Nghiên cứu giải pháp tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị bằng phương pháp drssi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------***------

LÊ HẢI TỒN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP DRSSI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
Mã số:

60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lương Vinh Quốc Danh
.................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Lưu Thanh Trà
.................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo
.................................................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Thành
phố Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. GS.TS Lê Tiến Thường ...................................................... - Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Lưu Thanh Trà .............................................................. - Cán bộ phản biện 1
3. PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo ......................................... - Cán bộ phản biện 2
4. TS. Mai Linh ........................................................................... - Ủy viên Hội đồng
5. TS. Huỳnh Phú Minh Cường ........................................... - Thư ký Hội đồng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Số: ……… /BKĐT
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: VIỄN THÔNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ HẢI TOÀN

MSHV: 7140455

Ngày, tháng, năm sinh: 05/03/1988

Nơi sinh: Cần Thơ

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60520208

1. Tên đề tài luận văn (Tiếng Việt và Tiếng Anh): NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP
TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ BẰNG PHƯƠNG PHÁP
DRSSI (Reseaching solutions improve accuracy of positioning techniques base on
DRSSI method).
2. Nhiệm vụ:
+ Nghiên cứu các giải thuật lọc tín hiệu để cải thiện độ chính xác của thông số RSSI.
+ Khảo sát giải pháp định vị trong trường hợp không biết công suất nguồn phát
DRSSI.
3. Các kết quả dự kiến:
+ Độ chính xác được cải thiện so với phương pháp không dùng giải thuật lọc
+ Kết quả so sánh giữa 2 trường hợp có dùng và không dùng giải thuật lọc trong kỹ
thuật định vị không biết công suất nguồn phát DRSSI.
4. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 06/02/2016
5. Thời gian thực hiện: 16/01/2017-18/06/2017 (xin gia hạn đến 12/2017)
6. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Lương Vinh Quốc Danh
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn
Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm …….
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành các mơn học trong chương trình cũng như hồn thành được
đề cương và luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, hỗ trợ và giúp đỡ của
quý Lãnh đạo, q Thầy Cơ, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp các bạn sinh viên.

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn TS Lương Vinh Quốc Danh, Bộ môn Điện
tử viễn thông, Khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ, đã định hướng, hướng dẫn và
hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Thầy là người đã cung cấp và gợi ý
các tài liệu tham khảo cần thiết, hướng dẫn tận tình, giúp em khắc phục các vấn đề kỹ
thuật phát sinh trong quá trình thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cám ơn đến quý Lãnh đạo, quý Thầy Cô Bộ môn Viễn Thông, Khoa
Điện – Điện tử, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã chấp thuận đề
cương và cho em thực hiện đề tài luận văn này. Cám ơn quý Thầy đã chia sẽ, tư vấn và
hỗ trợ nhưng gì nhỏ nhất để em có thể hồn thành chương trình học tập và luận văn tốt
nghiệp.
Xin cám ơn quý anh đi trước đã hỗ trợ kinh nghiệm trong quá trình tìm hiểu, đo
đạc; cám ơn các bạn đồng nghiệp và sinh viên đã hỗ trợ trong quá trình đo đạc số liệu.
Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã ủng hộ và tạo động
lực rất lớn về mặt tinh thần, giúp em vượt qua khó khăn để có thể hồn thành đề tài này.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2018


TÓM TẮT
Luận văn này sẽ giới thiệu cách xác định vị trí của một mục tiêu (nguồn sóng RF)
trong một khu vực nhất định. Công việc này được thực hiện bằng cách sử dụng thơng
số cường độ sóng thu được (RSSI). Cụ thể, một số lượng thích hợp các trạm thu phát
không dây được sử dụng để thu thập các giá trị cường độ tín hiệu nhận được từ mục tiêu.
Các giá trị này sẽ được sử dụng làm đầu vào cho một thuật tốn ước lượng có khả năng
tính toán tọa độ 2D của mục tiêu. Theo kết quả của các thí nghiệm của bài luận, tính
chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào số lượng trạm phát sóng khơng dây và
chất lượng của thơng số RSSI. Nói cách khác, nếu sử dụng tốt các giải thuật lọc để cải
thiện thơng số RSSI thì có thể làm tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị. Thêm vào đó,
luận văn cũng đã giới thiệu một phiên bản cải tiến của thuật tốn ước lượng có thể giúp
cải thiện sai số trong một phạm vi chấp nhận được trong khi chúng ta chỉ sử dụng 4 trạm

thu. Sau khi áp dụng phiên bản cải tiến này, lỗi dự kiến không được vượt quá 10%.

