(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ DUYÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN
TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI THỊ DUYÊN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN
TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội – 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này
là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian là nghiên cứu sinh. Các
kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công
bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2019
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường

Bùi Thị Duyên

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Quốc
Cường, TS. Lê Minh Thùy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để trực tiếp hướng dẫn,
định hướng, tạo động lực nghiên cứu và hỗ trợ nghiên cứu sinh về mọi mặt để hoàn
thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Kỹ
thuật điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện,
Phòng Đào tạo, thuộc trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ về mặt chuyên
môn và hỗ trợ các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án.
Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Thông tin vô tuyến, khoa Điện tử Viễn thông,

trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Phan Hồng Phương,
phòng thí nghiệm IMEP-LAHC, Đại học Grenoble, Pháp luôn giúp đỡ về đo kiểm
các mẫu anten và các mạch điện tử cho luận án.
Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên nhóm
nghiên cứu thuộc phòng Lab – RF3I, Viện Điện, các bạn bè và đồng nghiệp đã quan
tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian vừa qua.
Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong
gia đình, những người luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận
án này.

ii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ........................................................ viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... xii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1
2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án ....................... 3
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................. 7
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................. 8
5. Những đóng góp chính của luận án ................................................................ 9
6. Cấu trúc nội dung của luận án ........................................................................ 9
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG

NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG ........................................ 10
1.1. Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà ........................... 10
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống ......................... 10
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten điều khiển búp sóng ............. 14
Kết luận .................................................................................................. 15
1.2. Các cấu hình định vị .................................................................................... 17
Cấu hình tự định vị ................................................................................. 17
Cấu hình định vị từ xa ............................................................................ 18
1.3. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị .............................................. 18
Đối tượng ................................................................................................ 19
Khối đo tham số vị trí ............................................................................. 19
Thuật toán xác định vị trí đối tượng ....................................................... 20
Hiển thị vị trí .......................................................................................... 21
1.4. Các kỹ thuật định vị .................................................................................... 21
Tham số vị trí.......................................................................................... 22
Phương pháp định vị............................................................................... 26
1.5. Anten và anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến ... 39
iii


Anten và anten mảng .............................................................................. 39
Anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến ................. 41
1.6. Kết luận chương 1 ....................................................................................... 46
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN BA TRẠM TRONG NHÀ . 47
2.1. Giới thiệu chương ........................................................................................ 47
2.2. Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp................ 48
Giải pháp thiết kế anten phần tử lưỡng cực mạch in .............................. 48
Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma trận Butler ............................... 56
Kết quả anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp ................... 62
2.3. Thực nghiệm hệ thống định vị ba trạm sử dụng anten điều khiển búp sóng

dải quạt hẹp ......................................................................................................... 70
Cấu hình và hoạt động của hệ thống ...................................................... 70
Thử nghiệm các phương pháp định vị .................................................... 73
Kết luận và đánh giá hệ thống ................................................................ 79
2.4. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 81
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG NHÀ ĐƠN TRẠM
SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG .................................................. 83
3.1. Giới thiệu chương ........................................................................................ 83
Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS mảng pha ................................... 83
Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp ................................ 84
3.2. Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt rộng 85
3.3. Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn
87
Anten phân cực tròn sử dụng kỹ thuật quay tuần tự............................... 88
Thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn ............. 95
3.4. Thực nghiệm hệ thống định vị đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp
sóng mảng pha dải quạt rộng ............................................................................ 97
Cấu hình và hoạt động của hệ thống ...................................................... 97
Thử nghiệm các phương pháp định vị .................................................... 98
Kết luận và đánh giá hệ thống .............................................................. 102
3.5. Thực nghiệm hệ thống đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp sóng
chuyển búp phân cực tròn ............................................................................... 105
Cấu hình hệ thống................................................................................. 105
Phương pháp định vị dấu vân tay ......................................................... 109
Kết luận và đánh giá hệ thống .............................................................. 117
iv


3.6. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 118
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ............................................................... 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 123

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
viết tắt
ANN
AoA
AP
BGI
BW
CSI
DoA
ESPRIT
FNBW
HPBW
IPS
ISM
KNN
LoS
LS
MAC
ML
MSoS
MUSIC
MVDR
NICs

PoA
QPD
RB
RF
RFID
RP
RSS
RSSI

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Artificial Neural Networks
Mạng trí tuệ nhân tạo
Angle of Arrival
Góc tới
Access Point
Điểm truy cập
Bilateral Greed Iteration
Lặp tham lam
Bandwidth
Độ rộng băng thông
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
Direction of Arrival
Hướng góc tới
Estimation of Signal Parameters via Ước lượng tham số tín hiệu dựa
Rotational Invariance Technique
vào kỹ thuật bất biến quay

First Null Power Beamwidth
Độ rộng không đầu tiên
Half Power Beamwidth
Độ rộng búp sóng nửa công suất
Indoor Positioning System
Hệ thống định vị trong nhà
Industrial, Scientific and Medical Công nghiệp, khoa học và y tế
K-Nearest Neighbors
K hàng xóm gần nhất
Line-of-Sight
Truyền thẳng
Least Squares
Bình phương tối thiểu
Medium Access Control
Điều khiển truy cập môi trường
Maximum Likelihood
Hợp lý nhất
Tổng bình phương khoảng cách
Minimizes the Sum of Square
nhỏ nhất
Multiple Signal Classification
Phân loại tín hiệu đa đường
Minimum Variance Distortionless Đáp ứng không méo phương sai
Response
cực tiểu
Network Interface Cards
Bo mạch giao diện mạng
Phase Of Arrival
Pha tới
Quadrature Power Divider

Bộ chia đôi nguồn vuông pha
Router Board
Bộ định tuyến
Radio Frequency
Sóng vô tuyến
Radio Frequency Identification
Định danh bằng sóng điện từ
Remote-Positioning
Định vị từ xa
Received Signal Strength
Cường độ tín hiệu thu
Received Signal Strength Indicator Chỉ số cường độ tín hiệu thu

vi


SR
SSID
SVD
TDoA
ToA
UWB
VSWR
Wi-Fi

Space and Frequency Division Đa truy cập theo không gian và tần
multiple access
số
Sequential Rotated
Quay tuần tự

Service Set Identifier
Mã định danh dịch vụ
Singular Value Decomposition
Phân tích giá trị riêng
Time Difference of Arrival
Độ lệch thời gian tới
Time of Arival
Thời gian tới
Ultra-WideBand
Băng thông siêu rộng
Voltage Standing Wave Ratio
Tỷ số điện áp sóng đứng
Wireless Fidelity
Truy cập mạng không dây

