Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Thông tin về vị trí của một đối tượng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống
kể trên. Luận án tập trung nghiên cứu xác định vị trí của đối tượng trong môi
trường trong nhà, đôi khi được định nghĩa là môi trường hẹp có nhiều ràng buộc,
nhiều vật cản. Các môi trường điển hình như trong một ngôi nhà, tòa nhà, kho
hàng, trung tâm thương mại, bảo tàng,…trong môi trường đó, công nghệ định vị
toàn cầu như GPS khó thực hiện do sai số cao. Trong các hệ thống đó, 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. Hệ thống định vị áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nổi bật nhất là: y
tế, kinh doanh, giải trí và các lĩnh vực khác. 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 là hệ định vị vô tuyến
sử dụng anten điều khiển búp sóng (AĐKBS) mang lại độ chính xác cao cho hệ
thống định vị vô tuyến, bên cạnh đó làm giảm số lượng trạm, giảm độ phức tạp
cho hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, từ đó giảm giá thành của hệ thống.
Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án
Việc xây dựng hệ thống định vị vô tuyến còn gặp nhiều thách thức về việc: giảm
độ phức tạp, giảm số lượng trạm, tăng độ ổn định và độ chính xác cho hệ thống.
Giải pháp 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:
- Nghiên cứu lựa chọn các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà phù hợp.
- 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.
- 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.
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu AĐKBS mảng pha búp sóng hẹp, cấu trúc phẳng, bức xạ ngang
định hướng, cải thiện: hệ số tăng ích, hiệu suất. Nghiên cứu AĐKBS chuyển búp
phân cực tròn, cấu trúc bán cầu, bức xạ định hướng theo nhiều vùng (secto), cải
thiện: hệ số tăng ích, tính phân cực tròn, băng thông và hiệu suất. Mặt khác,
AĐKBS đạt được những tiêu chí chung như nâng cao: hệ số tăng ích, hiệu suất,
mở rộng băng thông, dễ chế tạo ứng dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong
nhà.
1


Nghiên cứu phát triển các hệ định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS giúp
cấu hình hệ thống đơn giản và cải thiện độ chính xác cho hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu:
Anten mạch in, AĐKBS. Hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng AĐKBS
dựa trên các tham số RSS và AoA.
Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống định vị trong môi trường hẹp, AĐKBS tương tự. Dải tần số 2,45 GHz;
5GHz và 5,8GHz.
Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận: Đề xuất những AĐKBS mới góp phần phát triển các giải pháp định
vị vô tuyến và tăng chất lượng hệ thống định vị trong nhà. Phát triển hai mô hình
định vị vô tuyến trong nhà với sai số nhỏ nhờ sử dụng AĐKBS.
Về mặt thực tiễn: Các AĐKBS dễ dàng chế tạo trong nước, tương thích với dải
tần các thiết bị không dây phổ biến hiện nay, khả thi khi tích hợp trong các trạm
trong các hệ thống định vị đối tượng trong nhà,

Những đóng góp chính của luận án
Những đóng góp khoa học của luận án gồm:
1. Đề xuất các AĐKBS
- 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 AĐKBS chuyển búp phân cực tròn tại tần số 5,8GHz
2. Đề xuất các hệ thống định vị:
- 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.
Cấu trúc nội dung của luận án
Luận án bao gồm 3 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 về 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 búp sóng dải quạt rộng và hệ
thống định vị đơn trạm sử dụng hai AĐKBS mảng pha búp sóng 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.

2


TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG

NHÀ SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG
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
Sau khi tìm hiểu tổng hợp các hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền
thống (đẳng hướng, định hướng) trên thế giới, độ chính xác của hệ thống định vị
vô tuyến đạt đến độ chính xác cỡ ~1m. Có nhiều giải pháp để nâng cao độ chính
xác cho hệ thống như: tăng số trạm điều này làm tăng giá thành hệ thống, cấu hình
và tính toán phức tạp; cải thiện các thuật toán xác định vị trí, dùng các thuật toán
lọc dữ liệu với khối lượng tính toán phức tạp cần áp dụng trên máy chủ có cấu
hình cao; kết hợp sóng vô tuyến với các cảm biến khác để tăng thêm độ chính xác
trong quá trình xác định vị trí đối tượng di động. Hoặc 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 là các hạn chế của công nghệ này.
Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten điều khiển búp sóng
Cộng đồng các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu phát triển,
cải tiến AĐKBS nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống định vị trong nhà trong
mười năm gần đây. Các nhóm nghiên cứu nổi bật như: trường đại học Nanyang
Technological University (NTU) của Singapore, trường Đại học KU Leuve của
Bỉ đã áp dụng anten điều khiển búp sóng dạng anten mảng tuyến tính dựa trên
anten phần tử lưỡng cực. Hệ thống đạt sai số nhỏ 0,57m trên vùng định vị 15m2,
0,85m trên vùng định vị 14m2. Tuy nhiên, giản đồ bức xạ của những anten điều
khiển búp sóng này có dạng bức xạ ngang theo hai hướng, khi gắn anten gần tường
gây ra hiện tượng phản xạ và bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đa đường nghiêm trọng.
Trong thực nghiệm Stijn Wielandt đã gắn thêm màn chắn từ hỗ trợ giúp loại bỏ
hiện tượng này.
Các nghiên cứu khác áp dụng AĐKBS kiểu chuyển mạch cho hệ thống định vị
vô tuyến, giản đồ bức xạ quay 360 theo phương ngang như: nhóm nghiên cứu
trường đại học công nghệ Gdansk của Balan đạt sai số 1,61m trên vùng định vị
20,25m2 ; nhóm của S.Nagaraju tại Ấn độ nghiên cứu anten chuyển búp sử dụng
phần tử anten tấm định vị một chiều đạt sai số 0,74m trong khoảng 10m tại hành

lang hay nhóm nghiên cứu M.Passafiume tại trường đại học Florence của Ý với
anten chuyển búp dựa trên anten tấm phân cực tròn đạt sai số 0,44m trên vùng
định vị 25m2. Tuy nhiên đặc điểm chung của các AĐKBS này cần phải đặt ở trung
tâm vùng định vị hay giữa phòng và vùng phủ ngang với vùng đối tượng dịch
chuyển, dẫn đến việc bố trí trạm gặp khó khăn. Mặt khác, hệ số tăng ích của chúng
thấp dẫn đến vùng định vị hẹp. Khắc phục nhược điểm của loại anten điều khiển
búp sóng này, các nhà nghiên cứu anten chuyển búp hình bán cầu có thể lắp đặt
trên trần nhà, phủ được 360 như: Hive5 của nhóm nghiên cứu trường đại học
Santiago ở Bồ Đào Nha đạt sai số 0,99m trên vùng 28m2 với cấu hình đơn trạm;
nhóm của S.Maddio đạt sai số tới 0,63m trên vùng định vị 9,88m2 với cấu hình
bốn trạm.
3