ABSTRACT
This thesis introduces the way to determine the position of a target (RF source)
in a particular area. This work is carried out by using RSSI parameter. In detail, an
appropriate number of wireless transceiver stations are used to collect received signal
strength indicator values that received from the target. These values will be utilized as
an input for an estimation algorithm which has ability to calculate 2D coordinate of the
target. According to the result of our experiments, the accuracy of this method depends
on the number of wireless transceiver station. In other words, the better filter solution to
improve the RSSI parameter we exert, the higher accuracy we get. Therefore, this thesis
has also recommended an improved version of the estimation algorithm which can help
us keep the error in an acceptable range while we only use four transceiver stations.
After having applied this improved version, the expected error is not higher than 10%.
Keywords: RSSI, LQI; unknown source localization; DRSSI, Kalman filter


LỜI CAM ĐOAN
Việc sử dụng giá trị cường độ sóng RSSI để định vị nguồn phát sóng RF đã và
đang được quan tâm nghiên cứu và thực hiện trong những năm gần đây bởi vì những ưu
điểm của nó như sự đơn giản của hệ thống, giá thành thấp và có tiềm năng ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực. Đã có vài nghiên cứu, bài báo trên thế giới về việc sử dụng giá trị
RSSI để định vị thiết bị. Tại Việt Nam, việc định vị bằng cường độ sóng điện từ đặc biệt
là với các nguồn phát sóng khơng biết cơng suất phát cịn khá mới lạ, chưa thấy có
cơng trình nào nghiên cứu chi tiết. Từ việc tham khảo các bài báo quốc tế, từ nhiều
nguồn, nhiều tác giả khác nhau, tơi đã xây dựng thuật tốn định vị nguồn phát sóng RF
dùng thơng số RSSI trong trường hợp không biết nguồn công suất phát và cải tiến giải
thuật để nâng cao độ chính xác của kỹ thuật định vị. Tôi xin cam đoan, nội dung và các
kết quả trình bày trong báo cáo này là hồn tồn trung thực, dựa trên các số liệu do tôi
khảo sát, đo đạc và ghi nhận trên thực tế, không sao chép từ bất cứ cơng trình nghiên

cứu nào trước đó.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 12 năm 2017


Trang 1

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ 3
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 6
1.1 Đặt vấn đề .............................................................................................................. 6
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ......................................................... 7
1.3 Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 10
1.4 Phạm vi thực hiện................................................................................................. 10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 11
2.1 Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF .................................................... 11
2.2 Mối quan hệ giữa cơng suất tín hiệu nhận được và khoảng cách ........................ 12
2.3 Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách ................................................. 13
2.4 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI và kỹ thuật định vị dùng RSSI ..................... 14
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................................... 18
3.1 Giới thiệu module CC1120 .................................................................................. 18
3.2 Khối điều khiển .................................................................................................... 21
3.3 Hoàn thiện phần cứng ......................................................................................... 23
3.4 Mạch thực tế:........................................................................................................ 27
CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT GIÁ TRỊ RSSI TỪ MODULE CC1120 ............................ 28
4.1 Cách đọc RSSI từ CC1120 ................................................................................... 28
4.2 Phương pháp khảo sát .......................................................................................... 28

4.3 Tính tốn khoảng cách từ giá trị RSSI ................................................................. 30


Trang 2

4.4 Giải thuật lọc cải thiện thông số RSSI ................................................................. 31
CHƯƠNG 5: GIẢI THUẬT TÍNH TỐN ĐỊNH VỊ BẰNG KỸ THUẬT DRSSI..... 38
5.1 Mơ hình xác định vị trí nguồn phát vô tuyến. ...................................................... 39
5.2 Giải thuật xác định nguồn phát vô tuyến bằng kỹ thuật DRSSI .......................... 39
5.3 Giải thuật cải thiện độ chính xác của kỹ thuật định vị DRSSI ............................ 50
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .................................................................. 59
6.1 Kết quả khảo sát giá trị RSSI, hệ số suy hao môi trường. ................................... 59
6.2 Kết quả khảo sát giải thuật định vị ....................................................................... 63
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................... 74
7.1 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 74
7.2 ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI .................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 76
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 78
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ......................................................................................... 106