WKNN

Weighted K-nearest neighbor

SFDMA

AĐKBS
CSDL
ĐT
ĐVTX
ĐVTXGT
LC-ĐaH
LC-DâX
LC-ĐiH
TĐV

TĐVGT

K hàng xóm gần nhất có trọng số
Anten điều khiển búp sóng
Cơ sở dữ liệu
Đối tượng
Định vị từ xa
Định vị từ xa gián tiếp
Lưỡng cực mạch in đa hướng
Lưỡng cực mạch in dẫn xạ
Lưỡng cực mạch in định hướng
Tự định vị
Tự định vị gián tiếp

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
TT

Ký hiệu

Mô tả

1

k

Hệ số sóng trong không gian tự do (k = 2π/)

2

εr

Hằng số điện môi

3

εeff

Hằng số điện môi hiệu dụng

4

θ

Góc quay búp sóng

5

ϕ

Góc phương vị

6



Hệ số tổn hao

7

φ

Góc lệch pha

8



Bước sóng trong không gian tự do

9

g

Bước sóng trong môi trường

10



Hệ số sóng trong môi trường ( = 2π/g)

11

φ

Pha ban đầu

12

Z0

Trở kháng đặc trưng của đường truyền

13



Tham số ước lượng

14

(.)T

Ma trận chuyển vị

15

(.)-1

Ma trận nghịch đảo

16



Tổng

17

Γ

Hệ số phản xạ

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Hình ảnh khái quát về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà 2012-2017. . 13
Hình 1.2: Tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến tiêu biểu sử dụng anten truyền
thống và anten điều khiển búp sóng những năm gần đây......................................... 16
Hình 1.3: Phân loại hệ thống định vị dựa trên cấu hình hệ thống định vị vô tuyến . 17
Hình 1.4: Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị vô tuyến .............................. 18
Hình 1.5: Khối đo tham số vị trí ............................................................................... 19
Hình 1.6: Các kỹ thuật định vị được sử dụng trong luận án..................................... 21
Hình 1.7: Mô hình truyền sóng tồn tại hiệu ứng đa đường ...................................... 23
Hình 1.8: Xác định vị trí đối tượng dựa vào hai góc tới thu được từ hai trạm ......... 25
Hình 1.9: Định vị dựa vào góc của tín hiệu tới khi tồn tại sai lệch. ......................... 26
Hình 1.10: Xác định vị trí đối tượng trong hệ định vị hai chiều .............................. 27
Hình 1.11: Các trường hợp có thể xảy ra ở phương pháp giao khoảng cách ba trạm
.................................................................................................................................. 28
Hình 1.12: Các trường hợp có thể xảy ra giữa hai đường tròn................................. 30
Hình 1.13: Xác định điểm thứ hai trong thuật toán BGI là M2 ................................ 30
Hình 1.14: Thuật toán MinMax xác định vị trí đối tượng từ bốn trạm .................... 31
Hình 1.15: Hệ định vị dựa vào khoảng cách và hướng sóng tới .............................. 31
Hình 1.16: Hệ định vị theo phương pháp dấu vân tay.............................................. 33
Hình 1.17: Sơ đồ hướng bức xạ và góc lệch pha giữa các phần tử trong mảng ....... 40
Hình 1.18: Sơ đồ khối của AĐKBS chuyển búp N phần tử. .................................... 43

Hình 1.19: Sơ đồ khối của anten điều khiển búp sóng mảng pha với N phần tử. .... 45
Hình 2.1: Lưỡng cực mạch in tiếp điện trung tâm và lưỡng cực dây tương đương . 49
Hình 2.2: Cấu trúc anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng........................................ 49
Hình 2.3: Cấu trúc của anten LC-ĐaH tích hợp balun hình chữ “J” và sơ đồ tương
đương của balun. ...................................................................................................... 50
Hình 2.4: Kết quả mô phỏng, đo của hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐaH
.................................................................................................................................. 51
Hình 2.5: Hình ảnh anten LC-ĐaH được chế tạo ..................................................... 51
Hình 2.6: Cấu trúc của anten LC-ĐiH và hình ảnh chế tạo...................................... 52
Hình 2.7: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐiH ................ 53
Hình 2.8: Hình ảnh nguyên lý và chế tạo của anten LC- DâX ................................. 54
Hình 2.9: Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC- DâX tại dải tần 2,45GHz ..... 54
Hình 2.10: Cấu trúc anten LC-DâX nhiều chấn tử dẫn xạ và hệ số S11 của các anten
lưỡng cực tại dải tần 5GHz ....................................................................................... 55
Hình 2.11: Giản đồ bức xạ của các anten LC-ĐaH, LC-ĐiH, LC-DâX gồm 2, 8 chấn
tử dẫn xạ tại dải tần 5GHz ........................................................................................ 56
ix


Hình 2.12: Cấu trúc chung của ma trận dịch pha Butler N×N ................................. 56
Hình 2.13: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler với N = 4 ........................... 57
Hình 2.14: Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo .................................................... 58
Hình 2.15: Các tham số S và độ lệch pha giữa 2 cổng ra của bộ QPD .................... 58
Hình 2.16: Cấu trúc bộ dịch pha 45º và kết quả mô phỏng của đường vi dải. ......... 59
Hình 2.17: Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng ......... 60
Hình 2.18: Kết quả các tham số truyền qua và độ lệch pha giữa các đầu ra ............ 61
Hình 2.19: Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo và đo kiểm.......................... 62
Hình 2.20: Kết quả mô phỏng và đo bộ tham số S của AĐKBS đề xuất. ................ 62
Hình 2.21: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. .......................... 63
Hình 2.22: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận dịch pha Butler 8×8 ...................... 64

Hình 2.23: Cấu trúc của ma trận Butler 8×8 đã thiết kế và tham số S mô phỏng .... 65
Hình 2.24: Cấu trúc của bộ dịch pha lai 900 và cầu nối thu nhỏ kích thước ............ 66
Hình 2.25: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ QPD .......................................... 66
Hình 2.26: Kết quả mô phỏng các tham số của bộ cầu nối chéo.............................. 66
Hình 2.27: Kết quả mô phỏng độ lệch của các bộ dịch pha 22,5; 45 và 67,5 ..... 67
Hình 2.28: Anten điều khiển búp sóng mảng pha sử dụng ma trận Butler 8×8 ....... 67
Hình 2.29: Kết quả mô phỏng và đo tham số S của AĐKBS đề xuất. ..................... 68
Hình 2.30: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS. .......................... 69
Hình 2.31: Hệ định vị ba trạm sử dụng mạng cảm biến không dây ......................... 70
Hình 2.32: Các loại nút cảm biến được sử dụng trong hệ thống định vị ba trạm .... 71
Hình 2.33: Hình ảnh hệ thống định vị triển khai tại sảnh tầng 4-C1-ĐHBK Hà Nội
.................................................................................................................................. 72
Hình 2.34: Vùng khảo sát và lưới điểm chuẩn 9×9 .................................................. 72
Hình 2.35: Biểu đồ trình tự hoạt động của mạng cảm biến không dây .................... 72
Hình 2.36: Lưu đồ thuật toán bình phương tối thiểu (a) và thuật toán BGI (b) ....... 74
Hình 2.37: Hàm phân phối sai số của hệ thống định vị dựa trên phương pháp giao
khoảng cách với các kịch bản và thuật toán khác nhau. ........................................... 74
Hình 2.38: Phương pháp giao góc dựa trên tham số RSSI lớn nhất......................... 75
Hình 2.39: Hàm phân phối sai số của hệ thống khi khảo sát các Delta khác nhau. . 75
Hình 2.40: Lưu đồ thuật toán ước lượng hướng sóng tới MUSIC ........................... 76
Hình 2.41: Lưu đồ thuật toán của phương pháp RSSI lớn nhất ............................... 77
Hình 2.42: Hàm phân phối sai số theo phương pháp giao góc dựa trên thuật toán RSSI
lớn nhất, MUSIC và phương pháp giao khoảng cách BGI. ..................................... 78
Hình 2.43: Hình ảnh lưới điểm chuẩn và 10 điểm thử trong giai đoạn trực tuyến .. 78
Hình 2.44: Lưu đồ thuật toán dấu vân tay ................................................................ 79
Hình 3.1: Vùng phủ của một AĐKBS khi quét theo trục OX .................................. 84
Hình 3.2: Hình ảnh AĐKBS mảng pha dải quạt rộng .............................................. 85
x