Kết luận
Từ những tìm hiểu tổng quan về các hệ thống định vị tiêu biểu như đã trình bày
ở trên, nhận thấy xu thế các nhà nghiên cứu đang tập trung phát triển AĐKBS cho
hệ thống định vị vô tuyến trong nhà, giúp nâng cao chất lượng hệ thống định vị
về các yếu tố: sai số, vùng định vị, số lượng trạm. Dựa vào đó luận án cũng tiến
hành nghiên cứu, phát triển, đưa ra những đề xuất, thiết kế AĐKBS áp dụng cho
các mô hình hệ thống định vị vô tuyến trong nhà giúp nâng cao chất lượng hệ định
vị, góp phần triển khai hệ thống định vị vô tuyến khả thi ở Việt Nam.
1.2 Các cấu hình định vị
Hệ định vị thường có 2 cấu hình chính gồm hệ tự định vị và hệ định vị từ xa,
tùy vào từng ứng dụng, yêu cầu cụ thể mà hệ thống sẽ được lắp đặt và hoạt động
với cấu hình khác nhau.
1.3 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị
Một hệ thống định vị sử dụng sóng vô tuyến sẽ bao gồm các phần tử phần cứng
và thuật toán ước lượng vị trí đối tượng. Theo luồng xử lý thông tin, hệ thống có
thể được mô tả dưới dạng sơ đồ khối chức năng chính như sau:

Hình 1.4. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống định vị vô tuyến
Đối tượng được xét trong luận án gồm đối tượng tĩnh và động, khối đo tham số
gồm các tham số chính như: RSS, AoA, ToA và TDoA, anten là phần tử quan
trọng của khối đo tham số vị trí. Cấu trúc chung của khối đo tham số vị trí gồm:
Anten và phần mạch cứng được mô tả trong hình 1.5, anten là phần tử bức xạ và
nhận tín hiệu sóng vô tuyến, tín hiệu sóng thu được cung cấp các tham số vị trí có
liên quan đến việc định vị đối tượng. Tùy theo công nghệ, kỹ thuật và đặc điểm
của tín hiệu sóng điện từ mà anten được sử dụng mang những đặc tính khác nhau.
Các tham số như: cấu trúc, dải tần, băng thông, dạng giản đồ bức xạ liên quan trực
tiếp đến kỹ thuật và công nghệ định vị.
Các tham số vị trí được đưa vào lưu trữ và xử lý tín hiệu dựa trên thuật toán
ước lượng như giao khoảng cách, giao góc, dấu vân tay để ước lượng vị trí đối
tượng.

4


Hình 1.5. Khối đo tham số vị trí
1.4 Các kỹ thuật định vị
1.4.1 Tham số vị trí
Tham số cường độ tín hiệu nhận được RSS (thường đo bằng dBm) và chỉ số
cường độ tín hiệu nhận RSSI (là giá trị RSS được quy đổi dựa trên công suất phát)
là hai tham số đặc trưng cho cường độ tín hiệu nhận được trong quá trình thu phát
vô tuyến. Lợi dụng đặc điểm suy hao của sóng vô tuyến theo khoảng cách lan
truyền sóng ra môi trường xung quanh, các nhà khoa học có thể xác định được
khoảng cách d của nguồn phát đến điểm thu dựa vào cường độ tín hiệu vô tuyến
thu được. Từ khoảng cách d sử dụng các thuật toán để ước lượng vị trí đối tượng.
Tham số AoA là tham số xác định hướng góc tới của tín hiệu được truyền đến,
để tăng độ chính xác trong xác định hướng góc tới hệ cần tích hợp anten định

hướng, anten mảng hoặc AĐKBS. Ước lượng hướng góc tới trong trường hợp
một cổng nhận, tính toán không quá phức tạp và mang lại hiệu quả cao trong ước
lượng vị trí đối tượng cho bài toán định vị. Với định vị hai chiều chỉ cần hai trạm,
để tăng độ chính xác cho tìm hướng góc tới, hệ thống cần trang bị các loại anten
có giản đồ bức xạ định hướng hoặc những anten mảng điều hướng. Búp sóng càng
hẹp việc ước lượng hướng sóng tới càng chính xác giúp nâng cao chất lượng định
vị.
1.4.2 Phương pháp định vị
Phương pháp định vị thường chia làm 3 phương pháp chính: giao khoảng cách,
giao góc và dấu vân tay. Trong đó, dấu vân tay là phương pháp có độ chính xác
cao nhất, tuy nhiên ở phương pháp này yêu cầu thu thập cơ sở dữ liệu (CSDL).
Phương pháp giao khoảng cách và giao góc dựa trên tham số khoảng cách và góc
để ước lượng vị trí, không cần CSDL từ trước. Do đó có thể thực hiện trong hệ
định vị thời gian thực, tuy nhiên độ chính xác bị hạn chế. Trong luận án, sử dụng
các phương pháp trên khi tiến hành thử nghiệm hệ thống định vị tích hợp AĐKBS.
1.5 Anten và anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô
tuyến
1.5.1 Anten và anten mảng
Anten là một thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không
gian bên ngoài. Anten là bộ phận quan trọng không thể thiếu của bất kỳ hệ thống
vô tuyến điện nào, anten được sử dụng với các mục đích khác nhau sẽ có những
đặc tính khác nhau.
5


Anten mảng được tạo bởi gồm các phần tử anten, chúng sắp xếp thích hợp trong
một không gian để tạo ra giản đồ bức xạ với đặc tính mong muốn. Các đặc tính
mong muốn đó có thể đạt được bởi các yếu tố sau:
- Biên độ và pha của nguồn tiếp điện cho mỗi phần tử.
- Giản đồ bức xạ của mỗi phần tử.