Trang 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mơ hình truyền sóng trong khơng gian ......................................................... 14
Hình 2.2: Phương pháp định vị Trilateration ................................................................ 17
Hình 2.3: Phương pháp định vị Minmax ....................................................................... 18
Hình 2.4: Phương pháp định vị ROCRSSI .................................................................... 18
Hình 3.1: Sơ đồ chân chip CC1120 ............................................................................... 19
Hình 3.2: Kit CC1120 Evaluation Module 169MHz .................................................... 20

Hình 3.3: Giao diện phần mềm SmartRF Studio 7........................................................ 22
Hình 3.4: MSP430G2553 .............................................................................................. 22
Hình 3.5: Sơ đồ khối chức năng của vi xử lý MSP430G2553 ...................................... 24
Hình 3.6 Sơ đồ chân MSP430G2553 ............................................................................ 24
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý phần cứng ........................................................................... 25
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn .......................................................................... 26
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển ................................................................... 26
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối nạp dữ liệu ................................................................ 27
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý khối kết nối với kit CC1120 ............................................. 27
Hình 3.12: Hình ảnh thực tế phần cứng......................................................................... 28
Hình 4.1: Khảo sát giá trị RSSI và giá trị n ................................................................... 30
Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách và RSSI ............................ 32
Hình 4.3: Sơ đồ mơ tả hoạt động của bộ lọc Kalman.................................................... 32
Hình 5.1: Mơ hình xác định vị trí nguồn phát vơ tuyến ................................................ 38
Hình 5.2: Tọa độ mục tiêu được tính tốn bằng MATLAB .......................................... 48
Hình 5.3: Các khu vực định vị....................................................................................... 50
Hình 5.4: Mơ hình tởng qt của hệ thống với mục tiêu bất kì. .................................... 51
Hình 5.5: Sơ đồ phân chia theo khu vực định vị ........................................................... 52
Hình 6.1: Khoảng cách thực tế và khoảng cách ước lượng trong môi trường 1 ........... 60
Hình 6.2: Khoảng cách thực tế và khoảng cách ước lượng (khảo sát 2) ....................... 61
Hình 6.3: Mơ hình định vị nguồn phát sóng RF ............................................................ 63
Hình 6.4: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh)............................. 64
Hình 6.5: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh)............................. 65
Hình 6.6: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh)............................. 66


Trang 4

Hình 6.7: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh)............................. 67
Hình 6.8: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh)................................. 68

Hình 6.9: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh)................................. 69
Hình 6.10: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh)............................... 70
Hình 6.11: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh)............................... 71
Hình 6.12: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh)............................... 72
Hình 6.13: Minh họa kết quả định vị mục tiêu X6 (đã hiệu chỉnh)............................... 73

DANH MỤC BIỂU BẢNG
Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật module CC1120 ............................................................... 21
Bảng 4.1 Các giá trị đo đạc RSSI và tính tốn giá trị n................................................. 30
Bảng 4.2 Kết quả khảo sát sự thay đổi của giá trị RSSI theo khoảng cách (1) ............. 31
Bảng 4.3: Kết quả khảo sát sự thay đổi của giá trị RSSI theo khoảng cách (2). ........... 38
Bảng 5.1: Kết quả ước lượng tọa độ mục tiêu với giá trị RSSI ước lượng ................... 49
Bảng 5.2: Kết quả ước lượng tọa độ mục tiêu sau hiệu chỉnh ...................................... 58
Bảng 6.1: Khảo sát giá trị RSSI trong môi trường 1 ..................................................... 59
Bảng 6.2: Khảo sát giá trị RSSI trong môi trường 2 (cải thiện bộ lọc) ......................... 61
Bảng 6.3: Bảng so sánh sai số trước và sau áp dụng bộ lọc .......................................... 62
Bảng 6.4: Kết quả định vị mục tiêu X1 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 64
Bảng 6.5: Kết quả định vị mục tiêu X2 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 65
Bảng 6.6: Kết quả định vị mục tiêu X3 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 66
Bảng 6.7: Kết quả định vị mục tiêu X4 (chưa hiệu chỉnh) ............................................ 67
Bảng 6.8: Kết quả định vị mục tiêu X1 (đã hiệu chỉnh) ................................................ 68
Bảng 6.9: Kết quả định vị mục tiêu X2 (đã hiệu chỉnh) ................................................ 69
Bảng 6.10: Kết quả định vị mục tiêu X3 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 70
Bảng 6.11: Kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 71
Bảng 6.12: Kết quả định vị mục tiêu X5 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 72
Bảng 6.13: Kết quả định vị mục tiêu X4 (đã hiệu chỉnh) .............................................. 73