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng và đo của AĐKBS đề xuất ......................................... 86
Hình 3.4: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS ............................. 86
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của anten phân cực tròn TDAA đề xuất. ....................... 88
Hình 3.6: Sơ đồ tương đương của đường tiếp điện 1 vào và 4 ra. ........................... 90
Hình 3.7: Sơ đồ tổng thể mạng tiếp điện của anten TDAA ..................................... 90
Hình 3.8: Phân bố biên độ và pha của mạng khi không có 2 thanh chêm. .............. 92
Hình 3.9: Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub2 thay đổi 92
Hình 3.10: Biên độ đầu ra trung bình thay đổi khi chiều dài và vị trí Stub1 thay đổi
.................................................................................................................................. 92
Hình 3.11: Hình ảnh anten TDAA được chế tạo và hệ số S11 của TDAA .............. 93
Hình 3.12: So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten TDAA. .............................. 94
Hình 3.13: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ và AR của TDAA tại 5,8 GHz
.................................................................................................................................. 94
Hình 3.14: Cấu hình hệ định vị đơn trạm trong phòng ............................................ 96
Hình 3.15: Nguyên lý và hình ảnh chế tạo của AĐKBS chuyển búp phân cực tròn 96
Hình 3.16: Hệ số tổn hao do phản xạ, hệ số tương hỗ của các phần tử trong AĐKBS
đề xuất và hình ảnh đo bằng máy phân tích vec-tơ. ................................................. 96
Hình 3.17: Hệ định vị đơn trạm sử dụng chuẩn IEEE 802.11.................................. 97
Hình 3.18: Vùng phủ tín hiệu vô tuyến theo trục OX và trục OY ........................... 98
Hình 3.19: Lưu đồ thuật toán định vị dựa trên WKNN............................................ 99
Hình 3.20: Hệ thống định vị sử dụng AoA ............................................................ 101
Hình 3.21: Lưu đồ thuật toán định vị dựa trên MUSIC ......................................... 101
Hình 3.22: Sai số định vị 2 chiều của hệ thống với 8 điểm thử với hai phương pháp
................................................................................................................................ 102
Hình 3.23: Kịch bản của hệ định vị tại C1-413 Đại học Bách Khoa Hà Nội......... 105
Hình 3.24: Lưới điểm chuẩn và vị trí các điểm thử. .............................................. 105
Hình 3.25: Ba trường hợp anten khác nhau được tích hợp cho đối tượng ............. 106
Hình 3.26: Mật độ RSS thu được khi đối tượng tích hợp anten khác nhau ........... 107
Hình 3.27: Mật độ RSS thu được ứng với công suất phát khác nhau .................... 108
Hình 3.28: Hình ảnh các tín hiệu đối tượng nhận được trong nhà ......................... 109

Hình 3.29: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận tất định. ....... 111
Hình 3.30: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận thống kê. ..... 111
Hình 3.31: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận tất định. ....... 113
Hình 3.32: Sai số trung bình theo K điểm lân cận với cách tiếp cận thống kê. ..... 114
Hình 3.33: Các trường hợp thực nghiệm phương pháp dấu vân tay sử dụng ANN115
Hình 3.34: Mô hình mạng nơ-ron được sử dụng trong trường hợp 1 .................... 115
Hình 3.35: Mô hình mạng nơ-ron được sử dụng trong trường hợp 2 .................... 116

xi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS ..................... 15
Bảng 1.2: So sánh ba phương pháp và những đặc điểm của chúng trong hệ thống định
vị được khảo sát từ năm 2012 đến năm 2017 ........................................................... 38
Bảng 2.1: Các tham số kích thước của anten LC-ĐaH ............................................ 51
Bảng 2.2: Các tham số kích thước của anten LC-ĐiH; đơn vị mm ......................... 53
Bảng 2.3: Các tham số của anten LC- DâX tại 2,45GHz; đơn vị mm ..................... 54
Bảng 2.4: Các tham số của anten LC-DâX tại 5GHz; đơn vị mm ........................... 55
Bảng 2.5: Băng thông và hệ số tăng ích của anten LC-DâX khi thay đổi số lượng chấn
tử dẫn xạ (n) tại tần số trung tâm 5GHz ................................................................... 55
Bảng 2.6: Kết quả mô phỏng độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 4×4 .............. 60
Bảng 2.7: So sánh với các công bố khác có liên quan ............................................. 64
Bảng 2.8: Theo nguyên lý độ lệch pha giữa các đầu ra của Butler 8x8 ................... 65
Bảng 2.9: So sánh với các công bố khác trên thế giới.............................................. 69
Bảng 2.10: Các kịch bản của hệ thống định vị dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 ....... 71
Bảng 2.11: Sai số định vị của các phương pháp và thuật toán khác nhau; đơn vị m 80
Bảng 2.12: So sánh với các công bố có liên quan trên thế giới................................ 80
Bảng 3.1: Giản đồ bức xạ của AĐKBS mảng pha dải quạt rộng ............................. 87
Bảng 3.2: So sánh với AĐKBS mảng pha đã đề xuất ở chương 2 ........................... 87