- Khoảng cách d giữa các phần tử.
Mảng N phần tử giống nhau sắp xếp thành đường thẳng khoảng cách đều nhau
d và cùng biên độ an. Nếu mảng gồm N phần tử theo Balanis thì hệ số của mảng
AF được xác định như công thức dưới đây:
j kd cos  
j 2 kd cos  
j N 1 kd cos   
AF =an 1  e 
e 
  e  
(1.1)





N

AF =an e
n=1

j  n-1 kdcosθ+ 

N

j n-1 ψ
 an e   ; với ψ   k  d .cos    

(1.2)

n=1

N: số phần tử; θ: góc quay của búp sóng chính; k = 2π/λ hằng số sóng
d: khoảng cách giữa các phần tử
 : góc lệch pha giữa các phần tử trong mảng
ψ: góc lệch pha giữa các phần tử xét trên mặt phẳng sóng
Tổng quát: Trường tổng = [Trường của một phần tử] × [Hệ số mảng]
Giản đồ bức xạ của anten mảng quét búp sóng phụ thuộc vào: giản đồ bức xạ
của anten phần tử, số phần tử và hệ số mảng. Trong đó, hệ số mảng phụ thuộc vào
các trọng số biên, pha và khoảng cách giữa các phần tử trong mảng, những tham
số này quyết định góc quay của búp sóng chính, độ định hướng, hệ số tăng ích,
búp sóng phụ và độ rộng búp sóng.
1.5.2 Anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến
Khái niệm chung: Anten điều khiển búp sóng là anten mảng có khả năng quay
búp sóng theo các hướng khác nhau trong không gian. AĐKBS có thể dùng
phương pháp cơ, điện tử hoặc cơ-điện tử. AĐKBS điện tử được chia làm hai loại:
AĐKBS kiểu tương tự và AĐKBS số. Trong luận án muốn quan tâm và đề cập
đến AĐKBS kiểu tương tự. Có một số phương pháp phân loại khác nhau tuy nhiên
đại đa số thì AĐKBS tương tự được chia làm hai nhóm: AĐKBS chuyển búp và
AĐKBS mảng pha.
AĐKBS mảng pha: là AĐKBS bao gồm bộ dịch pha giúp quay búp sóng theo
những hướng mong muốn, do vậy chúng có phần cứng phức tạp hơn. Việc điều
chỉnh pha của các nguồn kích thích cho các phần tử anten trong mảng có thể điều
chỉnh búp sóng chính đến hướng mong muốn.
AĐKBS chuyển búp: là AĐKBS gồm nhiều anten phần tử được gắn với phần
tử chuyển mạch và bộ chia nguồn/bộ phối hợp. Hướng bức xạ của AĐKBS là
hướng bức xạ của anten phần tử được tích cực, các anten phần tử khác không tham
gia vào quá trình bức xạ.
Nội dung chính của luận án nhằm cải thiện các AĐKBS mảng pha về: cấu trúc
phẳng dễ tích hợp, búp sóng hẹp theo phương quét, hệ số tăng ích và hiệu suất.

Cải thiện hiệu suất, tính phân cực tròn, băng thông rộng cũng là tiêu chí của
6


AĐKBS chuyển búp phân cực tròn. Các đề xuất AĐKBS cho hệ thống định vị vô
tuyến trong nhà nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống.
1.3 Kết luận chương 1
Chương này luận án đã tìm hiểu tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến nói
chung và hệ định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS nói riêng trên thế giới. Nhằm đưa
ra các giải pháp cho hệ thống định vị vô tuyến sử dụng AĐKBS thích hợp, bởi
AĐKBS có tác động trực tiếp đến: độ chính xác, tính khả dụng, số lượng trạm,
tính linh động, vùng không gian định vị, cách bố trí trạm, công nghệ định vị, thời
gian định vị và giá thành hệ thống. Trình bày cấu hình và sơ đồ khối chung của
hệ thống định vị dựa trên sóng vô tuyến. Trình bày các tham số định vị RSS, RSSI
và AoA cũng như các phương pháp định vị, thuật toán định vị, tạo tiền đề cơ sở
cho các chương tiếp theo. Trong chương này cũng trình bày các tham số cơ bản
của anten, kỹ thuật mảng và tổng quan về anten điều khiển búp sóng điện tử kiểu
tương tự làm cơ sở để đưa ra giải pháp phát triển và thiết kế anten điều khiển búp
sóng cho hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến ở các chương sau.
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN BA TRẠM TRONG NHÀ
2.1 Giới thiệu chương
Chương 2 trong chương này, luận án đề xuất cấu hình ba trạm tích hợp AĐKBS
mảng pha búp sóng dải quạt hẹp. AĐKBS mảng pha dải quạt hẹp được đề xuất
với đặc điểm búp sóng hẹp theo phương xoy và độ mở của búp theo phương yoz
hạn chế ở mức dưới ~90 để tránh phản xạ của đất tại tần số 2,45GHz và 5GHz.
2.2 Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt hẹp
2.2.1 Giải pháp thiết kế anten phần tử lưỡng cực mạch in
1. Anten lưỡng cực mạch in đẳng hướng (LC-ĐaH)

Anten phần tử LC-ĐaH được đề xuất có cấu trúc và sơ đồ tương đương của

balun được mô tả như hình 2.3. Các tham số thiết kế được trình bày chi tiết trong
bảng 2.1. Các kết quả mô phỏng và đo tham số S11 và giản đồ bức xạ thể hiện
trong hình 2.4. Hình ảnh anten được chế tạo trong hình 2.5 dựa trên chất nền
RO4003C.

Hình 2.3: Cấu trúc của anten LC-ĐaH và sơ đồ tương đương của balun.
Bảng 2.1: Các tham số kích thước của anten LC-ĐaH
Cánh bức xạ (mm)
Balun (mm)
Lb
Wb
Wsg
Lf1
Lf2
Ws
L
W
g
21.56
4.01
1.5
23 4.01
7
9.5
23
4.01
7


Hình 2.4: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐaH

a) Mặt trên
b) Mặt dưới
Hình 2.5: Hình ảnh anten LC-ĐaH được chế tạo
2. Anten lưỡng cực mạch in định hướng (LC-ĐiH)

Khi thêm chấn tử phản xạ, chiều dài chấn tử phản xạ 0,57g, khoảng cách giữa
chấn tử phản xạ và cánh bức xạ bằng 0,25g, được giản đồ bức xạ định hướng.
Anten được thiết kế và chế tạo như hình 2.6 với các tham số trong bảng 2.2.
Kết quả mô phỏng, đo được thể hiện trong hình 2.7, từ đó cho thấy búp sóng hình
dải quạt hẹp theo phương xoy và rộng theo phương còn lại (yoz). Đây là một trong
những đặc điểm lợi thế của anten LC-ĐiH để phát triển AĐKBS mảng pha dải
quạt được nói tới trong mục sau.