Trang 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
2D

Two Dimensional space

3D

Three Dimensional space

AOA

Angle of arrival

GPS

Global positioning system

ISM

The Industrial Scientific Medical band

LOS

Line-of-Sight

3MCU

Microcontroller Unit

NLOS

Non Line-of-Sight

RF

Radio frequency

Ring-Overlapping based on Comparison of
ROCRSSI Received
Signal Strength Indicator
RSS

Received signal strength

RSSI

Received Signal Strength Indicator

RX
TDOA
TI
TOA
TX
UART

Reciever
Time difference of arrival
Texas Instruments
Time of arrival
Transmitter

Universal Asynchronous receive/Transmitter


Trang 6

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Chính phủ đã xây dựng quy hoạch sử dụng tần số, thúc đẩy sự phát triển thông
tin vô tuyến trên tất cả các lĩnh vực như: phát thanh truyền hình, thơng tin di động, dẫn
đường hàng không, hàng hải, đến những hệ thống thông tin dùng riêng, an ninh quốc
phòng.
Quy hoạch tần số là một trong những nội dung đặc biệt quan trọng trong quản lý
tần số, có ý nghĩa to lớn trong việc đảm bảo hiệu quả sử dụng phổ tần cũng như thúc
đẩy sự phát triển của các công nghệ thông tin vơ tuyến.
Năm 1998, Cục Tần số đã chủ trì xây dựng và được Thủ tướng Chính phủ phê
duyệt “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện của Việt Nam cho các nghiệp vụ”. Quy
hoạch này tiếp tục được hoàn thiện và được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt vào các
năm 2005, 2009 với tên gọi “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện quốc gia”. Ngày 21
tháng 11 năm 2013, Thủ tướng chính phủ đã có Quyết định số 71/2013/QD-TTg về việc
ban hành “Quy hoạch phổ tần số vô tuyến điện quốc gia” là Quy hoạch được áp dụng
hiện nay.
Công tác kiểm tra kiểm soát, xử lý vi phạm và xử lý can nhiễu đóng vai trị
quan trọng trong việc đảm bảo thực thi quyền quản lý nhà nước về tần số. Bằng các
cơng nghệ kiểm sốt đa năng, hiện đại và trang thiết bị kiểm soát chuyên dụng, Cục
tần số đã thực hiện kiểm soát thường xuyên các dải tần từ (9 kHz-3GHz) tại tất cả
các tỉnh thành trên tồn quốc, chú trọng kiểm sốt các mạng đài HF phục vụ an tồn
cứu nạn, hàng khơng hàng hải, phịng chống bão lụt, kiểm soát các băng tần HF,
V/UHF của PTTH, của các phương tiện đánh bắt cá xa bờ. Nhờ tăng cường kiểm

soát thường xuyên và mở rộng địa bàn kiểm soát, số vụ vi phạm đã giảm đáng kể,
trật tự sử dụng phổ tần được thiết lập, ý thức tiết kiệm và tuân thủ quy định pháp
luật trong sử dụng phổ tần của các tổ chức và cá nhân ngày càng được nâng cao;