Bảng 3.3: Các tham số của mạng tiếp điện .............................................................. 93
Bảng 3.4: Các công bố nghiên cứu anten phân cực tròn dựa trên kỹ thuật SR ........ 94
Bảng 3.5: Kết quả định vị của hai phương pháp AoA và dấu vân tay ................... 102
Bảng 3.6: So sánh với các công bố có liên quan .................................................... 103
Bảng 3.7: Kết quả định vị của hai phương pháp AoA và dấu vân tay ................... 104
Bảng 3.8: Sai số trung bình của hệ thống trong các trường hợp của Kịch bản 1. .. 112
Bảng 3.9: Sai số định vị khi khảo sát mạng ANN trong trường hợp 1 .................. 115
Bảng 3.10: Sai số định vị khi khảo sát mạng ANN trong trường hợp 2 ................ 116
Bảng 3.11: Sai số định vị trong trường hợp sử dụng ANN .................................... 116
Bảng 3.12: Sai số trung bình của hệ thống trong các trường hợp của kịch bản 2. . 117
Bảng 3.13: So sánh với các hệ thống định vị có liên quan ..................................... 118

xii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ không dây ngày càng phát triển và góp phần làm tăng hiệu quả công
việc trong hầu hết các lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, y tế, an ninh, giao thông
vận tải, viễn thông, giải trí và các dịch vụ khác trong nhà thông minh, thành phố thông
minh giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Thông tin về vị trí đóng vai
trò quan trọng trong các hệ thống kể trên. Bài toán này đang thu hút sự quan tâm của
nhiều nhóm nghiên cứu và các công ty công nghệ trên thế giới với các ứng dụng tiềm
năng như: định vị đồ vật trong văn phòng/siêu thị, hệ thống định vị và dẫn đường cho
người/robot trong tòa nhà, kho bãi, phòng điều trị thông minh,… Các nhà nghiên cứu
đang tập trung để giải quyết bài toán định vị trong nhà nhằm đạt được độ chính xác
cao. Tuy nhiên, môi trường trong nhà là môi trường có nhiều vật cản như: trần, tường,
sàn, vách ngăn, các trang thiết bị/người cố định hay di động,... nơi mà tín hiệu GPS
bị suy giảm. Do đó hệ thống định vị vô tuyến trong nhà gặp nhiều thách thức cần
được giải quyết. Một ứng dụng phổ biến của bài toán định vị dựa trên sóng vô tuyến

trong môi trường trong nhà đó là xác định vị trí của các robot di chuyển hàng hóa,
trang thiết bị trong nhà kho, xưởng, nhà máy hoặc dẫn đường trong bảo tàng, siêu thị,
bệnh viện, trung tâm triển lãm, thư viện, khu liên hiệp thể thao,... Trong các hệ thống
nói trên, hầu hết tất cả các nhiệm vụ mà robot thực hiện thường là những nhiệm vụ
xuất phát từ các câu hỏi như: Tôi ở đâu ? Tôi đang đi đâu ? Tôi làm thế nào để đến
được đó ? Như vậy, yêu cầu thông tin về vị trí robot là cần thiết phải xác định, từ đó
có thể trả lời được các câu hỏi nói trên và dẫn đường cho robot thực hiện các công
việc được giao [1-2]. Bệnh viện là một trong những môi trường mà ở đó ứng dụng
định vị có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả của công tác quản lý như: xác định
vị trí bệnh nhân để dẫn đường cho bệnh nhân đến các vị trí thăm khám, giám sát bệnh
nhân nếu điều trị nội trú, định vị bác sỹ, y tá, trang thiết bị phục vụ để có những hỗ
trợ kịp thời trong trường hợp khẩn cấp [3-4]. Tiếp theo là các trung tâm thương mại:
việc cập nhật hàng hóa, phân loại, vị trí sản phẩm trong trung tâm thương mại hoặc
xác định vị trí của khách hàng, từ đó phát thông tin quảng bá sản phẩm và chế độ ưu
đãi phù hợp, dựa trên vị trí giữa khách hàng và sản phẩm hàng hóa được dự đoán
được khách hàng quan tâm. Tương tự như vậy, việc xác định vị trí phòng, địa điểm
cần đến trong các bảo tàng, thư viện, hoặc những tòa nhà rộng và không thân thuộc
với những người lạ, người già, người có trí nhớ kém hoặc người khuyết tật (người
khiếm thị, người câm, người khó khăn với việc đi lại) hay trẻ em, từ đó định hướng
1


dẫn đường để người dùng tìm tới đích với thời gian ngắn nhất sẽ mang lại sự thuận
tiện và thoải mái cho người dùng. Ngoài ra, việc xác định vị trí các đồ vật trong nhà
dễ thất lạc như: chìa khóa, kính hay vật nuôi trong nhà cũng được Nokia nghiên cứu
từ những năm 2000 [5]. Với nhu cầu đó, hàng loạt các tập đoàn lớn như Apple, Google
hay Microsoft, Fujitsu, Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông Quốc gia Nhật
Bản (NICT),… hay các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm, tham gia đầu tư nghiên
cứu ứng dụng định vị trong nhà. Theo báo cáo nghiên cứu của IDTechEx, triển vọng
của hệ thống định vị trong nhà dựa trên điện thoại di động và hệ thống định vị thời

gian thực được áp dụng cho nhiều lĩnh vực từ năm 2014 tới năm 2024. Trong đó, y
tế 61% và các ngành khác như công nghiệp, nông nghiệp, bán hàng, logistics, nhà tù,
quân đội, hầm mỏ, giáo dục [6]. Theo dự báo của công ty nghiên cứu thị trường hàng
đầu của Mỹ phát biểu trong giai đoạn 2017-2022 thị trường dịch vụ dựa trên vị trí
trong lĩnh vực IoT sẽ phát triển vượt bậc. Những tập đoàn như: Cisco, Google ,
Alcatel-Lucent SA, AT & T, International Business Machines Corporation, Qualcom,
Microsoft Corporation, Oracle Cor-poration, Apple và Bharti Airtel, LTD sẽ tham
gia thị trường dịch vụ dựa trên vị trí. Tờ Briteyellow báo cáo mới ước tính rằng thị
trường phần mềm định vị trong nhà có thể đạt mức tăng trưởng + 42% vào năm 2022.
Theo Medium số lượng người sử dụng dùng thiết bị di động tích hợp hệ thống phục
vụ dựa trên vị trí trong những năm 2013 là 123 tỉ người sử dụng và đã tăng lên 242 tỉ
người sử dụng tính đến 2018 [7].
Từ những nhu cầu lớn của thị trường, các hệ thống định vị trong nhà được nghiên
cứu và phát triển với nhiều công nghệ, kỹ thuật và phương pháp khác nhau. Tiêu biểu
được biết đến như: sóng vô tuyến RF, camera, hồng ngoại, sóng âm và ánh sáng nhìn
thấy (VSL-Visible light). Mỗi công nghệ này có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Tuy nhiên, sóng vô tuyến (Radio Frequency-RF) là công nghệ được nói tới đầu tiên
trong các hệ thống định vị trong nhà do sự phổ biến của các thiết bị vô tuyến trong
đời sống ngày nay. Các bộ thu-phát sóng vô tuyến được tích hợp trong hầu hết các
trang thiết bị thông thường đặc biệt là trong các nhà thông minh, thành phố thông
minh hay trong các khu vực công cộng, du lịch, trường học. Đặc điểm nổi bật của
sóng vô tuyến là khả năng xuyên qua hầu hết các vật. Để minh chứng cho xu thế và
nhu cầu định vị dựa trên công nghệ sóng vô tuyến, nhóm nghiên cứu với tác giả chính
Christian Esposito trong [8] đã khảo sát: công nghệ sóng RF chiếm tỷ lệ lớn 66%
(Wi-Fi 24%; Bluetooth 17%; Zigbee 8%; UHF 4%; RFID 7%; kết hợp 6%), công
nghệ hồng ngoại 9%, công nghệ UWB 6%, GPS 4%, công nghệ ảnh 1%, công nghệ
từ trường 1%. Cùng với sự phát triển về cơ sở hạ tầng hỗ trợ truyền thông không dây,
2