Hình 2.6: Cấu trúc của anten LC-ĐiH và hình ảnh chế tạo
Bảng 2.2: Các tham số kích thước của anten LC-ĐiH
Cánh bức xạ (mm)
Balun (mm)
Chấn tử phản xạ(mm)
L
W
g
Lb Wb Wsg Lf1 Lf2 Wf
Lg
Wg
23,5 4,2 1,5 18 4,2 4,2 22 16
2
20
10

8


Hình 2.7: Hệ số S11 mô phỏng, đo và giản đồ bức xạ của anten LC-ĐiH
3. Anten lưỡng cực mạch in sử dụng chấn tử dẫn xạ (LC-DâX)

Với cánh bức xạ chủ động đảm bảo tính chất nửa bước sóng, đồng thời giảm
kích thước theo chiều ngang của anten, cánh bức xạ được thiết kế uốn cong. Bên
cạnh đó còn giúp tăng độ định hướng theo phương trực giao với cánh bức xạ. Để
tăng thêm độ định hướng, các chấn tử dẫn xạ được thêm vào phía trước song song
với cánh bức xạ như hình 2.8 tạo thành anten lưỡng cực mạch in dẫn xạ (LCDâX). Anten LC-DâX được tối ưu với các tham số trong bảng 2.3; bảng 2.4; bảng
2.5 tại các tần số 2,45GHz và 5GHz. Kết quả mô phỏng và đo các hệ số S11 và
giản đồ bức xạ của anten thể hiện trong các hình 2.9; hình 2.10 và hình 2.11

Hình 2.8: Hình ảnh nguyên lý và chế tạo của anten LC- DâX
Hệ số tăng ích bị đánh đổi bởi kích thước của anten, với LC- DâX có hai chấn
tử dẫn xạ nhận được tăng ích là 7,37 dBi tại 2,45GHz và 7,64 dBi tại 5GHz.
Bảng 2.3: Các tham số của anten LC- DâX tại 2,45GHz đơn vị mm
Cánh bức xạ
Tham số
Giá trị
Larm
23,3
Warm
4,2
Ls
23
g
0,7
hsub

0,8
Lsub
74
Wsub
57,1

Balun
Tham số
Giá trị
Wbalun
2,1
La
20
Lb
15,1
Wfeed
4,2
Lgnd
7
Wgnd
24

Thành phần định hướng
Tham số
Giá trị
Ldirec
30
Wdirec
4,2
y1

14 (0,15g)
y2
14 (0,15g)

9


Hình 2.9: Hệ số S11 và giản đồ bức xạ của anten LC- DâX tại dải tần 2,45GHz
Bảng 2.4: Các tham số của anten LC- DâX tại 5GHz đơn vị mm
Cánh bức xạ
Tham số
Giá trị
Larm
11,4
Warm
2,1
Ls
11,5
g
0,7

hsub

0,8

Lsub
Wsub

37
29

Balun
Tham số
Giá trị
Wbalun
2,1
La
10,1
Lb
8
Wfeed
2,1
Lgnd
3,5
Wgnd
12

Thành phần định hướng
Tham số
Giá trị
Ldirec
15
Wdirec
2,1
y1
7 (0,15g)
y2
7 (0,15g)

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
n

BW [MHz]

Tăng ích [dBi]

n

BW [MHz]

Tăng ích [dBi]

0
1
2

770
592
500

6,03
7,00
7,64

3
4
5

450

820
580

8,18
8,43
8,77

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

10


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
2.2.2 Thiết kế bộ dịch pha vi dải sử dụng ma trận Butler
1. Ma trận dịch pha Butler
Ma trận Butler N×N bao gồm N đầu vào và N đầu ra với N = 2l (l =1, 2, 3…),
với mỗi đầu vào ứng với một độ lệch pha ở các đầu ra tương ứng theo công thức:
  

2l  1
180
N

Góc quay của các búp sóng chính được xác định bởi:
  
  arccos 
 ; k = 2π/
 kd 

(2.8)

(2.9)

2. Mạch dịch pha sử dụng ma trận Butler 4×4 tại tần số 2,45GHz

Hình 2.13: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler với N = 4
Bộ chia đôi nguồn vuông pha QPD:
Bộ QPD hay còn gọi bộ hỗn hợp có chức năng chia đôi nguồn và tín hiệu đầu
ra lệch pha nhau một góc 90 (hybrid 90- 3dB) thực hiện chức năng chia đôi công
suất đầu vào và pha của tín hiệu ở đầu ra lệch nhau 90. Các tham số về chiều dài
và trở kháng được thiết kế như hình 2.14.a.

11


Hình 2.14: Cấu trúc của bộ QPD và cầu nối chéo
Kết quả mô phỏng các tham số của mạch QPD tại tần số trung tâm 2,45 GHz
được thể hiện trong hình 2.15.a, nhận thấy các tham số S11, S22 nhỏ và các tham
số S31, S41 lớn phản ánh đường truyền hiệu suất cao từ các cổng 1, 2 ra cổng 3,
4. Kết quả tham số S12 hay S21 phản ánh sự cách ly giữa 2 cổng vào, kết quả độ
lệch pha giữa hai đầu ra của QPD bằng 90,2.

Hình 2.15: Các tham số S và độ lệch pha giữa 2 cổng ra của bộ QPD
Cầu nối chéo (Cossover):
Hình 2.14.b là cấu trúc của cầu nối chéo, đặc điểm của cầu này là truyền tín
hiệu theo đường chéo: tín hiệu từ cổng 1 truyền sang cổng 4, tín hiệu từ cổng 2
truyền sang cổng 3. Cầu nối chéo có đặc điểm độ lệch pha giữa vào và ra bằng 0.
Hình 2.15.b thể hiện các tham số S và pha của cầu nối chéo.

Bộ dịch pha cố định 450
Hình 2.16 là bộ dịch pha dạng đơn giản nhất, bộ dịch pha sử dụng đường truyền
vi dải và kết quả mô phỏng độ lệch pha thiết kế là 45 º

12


Hình 2.16: Cấu trúc bộ dịch pha 45º và kết quả mô phỏng của đường vi dải.
Cấu trúc ma trận dịch pha Butler 4×4 gồm các phần tử cũng như việc phối hợp
trở kháng được thực hiện trên hình 2.17.a. Các hệ số phản xạ khi các đầu vào được
tiếp điện lần lượt được thể hiện trên hình 2.17.b. Từ kết quả cho thấy bộ dịch pha
có băng thông rộng BW=500MHz, phối hợp trở kháng tốt trong dải 2,2 ÷ 2,7GHz.
Sau khi mô phỏng, các tham số S của bộ dịch pha giữa các đầu ra ~ ±45° và ±135°,
hệ số truyền qua từ cổng vào tới các cổng ra xấp xỉ -6 dB.

Hình 2.17: Cấu trúc của ma trận Butler 4×4 thiết kế và tham số S mô phỏng
2.2.3 Kết quả AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt hẹp
1. AĐKBS sử dụng LC-DâX tại tần số trung tâm 2,45GHz
Để thu hẹp búp sóng theo phương thẳng đứng (góc mở dải quạt hẹp), giúp giảm
ảnh hưởng của đất, anten phần tử được sử dụng là loại lưỡng cực dẫn xạ gọi là
AĐKBS.

