tiến cũng như các ứng dụng của kỹ thuật TDOA để góp phần nhỏ bé của mình trong thực hiện nhiệm vụ bảo vệ tổ quốc.3 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu Đề tài đặt giả thiết nghiên cứu xác định vị trí của thuê bao trong mạng điện thoại di động với các nội dung: -Nghiên cứu các phương pháp ước lượng lượng sai lệch thời gian đến của hai tín hiệu, so sánh ưu nhược điểm của từng phương pháp. 10 Luận văn Thạc sĩ Chương 1: Tổng quan - Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí bằng kỹ thuật kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến, các ưu nhược điểm của từng phương pháp, làm rõ những ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp.
- Mô phỏng bằng MALAB: + Các phương pháp ước lượng lượng sai lệch thời gian đến của hai tín hiệu, với các tín hiệu và nhiễu khác nhau, mức nhiễu khác nhau để đánh giá các phương pháp. + Các phương pháp giải bài toán hyperbol để ước lượng vị trí trong điều kiện có sai số TDOA (Noise TDOA) với các mức sai số khác nhau và sử dụng các giải thuật khác nhau, số trạm tham gia định vị khác nhau.4 Giới hạn đề tài Do thời gian và trình độ có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số phương pháp ước lượng TDOA với tín hiệu ngẫu nhiên và một tín hiệu thực là tín hiệu thoại, nhiễu Gausian và một loại nhiễu thực là tiếng ồn của động cơ xe máy; Nghiên cứu các giải thuật tính toán để ước lượng vị trí dựa vào các kết quả ước lượng TDOA, xem xét các ưu nhược điểm của từng phương pháp và so sánh các phương pháp ước lượng TDOA, các phương pháp tính toán để ước lượng vị trí.5 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu, bài báo liên quan đến nội dung của đề tài. - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến, trao đổi kinh nghiệm những khóa cao học trước và những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực truyền thông - Phương pháp thực nghiệm: Sau phần nghiên cứu được kiểm chứng bằng việc thực hiện mô phỏng và đánh giá trên phần mềm Matlab. 11 Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Xác định sai lệch thời gian đến Chương 2 XÁC ĐỊNH SAI LỆCH THỜI GIAN ĐẾN Như trong phần tổng quan ta thấy xác định vị trí bằng kỹ thuật sai lệch thời gian đến được chia thành hai giai đoạn chính.
Giai đoạn thứ nhất là ước lượng các thông số TDOA của tín hiệu từ nguồn giữa các cặp trạm thu bằng kĩ thuật ước lượng thời gian trễ. Ở giai đoạn thứ hai, các thông số TDOA đo được này chuyển đổi thành các thông số biểu diễn các sai lệch về khoảng cách giữa các trạm thu phát, từ đó ta sẽ có một hệ các phương trình hyperbol phi tuyến, sau đó sử dụng các thuật toán thích hợp để giải hệ các phương trình này, ta có được vị trí ước lượng của nguồn phát tín hiệu. Trong chương này ta sẽ xem xét nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng để xác định sai lệch thời gian đến và các ưu nhược điểm của từng kỹ thuật này.1 Các phương thức ước lượng sai lệch thời gian đến Ta có thể sử dụng nhiều nhiều thuật toán khác nhau để ước lượng sai lệch thời gian đến (hay thời gian trễ: TDE-Time Delay Estimation) giữa 2 tín hiệu, như phương pháp hàm sai phân bình phương trung bình, phương pháp thực hiện tương quan ( hay còn gọi là tương quan chéo), sử dụng các bộ lọc thích nghi. trong đó phương pháp tương quan chéo được sử dụng khá phổ biến, đồng thời cũng có nhiều phương pháp được phát triển dựa trên phương pháp tương quan chéo nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu để nâng cao độ chính xác của ước lượng sai lệch thời gian đến; Sau phương pháp tương quan chéo, phương pháp sử dụng các bộ lọc thích nghi cũng áp dụng nhiều bộ lọc và nhiều hàm trọng số khác nhau để ước lượng thời gian trễ giữa 2 tín hiệu.
12 Luận văn Thạc sĩ Chương 2: Xác định sai lệch thời gian đến 2.2 Mô hình tín hiệu Ngày nay đa phần các kỹ thuật xử lý để tính tương quan là tín hiệu số, tuy nhiên trong 1 số trường hợp ta vẫn phải xử lý với tín hiệu tương tự. Phần dưới đây sẽ trình bày hai mô hình tín hiệu này trong kỹ thuật xác định sai lệch thời gian đến 2.1 Mô hình cho tín hiệu tương tự Giả sử ta có tín hiệu s(t ) được phát đi từ một nguồn ở xa và đi qua kênh truyền có nhiễu cộng, ta có mô hình tổng quát của tín hiệu và thời gian trễ của tín hiệu nhận được tại hai trạm thu x1 (t ) và x2 (t ) như sau: x1 (t ) A1 s(t d1 ) n1 (t ) x2 (t ) A2 s(t d2 ) n2 (t )2 (2.1) Trong đó: A1 và A2 là biên độ của tín hiệu, n1 ( t ) và n2 ( t ) là can nhiễu tác động vào tín hiệu, d 1 và d 2 là thời gian trễ của tín hiệu khi đến trạm thu thứ nhất và trạm thu thứ hai (hay là thời gian truyền của tín hiệu). Trong phương pháp này ta giả sử s(t ) , n1 ( t ) và n2 ( t ) là quá trình ngẫu nhiên dừng, có trung bình bằng 0 và nhiễu n1 ( t ) và n2 ( t ) cũng như nhiễu và tín hiệu là không tương quan với nhau. Để đơn giản các thành phần ta có thể viết lại (2.1) dưới dạng như sau: x1 (t ) s(t) + n1 (t ) s1 (t ) n1 (t ) (2.2) x2 (t ) As(t D ) n2 (t ) s2 (t ) n2 (t ) Trong đó A A2 A1 là tỉ số biên độ giữa hai tín hiệu D = d1 d 2 là thời gian trễ giữa hai tín hiệu đến hai trạm thu.