mọi nơi đều có sóng vô tuyến. Do vậy, vấn đề truyền thông không dây và vấn đề định
vị dựa trên sóng vô tuyến có mối quan hệ ràng buộc hỗ trợ mật thiết với nhau [2].
Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến hiện nay cho đại đa số các thiết bị
điện tử cố định và di động gồm: Wi-Fi, Bluetooth, RFID, Zigbee, UWB. Trên cơ sở
đó, các hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến được đề xuất và phát triển
dựa trên cơ sở hạ tầng sẵn có [9-13]. Để nâng cao độ chính xác trong định vị, các hệ
thống thường sử dụng kết hợp công nghệ RF với các công nghệ khác hoặc kết hợp
với các cảm biến như: Con quay hồi chuyển, cảm biến từ, cảm biến bước chân, cảm
biến gia tốc, cảm biến hướng, la bàn,… [14-15]. Tóm lại, định vị trong nhà nói chung
và định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nói riêng luôn là bài toán đóng vai trò
quan trọng và có ý nghĩa cho các hệ thống, ứng dụng trong đời sống. Vì vậy, luận án
này tập trung vào nghiên cứu, xác định vị trí của đối tượng trong nhà sử dụng sóng
vô tuyến có mặt ở khắp nơi trong môi trường sống hàng ngày như sóng Wi-Fi, Zigbee
hoặc Bluetooth.

2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án
Xuất phát từ nhu cầu thực tế của hệ thống định vị như đã trình bày ở trên, định vị
đối tượng trong nhà dựa trên sóng vô tuyến đã được nghiên cứu triển khai từ những
năm 1993 [16], phát triển mạnh vào giai đoạn từ 2010 đến 2015, và đến nay vẫn đang
được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm. Các thách thức chung mà hầu hết
các hệ thống định vị trong nhà đang gặp nhiều thách thức bao gồm:
-

Độ chính xác định vị, độ chính xác định vị thường được đánh giá là sai số định
vị trên vùng không gian định vị.
Độ ổn định của hệ thống.
Giá thành hệ thống và tính phức tạp khi triển khai hệ thống.

Thời gian đáp ứng của hệ thống.
Mô hình hóa lan truyền sóng vô tuyến với môi trường trong nhà cũng như khả

năng mở rộng vùng định vị.
Trong đó, độ chính xác, giá thành và khả năng dễ triển khai hệ thống là những vấn
đề được quan tâm hàng đầu, để đánh giá tính khả thi của giải pháp cho ứng dụng
trong thực tế.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà đã được nghiên cứu
từ những năm 2013 tới nay. Điển hình là nhóm nghiên cứu tại Viện MICA, trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội kết hợp với các nhà nghiên cứu tại Cộng hòa Pháp, đã
công bố các kết quả định vị trong nhà dựa trên sóng Wi-Fi sử dụng phương pháp dấu
-

3


vân tay kết hợp với công nghệ nhận dảng ảnh từ Camera trong [17]. Ngoài hai công
nghệ chính nói trên, việc triển khai sử dụng thêm cảm biến chuyển động, cảm biến
đếm bước chân và thông số bản đồ tòa nhà ở [18] đã giúp nhóm nghiên cứu định vị
với sai số trung bình là 1,59m trên cùng định vị hành lang không vật cản. Tuy nhiên
ý tưởng chính của hệ là sử dụng kết hợp thêm các cảm biến góc quay, cảm biến vị trí,
mô hình bản đồ, bước chân chứ không dựa trên việc thay đổi thiết kế phần cứng hay
thuật toán. Nhóm nghiên cứu trường Đại học Công nghiệp công bố kết quả định vị
trong nhà sử dụng phương pháp dấu vân tay sử dụng mô hình C-GMM [19]. Phương
pháp định vị dấu vân tay dựa trên công nghệ Wi-Fi, tham số RSS vẫn là tư tưởng
chung, nhưng có kết hợp thêm mô hình Gausian Mixture Model-GMM để giảm sai
số định vị đang được nhóm nghiên cứu khoa Điện-Điện tử trường Đại học Công nghệ
kết hợp với nhóm nghiên cứu khoa Điện-Điện tử trường Đại học Công nghệ, Đại học
Quốc gia Hà Nội phát triển nghiên cứu [20]. Nhóm nghiên cứu tập trung chủ yếu đến
đề xuất cải tiến thuật toán trong giai đoạn huấn luyện giúp cải thiện độ chính xác, tuy
nhiên các kết quả nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô phỏng mà chưa được tiến hành triển
khai thực nghiệm nhiều để tăng độ tin cậy của phương pháp. Một điểm chung là các
nghiên cứu nói trên đều sử dụng các bộ thu phát vô tuyến tích hợp sẵn anten đẳng

hướng và sử dụng phương pháp dấu vân tay với yêu cầu phải có giai đoạn thu thập
cơ sở dữ liệu trong giai đoạn ngoại tuyến. Đã triển khai và giải quyết bài toán định vị
trong nhà từ năm 2014, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Điện của trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã tiến hành đo và đặc tính hóa suy hao trên kênh truyền tín hiệu RFID
trong nhà ở dải tần UHF trong công bố về hệ thống định vị trong nhà sử dụng công
nghệ RFID [21], trong đó cho thấy việc sử dụng anten phân cực tròn cho đầu đọc
hoặc thẻ RFID giúp tăng chất lượng truyền nhận tín hiệu. Bên cạnh đó, việc đề xuất
hệ thống định vị đa anten và phương pháp tam giác đạc đã được nhóm nghiên cứu
triển khai sử dụng và cho kết quả khả thi [22]. Các nghiên cứu này cho thấy tiềm năng
của việc triển khai một hệ thống định trong nhà dựa trên sóng vô tuyến sử dụng
phương pháp dấu vân tay, phương pháp tam giác đạc với anten phù hợp trên nền tảng
phần cứng có sẵn.
Trên thế giới, hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến được phát triển từ
thập niên 90 như hệ thống cảnh báo DALS dành cho các cai ngục trong nhà giam ở
Cannada [16], dự án E911 định vị số thuê bao của Mỹ [23]. Đầu thế kỷ 20, các hệ
thống định vị trong nhà được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển.
Các hệ thống liên tiếp ra đời như PinPoint 3D-iD, SPOT ON, LANDMARC,
RADAR, Horus, Ekahau, AeroScout, Ubisence [24-32], các hệ thống chủ yếu dùng
phương pháp dấu vân tay dựa trên các bộ truyền nhận không dây phổ biến trên thị
trường hoặc thiết bị thiết kế riêng của hãng tích hợp anten đẳng hướng hoặc định
hướng, sai số vị trí vào khoảng 1÷ 3m. Ưu điểm của các hệ thống này là dễ triển khai,
4