Hình ảnh đo AĐKBS
Mặt trên
Mặt dưới
Hình 2.19: Hình ảnh AĐKBS mảng pha được chế tạo và đo kiểm

13

Hình 2.20: Kết quả mô phỏng và đo bộ tham số S của AĐKBS đề xuất.

Hình 2.21: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của AĐKBS.
Nhận xét :
- Ưu điểm nổi bật là độ rộng búp sóng phương xoy hẹp từ 21,5º ÷ 24,5º.
- Độ tăng ích 9,13 dBi ÷ 9,8 dBi
- Góc quay -36º, -12º, +12º, +37º
- Độ rộng búp sóng theo phương yoz: 60º ÷100º
- Hiệu suất bức xạ lớn hơn 80 %; Băng thông rộng 400MHz (16,3 %)
- Kích thước vẫn còn lớn 220mm×260mm
2. AĐKBS sử dụng LC-DâX tại dải tần 5GHz
Dưới đây là các hình ảnh AĐKBS chế tạo và đo dựa trên mạch dịch pha
Butler 8x8:

Mặt trên
Mặt dưới
Hình ảnh đo AĐKBS
Hình 2.28: AĐKBS mảng pha sử dụng ma trận Butler 8×8
14


Kết quả đo các tham số S của AĐKBS được mô tả trong hình 2.29 cho thấy
AĐKBS đạt băng thông rộng 13,2% với tần số trung tâm là 5GHz. Kết quả đo
giản đồ bức xạ của AĐKBS được thể hiện trên hình 2.30 với độ rộng búp sóng
theo phương xoy xấp xỉ 12, tám búp của anten ứng với các góc quét lần lượt là
-52, -37, -20, -8, +9, +25, +40 và +56. Hệ số tăng ích lớn nhất của AĐKBS
ứng với các búp đạt: 7,8 ÷ 11dBi. So sánh với các công trình nghiên cứu khác trên
thế giới, nổi trội nhất của AĐKBS đề xuất có búp sóng hình dải quạt hẹp theo
phương xoy ~12, theo chiều yoz thì độ rộng búp sóng đạt 50÷120. Trong khi
đó hệ số tăng ích và kích thước của AĐKBS vẫn được đảm bảo.

Hình 2.29: Kết quả đo hệ số S của AĐKBS đề xuất.

Hình 2.30: Kết quả đo giản đồ bức xạ của AĐKBS.
2.3. Thực nghiệm hệ thống định vị ba trạm sử dụng anten điều khiển
búp sóng dải quạt hẹp
2.3.1 Cấu hình của hệ thống
Hệ thống dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 gồm ba Nút cố định (trạm thu) có
nhiệm vụ thu tín hiệu vô tuyến được phát từ Nút di động. Tín hiệu thu được RSSIi
được Nút chủ thu thập gửi về máy tính trung tâm để xử lý tính toán vị trí Nút di
động.

15


Để đánh giá mức độ hiệu quả việc tích hợp anten điều hướng trong hệ thống,
luận án triển khai với hai kịch với các Nút cố định sử dụng anten đẳng hướng và
AĐKBS thể hiện trong bảng 2.10.

Hình 2.31. Hệ định vị ba trạm sử dụng mạng cảm biến không dây
Bảng 2.10: Các kịch bản của hệ thống định vị dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4
Thành phần của
Thành phần của
TT
Mô tả hoạt động
Nút di động
Nút cố định
-C-MSP430

-C-MSP430

Kịch -MRF24J40MA
bản 1 -Anten đẳng hướng

-MRF24J40MA
-Anten đẳng hướng
-C-MSP430

-C-MSP430

Kịch -MRF24J40MA
bản 2 -Anten đẳng hướng

-MRF24J40MA
-Anten điều khiển búp
sóng

2.3.2 Thử nghiệm các phương pháp định vị
1. Phương pháp giao khoảng cách
Tìm khoảng cách d tính được, ứng với mỗi khoảng cách vẽ nên đường tròn có
phương trình dưới đây:
d  d0  10


 P


 d -Pd0 -X   /10n


(2.13)

Trong kịch bản 1, áp dụng thuật toán bình phương tối thiểu (LS). Trong kịch
bản 2, áp dụng cả 2 thuật toán LS và lặp tham lam (BGI). Thực hiện cho 81 điểm
tĩnh trên lưới.
2. Phương pháp giao góc: Luận án sử dụng hai thuật toán RSSI lớn nhất và
MUSIC để ước lượng hướng sóng tới từ đó tìm giao các hướng sóng tới, ước
lượng vị trí đối tượng. Thực hiện cho 81 điểm tĩnh trên lưới.
16


3. Phương pháp dấu vân tay: Đo các tham số trên 81 điểm trên lưới tạo CSDL
từ đó ước lượng 10 điểm thử dựa trên thuật toán K điểm lân cận có trọng số
(WKNN).
2.3.3 Kết luận và đánh giá hệ thống
Luận án đưa ra các phương pháp thử nghiệm với các thuật toán khác nhau:
- Phương pháp giao khoảng cách: Bình phương tối thiểu (LS), BGI
- Phương pháp giao góc: RSSImax và MUSIC
- Phương pháp dấu vân tay dựa trên WKNN
Kết quả thử nghiệm như bảng 2.6, khi so sánh với các công bố có liên quan có
phần nổi trội về độ chính xác.
Bảng 2.11: Sai số định vị của các phương pháp và thuật toán khác nhau;đơn vị m
Thuật
Phương pháp
Sai số trung bình Sai số nhỏ nhất Sai số lớn nhất
toán
1,67
0,0543
3,36
Giao khoảng LS

cách
BGI
1,64
0,245
3,36
RSSImax
1,07
0.04
3,46
Giao góc
MUSIC
2,57
0.20
11,2
Dấu vân tay
WKNN
0,75
0,11
1,9
2.4. Kết luận chương 2
Trong chương này, luận án đã trình bày những đề xuất anten phần tử lưỡng cực
với đặc điểm giản đồ bức xạ điều chỉnh được dựa vào cấu trúc của chúng: LCĐaH, LC-ĐiH và LC-DâX từ đó làm cơ sở thiết kế AĐKBS mảng pha có búp
sóng hình dải quạt hẹp tại tần số 2,45GHz và 5 GHz ứng dụng cho Wi-Fi thế hệ
mới. Dựa trên AĐKBS đề xuất, luận án đã tiến hành thử nghiệm hệ định vị ba
trạm dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4. Luận án đã sử dụng các phương pháp và thuật
toán định vị khác nhau để kiểm chứng hệ thống, mang lại kết quả có nhiều triển
vọng: sai số định vị không cần giai đoạn ngoại tuyến là 1,07m; sai số phương pháp
dấu vân tay 0,75m trên diện tích vùng định vị 32 m2. Với hệ thống ba trạm đề
xuất, căn cứ vào hệ số tăng ích của AĐKBS, căn cứ vào RSSI khảo sát trong môi
trường trong nhà, nền nhiễu, phương trình truyền sóng và dự trù khi đối tượng sử

dụng anten mạch in tích hợp với hệ số tăng ích thấp thì vùng định vị tối đa lên tới
173m2 ứng với công suất phát 18dBm.
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN TRONG NHÀ ĐƠN TRẠM
SỬ DỤNG ANTEN ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG
3.1 Giới thiệu chương
Trong chương này, luận án sẽ thực hiện song song hai xu hướng sử dụng
AĐKBS mảng pha và chuyển búp ứng dụng cho hệ thống định vị vô tuyến trong
nhà
3.2 Giải pháp anten điều khiển búp sóng mảng pha dải quạt rộng
Thiết kế AĐKBS tại dải tần 2,45GHz hỗ trợ cho chuẩn IEEE 802.11. Anten
phần tử LC-ĐaH cho mảng AĐKBS mảng pha. Sử dụng bộ dịch pha Butler 4×4
17


ghép với 4 phần tử LC-ĐaH sẽ tạo ra AĐKBS có cấu trúc phẳng, mang lại hiệu
suất cao. Theo nguyên lý tương tự như trình bày về bộ dịch pha, mảng anten,
AĐKBS mảng pha. Hình 3.2 là AĐKBS pha đã được thiết kế và chế tạo trên chất
nền RO4003C bề dày chất nền 0,8mm, bề dầy lớp đồng 0,017mm, khoảng cách
d=0,57 giữa các anten phần tử trong mảng.

a) Mặt trên
b) Mặt dưới
c) Đo tham số S của AĐKBS
Hình 3.2: Hình ảnh anten điều hướng mảng pha búp sóng dải quạt rộng
Kết quả đo hệ số phản xạ của AĐKBS ứng với trường hợp từng cổng được tiếp
điện thể hiện trên hình 3.3.a, từ kết quả đó nhận thấy kết quả đo và mô phỏng là
tương đồng, dải tần hoạt động 2,3 GHz ÷ 2,7 GHz.

b)
a)

Hình 3.3: Kết quả mô phỏng và đo của AĐKBS đề xuất

Hình 3.4: Kết quả đo và mô phỏng giản đồ bức xạ của AĐKBS
Hình 3.3.b là kết quả thể hiện hệ số tăng ích, hệ số định hướng và hiệu suất bức
xạ tổng của anten điều hướng trong dải tần hoạt động của anten. Trong đó, hệ số
tăng ích đạt từ 7,17 ÷ 8,64 dBi trong toàn bộ dải tần. Khi chọn từng cổng đầu vào
18


sẽ nhận được một búp sóng chính có hướng xác định như hình 3.4. Các búp sóng
chính có vị trí lần lượt là ± 12, 37 và -36. Độ rộng búp sóng theo phương yoz
rộng từ 200 đến 240, như vậy khi anten điều khiển búp sóng phủ một vùng rộng
theo phương yoz.
3.3 Giải pháp thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân
cực tròn
3.3.1 Anten phân cực tròn sử dụng kỹ thuật quay tuần tự
Anten phân cực tròn đề xuất có tên là TDAA được chế tạo dựa trên nguyên lý
quay tuần tự về vật lý và về pha giữa các phần tử trong mảng, chúng xếp thành
vòng tròn lệch nhau 90 về góc vật lý và pha. TDAA được chế tạo trên chất nền
RO4003C thể hiện trên hình 3.11. Kết quả mô tả trên hình 3.11 cho thấy hệ số
phản xạ có sự tương đồng giữa kết quả đo và mô phỏng. Anten hoạt động trong
dải tần rộng từ 4,6 đến 6,7 GHz (36,2% và dải tần số đạt 3dB AR là 1,3 GHz (từ
5,4 đến 6,7 GHz (22,4%)).

Hình 3.11: Hình ảnh anten TDAA được chế tạo và hệ số S11 của TDAA
Tỷ số phân cực AR, hệ số tăng ích, độ định hướng và hiệu suất của TDAA được
mô tả trên hình 3.12. Hệ số tăng ích của anten thay đổi từ 7,6 dBi tới 9,8 dBi trong
cả dải tần số 4,3÷7,1 GHz. Kết quả đo và mô phỏng đồ thị bức xạ tại tần số 5,8
GHz theo mặt phẳng xoz và yoz được trình bày trên hình 3.13.

a) Tỷ số AR
b) Tăng ích, độ định hướng, hiệu suất của TDAA
Hình 3.12: So sánh kết quả đo và mô phỏng của anten TDAA.

19


a) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng xoz

b) Giản đồ bức xạ trên mặt phẳng yoz

Hình 3.1: Kết quả mô phỏng và đo giản đồ bức xạ của TDAA tại 5,8 GHz
3.3.2 Thiết kế anten điều khiển búp sóng chuyển búp phân cực tròn
AĐKBS được ghép từ bảy anten phần tử phân cực tròn hoạt động trên nguyên
lý chung của AĐKBS chuyển búp sóng như hình 3.15. Với lắp ghép và thiết kế
thành hình bán cầu, AĐKBS sẽ phủ được một vùng rộng trong nhà. Các hệ số
phản xạ của bảy anten phần tử và tương hỗ giữa chúng được đo và thể hiện trên
hình 3.16. Hệ số tương hỗ giữ các anten phần tử nhỏ hơn -42 dB tại tần số 5,8GHz.