các trạm đóng vai trò như những điểm truy cập WiFi theo chuẩn IEEE 802.11 có tích
hợp thêm chức năng định vị đối tượng nhằm định hướng, dẫn đường phục vụ cho một
hệ thống lớn như: bệnh viện, sân bay, siêu thị, bảo tàng,... Các giải pháp để nâng cao
độ chính xác cho hệ thống đã được sử dụng và công bố, có thể liệt kê như:
Giải pháp tăng số trạm: điều này làm tăng giá thành hệ thống, cấu hình và tính
toán phức tạp.

- Giải pháp cải thiện các thuật toán xác định vị trí, dùng các thuật toán lọc dữ
liệu như Kalman hay Practicle [33], [34] với khối lượng tính toán phức tạp cần
áp dụng trên máy chủ có cấu hình cao.
- Giải pháp kết hợp sóng vô tuyến với các cảm biến như con quay hồi chuyển,
gia tốc, cảm biến từ, la bàn, cảm biến hướng để tăng thêm độ chính xác trong
quá trình xác định vị trí đối tượng di động [33], [35-36].
- Sử dụng công nghệ UWB cho độ chính xác đạt tới cm, tuy nhiên vùng định vị
hẹp đồng thời mạch thu phát công nghệ UWB giá thành rất cao [30], [32], [37]
là các hạn chế của công nghệ này.
Hiện nay, ý tưởng hệ thống định vị trong nhà sử dụng anten định hướng cao và có
khả năng điều khiển búp sóng theo các hướng mong muốn trong các bộ thu phát tín
hiệu vô tuyến giúp tăng độ chính xác ước lượng vị trí, giảm giá thành hệ thống đến
mức phù hợp, tăng khoảng cách truyền tín hiệu vô tuyến, vượt qua chướng ngại vật,
tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu giữa thu và phát. Đây là một giải pháp rất tiềm năng mà
cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển
[38-47]. Anten điều khiển búp sóng (AĐKBS) thường được thiết kế dựa trên nguyên
lý chuyển mạch búp sóng hoặc nguyên lý anten mảng pha đã và đang được các nhà
nghiên cứu tập trung phát triển cho hệ thống định vị trong nhà bởi ưu điểm về độ
chính xác và tính đơn giản của hệ thống mà nó mang lại. Để đáp ứng các thách thức
cho hệ thống định vị trong nhà nói chung như: độ chính xác cao, thời gian định vị
nhanh, cấu hình và việc xây dựng cơ sở dữ liệu đơn giản, vùng định vị rộng, dễ lắp
đặt thay thế, triển khai được trên nền tảng cơ sở hạ tầng có sẵn do tính phổ dụng của
các công nghệ không dây như Wi-Fi, Zigbee, Bluetooth được sử dụng phổ biến trong
xu hướng nhà thông minh, thành phố thông minh. Luận án tập trung vào việc nghiên
cứu và đề xuất các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, dựa trên các công
nghệ không dây kể trên sử dụng AĐKBS tại các dải tần dùng chung ISM từ 2,4 ÷
2,5 GHz và 5,17 ÷ 5,875 GHz theo các nội dung chính như sau:
-

Một là, nghiên cứu lựa chọn các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà phù

hợp.
Tùy vào từng hệ thống cụ thể, phụ thuộc vào đặc điểm cơ sở hạ tầng của vùng định
vị, diện tích vùng định vị, thời gian định vị, môi trường định vị để có lựa chọn cách
5


lắp đặt trạm, số trạm tích hợp AĐKBS, đặc trưng của AĐKBS phương pháp định vị,
thuật toán định vị và cách triển khai phù hợp. Từ đó tiến hành thực nghiệm và đưa ra
kết quả đánh giá phân tích lựa chọn thuật toán hợp lý cho các hệ thống định vị đề
xuất.
Hai là, nghiên cứu thiết kế các AĐKBS đạt được búp sóng hẹp theo phương quét,
cải thiện hiệu suất, hệ số tăng ích, băng thông, đặc biệt dễ chế tạo và dễ tích hợp vào
hệ thống.
Với các yêu cầu trên AĐKBS mảng pha là lựa chọn thích hợp. Tuy nhiên, để đạt
được búp sóng hẹp, số phần tử trong mảng phải đủ lớn dẫn đến sự phức tạp trong
mảng cũng như trong thiết kế bộ dịch pha. Các công bố [48-53] anten phần tử tấm
được sử dụng với ưu điểm đơn giản trong thiết kế, dễ chế tạo tuy nhiên búp sóng dạng
bút, hiệu suất bức xạ thấp và thường tiếp điện kiểu cáp đồng trục do vậy ghép không
đồng phẳng với mạch dịch pha làm giảm hiệu suất chung cho AĐKBS. Để cải thiện
về hiệu suất bức xạ và băng thông AĐKBS điện tử sử dụng các anten phần tử đơn
cực hoặc anten lưỡng cực dạng dây [38], [54-55], vấn đề gặp phải vẫn là cấu trúc
AĐKBS không phẳng gây khó khăn khi tích hợp hệ thống đồng thời búp sóng của
AĐKBS bức xạ ngang theo hai hướng ngược nhau của cùng một phương làm hệ thống
định vị phải thêm một màn hấp thụ hoặc phản xạ điện từ trường khi chúng đặt gần
tường hoặc vách ngăn nhằm tránh tín hiệu đa đường gây nên [44].
Luận án nghiên cứu đề xuất, anten phần tử mạch in từ đó thiết kế AĐKBS có búp
sóng hẹp theo phương quét, dễ dàng tích hợp với bộ dịch pha, AĐKBS mảng pha có
cấu trúc dễ tích hợp vào hệ thống, ngoài ra mang lại hệ số tăng ích cao, hiệu suất bức
xạ cao, băng thông rộng giúp phù hợp cho các công nghệ hay các chuẩn vô tuyến hiện
hành.