Hình 3.15: Nguyên lý hoạt động và hình Hình 3.16: Hệ số phản xạ của bảy
ảnh AĐKBS chuyển búp phân cực tròn
anten TDAA và hệ số tương hỗ.
3.4 Thực nghiệm hệ thống định vị đơn trạm tích hợp anten điều khiển
búp sóng mảng pha dải quạt rộng
3.4.1 Cấu hình hệ thống đơn trạm
Địa điểm triển khai thực nghiệm tại phòng 413 nhà C1 trường đại học Bách
Khoa Hà Nội rộng 6×6,5×3,5 m3, với tường vôi, cột trần bê tông, sàn ghạch men,
lưới khảo sát trong vùng 5×5m2 như hình 3.17.
3.4.2 Thử nghiệm các phương pháp định vị
1. Phương pháp dấu vân tay:

Thuật toán K điểm hàng xóm gần nhất có trọng số (WKNN) được sử dụng để tính
toán vị trí đối tượng trong trường hợp này.
2. Phương pháp ước lượng hướng sóng tới dựa trên thuật toán MUSIC

20


Hình 3.17: Hệ thống định vị đơn trạm sử dụng chuẩn IEEE 802.11
3.4.3 Kết luận và đánh giá hệ thống
Bảng 3.5: Kết quả định vị của hai phương pháp AoA và dấu vân tay
Điểm
thử
1
2
3
4
5
6
7
8

Ước lượng AoA
Dấu vân tay
Tọa độ thực Tọa độ ước lượng Sai số Tọa độ ước lượng Sai số
(xr, yr)
(m)
(m)
(𝑥̂, 𝑦̂)
(𝑥̂, 𝑦̂)
(-1,25 ; -1,25) (-1.273 ; -0.69)

0,560
(-1,410 ; -0,28)
0,983
(-0,75 ; -0,75) (-0.860 ; 0.368) 1,123
(-0,536 ; -0,81)
0,222
(-0,25 ; -0,25) (-0.021 ; 0.104) 0,422
(-0,512 ; 0,56)
0,851
(0,25 ; 0,25) (0.917 ; -0.105) 0,756
(0,525 ; 0,52)
0,385
(0,75 ; 0,75) (0.800 ; -0.21)
0,961
(0,526; 0,6)
0,270
(1,25 ; 1,25) (1.335 ; -0.52)
1,772
(0,801 ; 1,4)
0,473
(1,25 ; 0,75) (1.273; -0.105)
0,855
(0,879; 0,51)
0,442
(1,25 ; 0,25)
(0,1; 0,052)
1,167
(0,919 ;-0,23)
0,583
Sai số trung bình

0,952
0,526

Trong bảng 3.5 đã trình bày kết quả xác định vị trí của tám điểm theo hai
phương pháp đề cập ở trên. Với phương pháp sử dụng DoA trong định vị hai
chiều, sai số định vị trung bình là 0,952m. Phương pháp dấu vân tay sai số trung
bình là 0,562m.
Trong mục này, luận án đã đề xuất AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt rộng.
Từ đó tiến hành thực nghiệm hệ thống định vị đơn trạm mang lại kết quả khả quan
như đã trình bày ở trên và có những so sánh với các công bố khác trên thế giới.
Tuy nhiên, trong phương pháp AoA nhận thấy rằng sai lệch vị trí đối tượng theo
trục ngang vùng định vị là 0,2685 và trục dọc của vùng định vị là 0,7525 có sự
chênh lệch đáng kể. Như vậy, khi đối tượng thay đổi hướng hay thay đổi trạng
thái có khả năng gây ra những sai số lớn. Đó chính là lý do tại sao anten phần cực
tròn được sử dụng để cải thiện vấn đề này.

21


3.5 Thực nghiệm hệ thống đơn trạm tích hợp anten điều khiển búp
sóng chuyển búp phân cực tròn
3.5.1 Cấu hình hệ thống
Trình bày hệ thống định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp phân cực
tròn. Kịch bản định vị trong nhà được xây dựng trong phòng C1-413 Đại học Bách
Khoa Hà Nội có kích thước 6×6,5×3,5 m3 như trên hình 3.23. Hệ thống sẽ thu
thập giá trị tham số RSS trên một lưới 14×13 (các hàng được đánh thứ tự từ A tới
P, các cột từ 1 tới 13) với 30 mẫu cho một trong bảy búp của AĐKBS, đối tượng
được đặt cách mặt sàn 1,2m.

Hình 3.23: Hệ định vị triển khai tại C1-413 ĐH BKHN và lưới điểm chuẩn

Kịch bản 1: Khi đối tượng tích hợp các anten khác nhau
Khảo sát 3 trường hợp khác nhau của anten được tích hợp trong đối tượng:
anten phân cực tròn TDAA, anten đẳng hướng LC-ĐaH đặt ngang (LC-ĐaH-N)
và anten đẳng hướng LC-ĐaH đặt dọc (LC-ĐaH-D) .
Kịch bản 2: Khi thay đổi công suất phát của trạm
Trong mục này sẽ khảo sát việc thay đổi công suất phát của trạm ở các mức
công suất: 10dBm, 5dBm, 0dBm, -5dBm, -10dBm nhằm khảo sát ảnh hưởng của
công suất phát đến: hiện tượng đa đường, tối ưu năng lượng sử dụng, độ chính
xác của hệ định vị. Kết quả thu được, tại công suất phát 0dBm mật độ năng lượng
giữa bảy búp được phân định rõ nét, không xuất hiện vùng chết trong toàn miền
khảo sát.
3.5.2 Phương pháp định vị dấu vân tay
Trong mục này, luận án tiếp cận 3 phương pháp tất định, xác suất thống kê và
nhận dạng mẫu dựa trên mạng nơ-ron (ANN) của phương pháp dấu vân tay. Trong
phương pháp tiền định sử dụng thuật toán WKNN, trong phương pháp xác suất
thống kê sử dụng công thức Bayes, sử dụng thuật toán Levenberg-Marquardt
Back-Propagation (LM-BP) cho mạng nơ-ron.
Kịch bản 1: Khảo sát các trạng thái khác nhau của đối tượng
Bảng 3.8: Sai số trung bình trong các trường hợp của Kịch bản 1.(đơn vị: mm)
Hướng
tiếp cận
Tất định

Số điểm gần
nhất K

Thuật toán

WKNN
Sai số nhỏ

MSoS
nhất /K
Gama5

Đối tượng tích hợp các anten
TDAA
LC-ĐaH-N
LC-ĐaH-D
0,79/ K=35
0,72/ K=50
0,79/ K=35

1,16/K=5
1,18/ K =9
1,16/ K =9

0,72/ K =22
0,69/ K =19
0,72/ K =22

22


Thống kê

Sai số nhỏ
nhất /K

WKNN
MSoS

1,14/ K=6
1,2/ K=6

1,64/ K=6
1,79/ K=4

0,86/ K=3
0,9/ K=1

Kịch bản 2: Khảo sát công suất phát của trạm
Bảng 3.12: Sai số trung bình trong các trường hợp của Kịch bản 2.(đơn vị: mm)
Hướng Số điểm Thuật
tiếp cận gần nhất K toán
WKNN
Tất Sai số nhỏ
MSoS
nhất /K
định
Gama5
Thống Sai số nhỏ WKNN
nhất /K MSoS
kê
Trường hợp 1
ANN