Ba là, nghiên cứu phát triển AĐKBS phân cực tròn, cải thiện băng thông, hiệu suất
bức xạ, hệ số tăng ích và chất lượng phân cực tròn giúp nâng cao hiệu năng của
AĐKBS cho hệ định vị vô tuyến trong nhà khi đối tượng thay đổi hướng liên tục.
Trong các hệ thống định vị đơn trạm, AĐKBS tích hợp trong hệ thường là AĐKBS
chuyển búp. Các nghiên cứu [40], [54], [56-58] có chung đặc điểm chính: là các
AĐKBS chuyển búp, các búp có thể quét 360 theo phương ngang, loại chuyển búp
sử dụng anten đơn phân cực tuyến tính [54], [56-58] hay phân cực tròn [40], có hướng
bức xạ ngang so với phần tử bức xạ do đó trong khi triển khai hệ thống định vị, các
anten loại này phải được đặt nằm ngang với vùng định vị. Cấu hình lắp đặt này làm
hệ thống bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi có vật cản chắn ngang hoặc đi qua, đồng
thời trạm gắn anten phải đặt giữa phòng gây bất tiện trong sử dụng hằng ngày và thu
6


tín hiệu của trạm bị hạn chế ở khu vực cao hoặc thấp hơn so với mặt phẳng đặt anten.
Khắc phục nhược điểm này, hệ đơn trạm thường được gắn trên trần nhà mang lại ưu
điểm như tiện lợi trong sử dụng và lắp đặt hệ thống, hạn chế hiện tượng đa đường.
Các nghiên cứu [39], [41], [59-60] chủ yếu dựa trên anten phần tử tấm với băng thông
hẹp, hiệu suất bức xạ thấp, hệ số tăng ích không cao, tuy nhiên anten phần tử có đặc
tính phân cực tròn nên thu được chất lượng tín hiệu tốt [61]. Trong đó, [59-60] đề
xuất AĐKBS phân cực tròn sáu búp độ rộng 50÷60 với kết cấu sắp xếp thành hình
bán cầu, anten phân cực tròn trái và phải. Hệ số tăng ích của anten thấp từ 1,46 đến
1,87dBi, mặt khác đồ thị bức xạ của AĐKBS không bao quát hết 360. Trong công
bố [52], L.Brás đề xuất AĐKBS chuyển búp Hive5 gồm năm phần tử anten tấm được
thiết kế ở dải tần 2,43÷2,57GHz, anten tấm phần tử kết hợp đế bằng đồng làm tăng
ích của anten lên tới 5,3÷5,7dBi, độ rộng búp sóng 69o÷72o với 6 phần tử có thể anten
phần tử phân cực tròn trong dải 2,45÷2,56GHz.
Luận án sẽ nghiên cứu đề xuất anten phần tử phân cực tròn có chất lượng cao về
hiệu suất, băng thông cũng như hệ số tăng ích và chất lượng phân cực tròn, từ đó thiết
kế AĐKBS chuyển mạch búp sóng phân cực tròn. Tiến hành các thử nghiệm để đánh

giá hiệu quả của anten đề xuất.

3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
-

Nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng
AĐKBS nhằm nâng cao chất lượng định vị.

-

Nghiên cứu và đề xuất AĐKBS mảng pha có búp sóng hẹp (dạng dải quạt), dễ
chế tạo, cải thiện các tham số như: hệ số tăng ích và hiệu suất, ứng dụng cho
hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.

Nghiên cứu và đề xuất AĐKBS chuyển búp phân cực tròn cải thiện: hệ số tăng
ích, hiệu suất, băng thông, chất lượng phân cực tròn, dễ chế tạo, ứng dụng cho
hệ thống định vị vô tuyến trong nhà
Đối tượng nghiên cứu:
- Các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS. Áp dụng các
phương pháp định vị dấu vân tay, giao góc và giao khoảng cách dựa trên tham
số RSS và AoA.
- Các cấu trúc anten lưỡng cực mạch in, dễ dàng thay đổi được độ rộng búp
sóng, hiệu suất cao, băng thông rộng, dễ chế tạo.
-

7


- Anten phân cực tròn dựa trên kỹ thuật quay liên tục. Đặc điểm góc phân cực

tròn rộng, băng thông phân cực tròn rộng.
- Anten điều khiển búp sóng mảng pha dạng dải quạt và anten điều khiển búp
sóng chuyển búp phân cực tròn cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.
Phạm vi nghiên cứu:
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong những vấn đề sau:
- Nghiên cứu hệ thống định vị vô tuyến trong môi trường hẹp sử dụng AĐKBS
dựa trên hai tham số vị trí là RSS và AoA. Sóng vô tuyến dải tần ISM do tính
phổ biến trong nhà của một trong các công nghệ không dây hiện nay: Wi-Fi,
Zigbee hoặc Bluetooth.
- Nghiên cứu các đặc tính của anten lưỡng cực mạch in về giản đồ bức xạ, hiệu
suất bức xạ, băng thông, mạng tiếp điện và thiết kế anten mảng.
- Nghiên cứu anten mảng phân cực tròn.
- Nghiên cứu AĐKBS mảng pha tích hợp bộ dịch pha dựa trên ma trận Butler.
Sử dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong môi trường hẹp nhằm nâng cao
hiệu quả của hệ thống.
- Nghiên cứu anten điều khiển búp sóng chuyển búp cho hệ thống định vị vô
tuyến trong môi trường hẹp cấu hình đơn trạm. Có khả năng phủ được toàn bộ
vùng định vị.
- Dải tần số nghiên cứu: 2,45GHz; 5GHz; 5,8GHz.

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận:
- Đưa ra những đề xuất có giá trị khoa học trong việc thiết kế anten mảng pha
và anten phân cực tròn kiểu mạch in.
- Góp phần phát triển các giải pháp thiết kế AĐKBS kiểu tương tự, có các đặc
tính và cấu trúc phù hợp cho các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà.
- Góp phần phát triển hai mô hình định vị vô tuyến trong nhà với sai số nhỏ nhờ
sử dụng AĐKBS.
Về thực tiễn:
Các AĐKBS công nghệ mạch in đã đề xuất dễ dàng chế tạo trong nước, tương

thích với dải tần các thiết bị không dây phổ biến hiện nay. Nhờ việc sử dụng các
AĐKBS góp phần nâng cao chất lượng hệ thống định vị trong nhà, đề tài có khả năng
triển khai thực tiễn trong các ứng dụng như phòng điều trị bệnh thông minh hoặc nhà
thông minh với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam.
8


5. Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
1. Đề xuất các anten điều khiển búp sóng
- AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp bốn búp tại tần số 2,45GHz và
tám búp tại tần số 5GHz.
- AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng bốn búp tại tần số 2,45GHz.
- Đề xuất anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn tại tần số 5,8GHz
2. Đề xuất các hệ thống định vị trong nhà:
- Hệ thống định vị ba trạm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4, các trạm tích hợp
AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt hẹp.
- Hệ thống định vị đơn trạm tích hợp AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt
rộng hoặc tích hợp AĐKBS chuyển búp phân cực tròn.