Trường hợp 2

10 dBm
0,45/K=19

0,46/K=19
0,44/K=19
0,68/K=5
0,75/K=1

Sai số HL
Sai số thử
Sai số HL
Sai số thử

Công suất phát
5 dBm
0 dBm
-5 dBm

-10 dBm

0,79/K=35 0,38/K=12 0,444/K=16 0,484/K=25
0,72/K=50 0,35/K=12 0,435/K=23 0,514/K=25
0,79/K=35 0,37/K=12 0,438/K=16 0,501/K=25
1,14/ K=6 0,58/K=3 0,66/ K=5 0,61/K=3
1,2/ K=6 0,59/K=3 0,69/K=3
0,64/K=3
0,779
Huấn luyện 182 điểm, 25 điểm thử
0,733
0,788 Huấn luyện 91điểm, 91 điểm thử
0,862 Sai số HL: Sai số huấn luyện

Kết luận và đánh giá hệ thống

Hệ thống có thể đáp ứng với các trường hợp đối tượng tích hợp các loại anten
khác nhau hoặc đối tượng thay đổi hướng.
Trường hợp công suất phát 0dBm có sai số nhỏ nhất:
- Phương pháp tất định đạt sai số trung bình 0,35m
- Phương pháp xác suất thống kê dựa trên công thức Bayes đạt sai số trung bình
là 0,58m.
- Sử dụng nhận dạng mẫu dựa trên ANN, sai số trung bình đạt 0,733m
3.6 Kết luận chương 3
Trong chương này, luận án đã đề xuất AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt
rộng và AĐKBS chuyển búp phân cực tròn.
Luận án đã thực nghiệm hệ thống định vị vô tuyến đơn trạm trong nhà sử dụng
các AĐKBS đề xuất:
- Hệ thống đơn trạm sử dụng AĐKBS mảng pha búp sóng dải quạt rộng trong
vùng định vị 5×5m2, kết quả được trình bày chi tiết trong bảng 3.5, sai số định vị
trung bình là 0,952m (phương pháp ước lượng AoA) và 0,526 m (phương pháp
dấu vân tay). Đã thực hiện so sánh, đánh giá hệ thống đề xuất với các công bố có
liên quan trên thế giới. Hệ thống định vị đề xuất dành cho những ứng dụng trong
vùng định vị giới hạn 7×7m2.
- Hệ thống đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp phân cực tròn, kết quả được
tổng kết chi tiết trong các bảng 3.8 và bảng 3.12. Hệ thống mang lại kết quả định
vị với sai số nhỏ 0,35m (WKNN), 0,58m (Bayes) và 0,733m (ANN) trong vùng
định vị 5,6×5,2m2. Bên cạnh đó luận án đã khảo sát ảnh hưởng của công suất phát
đến độ chính xác của hệ thống. Trong các phương pháp định vị dựa trên K điểm
lân cận, luận án đã khảo sát chi tiết đến các trường hợp của tham số K. Hệ thống
đã được so sánh, đánh giá với các công bố trên thế giới và nhận thấy hệ thống có
những mặt nổi trội về độ chính xác. Hệ thống đề xuất có thể mở rộng vùng không
gian định vị bằng cách tăng công suất phát cho trạm.
23

KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
Trong luận án này, cơ sở khoa học và phát triển các hệ thống định vị vô tuyến
trong nhà AĐKBS lần lượt được trình bày. Trước tiên dựa vào các đặc điểm của
hệ thống định vị trong nhà được yêu cầu; từ đó đề xuất các AĐKBS tương ứng
giúp cải thiện chất lượng các hệ thống định vị đề xuất; Các AĐKBS mảng pha đề
xuất tuy đơn giản nhưng hiệu quả, đã đáp ứng được các tiêu chí đặt ra khi ứng
dụng cho hệ thống định vị trong nhà. Mặc dù số phần tử trong mảng không nhiều
chỉ bốn hoặc tám phần tử nhưng búp sóng nhỏ nổi bật so với các công bố khác
trên thế giới, đó là do sự khác biệt từ việc đề xuất anten phần tử trong mảng. Ngoài
ra AĐKBS chuyển búp phân cực tròn đề xuất cũng gồm nhiều đặc điểm nổi trội
về băng thông, hệ số tăng ích, hiệu suất và đặc biệt là chất lượng phân cực tròn
(phân cực tròn trong dải tần rộng, góc phân cực tròn rộng). Các hệ thống định vị
ba trạm và đơn trạm được thử nghiệm khi tích hợp AĐKBS trong hệ thống. Các
phương pháp và thuật toán định vị tiêu biểu được áp dụng trong thực nghiệm hệ
thống. Cuối cùng nhận được các kết quả định vị có thể so sánh với nhiều hệ thống
đã được công bố trên thế giới.
Những đóng góp của luận án:
1. Đề xuất anten điều khiển búp sóng
Các AĐKBS mảng pha búp sóng hình dải quạt với các tham số được cải thiện
như: hệ số tăng ích, hiệu suất, độ rộng búp sóng hẹp theo phương quét, cấu trúc
phẳng, dễ chế tạo và tích hợp trong các thiết bị vô tuyến, ngoài ra:
+ AĐKBS mảng pha dải quạt hẹp tại tần số 2,45GHz, 5GHz với góc mở dải
quạt 60 đến 100
+ AĐKBS mảng pha dải quạt rộng tại tần số 2,45GHz với góc mở dải quạt ~200
Đề xuất AĐKBS chuyển búp phân cực tròn tần số 5,8 GHz, có những đặc điểm
được cải thiện như hệ số tăng ích và hiệu suất, thêm vào đó là băng thông siêu
rộng, chất lượng phân cực tròn tốt, phủ được vùng 360.
2. Đề xuất các hệ thống định vị
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 trên vùng định vị 32m2. Sai số trung

bình của hệ thống: 0,75m (WKNN); 1,64m (giao khoảng cách); 1,07m (giao gócRSSImax).
Hệ thống định vị đơn trạm tích hợp hai AĐKBS mảng pha có búp sóng dải quạt
rộng, vùng định vị 25m2. Sai số trung bình hệ thống: 0,526m (WKNN); 0,952m
(AoA-MUSIC).
Hệ thống định vị đơn trạm tích hợp AĐKBS chuyển búp phân cực tròn, vùng
định vị 29m2, sử dụng phương pháp dấu vân tay. Sai số trung bình hệ thống khi
trạm phát 0dBm, đối tượng tích hợp TDAA: 0,35m (WKNN); 0,58m (Bayes).
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
Nghiên cứu phát triển thêm hệ thống định vị dựa trên công nghệ UWB sử dụng
AĐKBS chuyển búp phân cực tròn.
Khảo sát khi đối tượng di chuyển với tốc độ nhanh, áp dụng thêm các thuật toán
lọc hiện đại.
24