6. Cấu trúc nội dung của luận án
Luận án bao gồm ba chương, chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống định vị vô
tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS với chi tiết các cấu hình và kỹ thuật định vị. Trong
chương 2 của luận án, chi tiết các thiết kế anten mạch in và AĐKBS mảng pha búp
sóng có dạng dải quạt hẹp phục vụ cho hệ thống định vị ba trạm ứng dụng cho các
không gian định vị rộng được trình bày. Các phương pháp thiết kế này đều có thể
được sử dụng lại để thực hiện thiết kế anten tại các tần số quan tâm khác. Tiếp theo,
chương 3 đề xuất AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt rộng và hệ thống định vị
đơn trạm sử dụng hai AĐKBS mảng pha dải quạt rộng. Để nâng chất lượng cho hệ
định vị, áp dụng cho các đối tượng thay đổi hướng liên tục, luận án đề xuất AĐKBS

chuyển búp phân cực tròn và hệ thống định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp
phân cực tròn. Phần cuối cùng của luận án là kết luận và hướng phát triển của đề tài.

9


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ
TUYẾN TRONG NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP
SÓNG
Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống
định vị đối tượng trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nói chung và hệ thống định vị vô
tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng nói riêng. Có nhiều cách tiếp cận
hay phân loại hệ thống định vị khác nhau: theo cấu hình hệ thống [62-64], theo tham
số vị trí [65]; theo phương pháp định vị: giao góc, giao khoảng cách, dấu vân tay và
xấp xỉ lân cận [10], [37], [66] hoặc phân loại chi tiết theo tham số vị trí và phương
pháp định vị như [67]. Do đó, chương này sẽ trình bày cơ sở về hệ thống định vị vô
tuyến trong nhà như: cấu hình hệ thống định vị, các khối chức năng của hệ thống định
vị, các kỹ thuật định vị bao gồm tham số vị trí, phương pháp, thuật toán định vị dựa
trên sóng vô tuyến đã được sử dụng trực tiếp trong luận án này. Các mô hình truyền
sóng trong nhà cũng được phân tích và đề cập trong mục này. Phần cuối của chương
trình bày về anten, nguyên lý anten mảng và anten điều khiển búp sóng tích hợp trong
mạch đo tham số vị trí sử dụng trong hệ thống định vị vô tuyến.

1.1. Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống
Một trong những nghiên cứu đầu tiên về định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến
phải kể đến hệ thống cảnh báo tự động vị trí của người dùng DALS, được nghiên cứu
vào những năm 1993 tại Canada [16]. Đây là hệ thống cảnh báo tự động dành cho
các quản ngục trong trại giam, có khả năng báo động, xác định vị trí của quản ngục
khi gặp sự cố. Hệ thống làm việc ở dải tần VHF và UHF sử dụng mô-đun phát của

Cisco, dựa trên tham số RSS để xác định vị trí. Hệ thống sử dụng phương pháp tam
giác đạc dựa trên ba nút cảm biến để định vị trong vùng 3048m đạt sai số định vị
6,1m.
Tiếp theo là nghiên cứu đã được thương mại của Jay Werb người Mỹ và nhóm
nghiên cứu của PinPoint Corp, tác giả hệ PinPoint 3D-iD được áp dụng cho bệnh
nhân trên xe lăn và trên cáng trong các bệnh viện, dựa trên phương pháp giao khoảng
cách, tham số vị trí TDoA [24]. Hệ thống có khả năng định vị 2D hoặc 3D, với định
vị 1D ở khu vực hành lang 30m có độ chính xác khoảng 1÷ 3m. Tuy nhiên, hệ thống

10


yêu cầu cài đặt cơ sở hạ tầng có giá thành cao, nhiều trạm, thực hiện theo chuẩn
IEEE802.11, có nhiều nhiễu chưa xử lý được [68-69].
Năm 2000, trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto phối hợp với các nhà nghiên
cứu của trường đại học Washington đã ra mắt hệ thống định vị SPOT ON dựa trên
công nghệ nhận dạng vô tuyến (RFID) thẻ chủ động tại triển lãm UW-CSE khoa học
máy tính của trường đại học Washington tại Mỹ [25]. Hệ thống triển khai với phương
pháp giao khoảng cách dựa trên tham số vị trí RSS, sai số đạt ~3m trong vùng định
vị phòng. Tương tự như SPOT ON, năm 2003 LANDMARC dựa trên công nghệ thẻ
tích cực RFID [26]. Hệ thống triển khai trong không gian phòng 36 m2 gồm 4 đầu
đọc, 16 thẻ tham chiếu và 8 thẻ thử nghiệm. Hệ thống thực hiện theo phương pháp
dấu vân tay, kết quả cho thấy độ chính xác được cải thiện, sai số chỉ còn 1 ÷ 2m.
Hệ thống RADAR ra đời năm 2001, ưu điểm giá thành thấp dựa trên cơ sở hạ tầng
và những thiết bị có sẵn, sử dụng chuẩn IEEE 802.11 của mạng không dây cục bộ
LAN [27]. Hệ thực hiện cả phương pháp dấu vân tay và phương pháp giao khoảng
cách sử dụng tham số RSS. Thực nghiệm gồm năm trạm và được triển khai trên hành
lang với không gian 43×22 m. Phương pháp dấu vân tay đạt sai số 2 ÷ 3 m, phương
pháp giao khoảng cách đạt 4,3 m [70]. Tuy nhiên, kết quả trên là thực nghiệm bên
ngoài hành lang của 1 sàn, hệ sẽ bị ảnh hưởng khi triển khai nhiều sàn. Nghiên cứu

chưa xét đến nhiễu của các nguồn khác cũng như sự biến động của cơ sở dữ liệu khi
đối tượng di động, môi trường thay đổi [25], [68], [70].
Năm 2003, hệ thống định vị Horus do phòng thí nghiệm MIND của trường đại học
Maryland của Mỹ ra đời và sử dụng chuẩn IEEE802.11b. Hệ thống thực nghiệm trên
một sàn không gian 24,8 × 68,2 m với bốn trạm. Hệ thống sử dụng phương pháp dấu
vân tay dựa trên tham số RSS với thuật toán ước lượng vị trí dựa trên xác suất thống
kê sử dụng công thức Bayes, sai số hệ thống đạt 2,1 m tốt hơn so với hệ thống
RADAR [28], [71].
Ekahau là một trong những hãng nổi tiếng khắp thế giới về hệ thống định vị trong
nhà, trụ sở được đặt ở nhiều nơi như: Mỹ, Phần Lan, Nhật Bản. Hệ thống định vị
Ekahau bắt đầu nghiên cứu từ những năm 2000 đến nay, hiện hệ thống được thương
mại hóa trong rất nhiều các lĩnh vực như: bệnh viện, công nghiệp chế tạo, bán hàng,
logistics,…chiếm hàng triệu đô la riêng thị trường Bắc Mỹ vào năm 2012 [72]. Năm
2000 phát triển hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây, từ những năm
2002, hệ thống định vị dựa trên công nghệ Wi-Fi liên tục được kế thừa và phát triển
đến nay. Những phiên bản sau kết hợp đa công nghệ như hồng ngoại, tín hiệu âm
thanh, hình ảnh, RFID và công nghệ Bluetooth. Các thiết bị truyền nhận có tính chất
11