Trang 7

mặt khác hoạt động kiểm soát cũng đã hỗ trợ rất tốt cho các cơ quan an ninh, quốc
phòng phá nhiều vụ án liên quan đến tội phạm công nghệ cao.
Tuy công tác quản lý của Nhà nước và ý thức chấp hành của người dân và
tổ chức đã có bước tiến bộ. Tuy nhiên, trên thực tế vẫn còn nhiều hành vi vi phạm
trong việc sử dụng thiết bị thu phát tần số không phép (do chủ quan hoặc khách
quan) như bộ đàm, điện thoại nội bộ không dây và nhiều thiết bị khác, gây ảnh
hưởng đến tần số điều tiết không lưu, hàng hải, viễn thông di động, an ninh – quốc
phòng...
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các thiết bị hay truyền dữ liệu không dây dần phát
triển và mở rộng với quy mơ lớn do tính tiện lợi của nó như tiết kiệm chi phí, thuận tiện
bảo trì và tạo vẽ mĩ quan xung quanh. Chẳng hạn như các thiệt bị bộ đàm, các đài truyền
hình. Tuy nhiên chính vì sự thuận tiện của nó nên một số cá nhân, doanh nghiệp đã sử
dụng trái phép các dải tần để phát các tín hiệu với cơng suất mà chúng ta khơng biết
được. Vì vậy Cục tần số phải thường xuyên kiểm tra để bảo đảm sự hoạt động ổn định
của môi trường truyền dẫn không dây, tuy nhiên các thiết bị kiểm tra có giá thành khá
cao vì vậy số lượng hạn chế khơng thể kiểm tra trên diện rộng. Để khắc phục vấn đề
này, một hệ thống xác định vị trí nguồn phát để hạn chế những khuyết điểm trên là cần
thiết, vì vậy tơi chọn hướng đề tài là kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF dựa trên
cường độ sóng RSSI và cụ thể là trong trường hợp không biết nguồn công suất phát
(DRSSI), kết hợp với nghiên cứu các giải thuật để cải thiện độ chính xác của thơng số
RSSI, từ đó sẽ tăng độ chính xác của kỹ thuật định vị này.
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Sử dụng sóng vơ tuyến để xác định vị trí trong mơi trường khơng phải là đề tài

mới, đã có nhiều tác giả nước ngoài nghiên cứu và áp dụng thành cơng phương pháp
này. Một trong những ứng dụng điển hình có thể kể đến là dự án “Precision Personnel
Location System” (Hệ thống định vị cá nhân chính xác) được áp dụng để theo dõi vị trí
và giám sát tình trạng sức khỏe của lính cứu hỏa đang làm việc trong tịa nhà đang cháy,
của nhóm tác giả Khoa Điện tử - Máy tính, trường Đại học Tởng hợp Worcester (WPI).


Trang 8

Về lý thuyết, có nhiều phương pháp nghiên cứu cách xác định vị trí nguồn phát
tín hiệu cao tần (hay định vị vị trí) kể cả indoor và outdoor với kết quả tương đối tốt
như:
- Hệ thống định vị sử dụng phương pháp AOA.
- Hệ thống định vị sử dụng phương pháp TOA.
- Hệ thống định vị sử dụng phương pháp TDOA.
- Hệ thống định vị sử dụng kết quả đo cường độ tín hiệu RSSI.
Mỗi phương pháp có những ưu điểm và khuyết điểm riêng như phương pháp
AOA địi hỏi phải có anten định hướng chính xác, phần cứng phức tạp; phương pháp
TOA đòi hỏi tất cả các máy phát và máy thu trong hệ thống phải đồng bộ chính xác;
trong khi phương pháp sử dụng kết quả đo cường độ tín hiệu RSSI thì khơng cần anten
định hướng chính xác, phần cứng đơn giản và việc phát triển hệ thống chỉ cần dựa vào
thuật toán.
Từ một số hệ thống định vị nêu trên, tác giả chọn hệ thống định vị sử dụng đo
lường cường độ tín hiệu RSSI làm hướng của đề tài kỹ thuật định vị nguồn phát sóng
RF dựa trên cường độ sóng RSSI để thực hiện với mục đích xây dựng, kiểm chứng và
phát triển một phương pháp xác định vị trí nguồn phát trong trường hợp không biết công
suất của nguồn phát.
Với phương pháp định vị sử dụng đo cường độ sóng vơ tuyến RSSI hiện nay trên
thế giới và trong nước đã và đang có nhiều cơng trình nghiên cứu được cơng bố, trong
đó có thể kể đến là:

- “DuRT: Dual RSSI Trend Based Localization for Wireless Sensor Networks”
Pratap Kumar Sahu, Eric Hsiao-Kuang Wu, Member, IEEE, and Jagruti Sahoo: Ieee
Sensors Journal, Vol. 13, No. 8, August 2013 [20].
Trong bài báo này, tác giả đề xuất một sơ đồ định vị dựa trên RSSI xem xét các
xu hướng của giá trị RSSI thu được từ đèn hiệu (beacon) để ước lượng vị trí của các nút
cảm biến. Thông qua việc áp dụng mô hình đa thức về mối quan hệ giữa RSSI nhận


Trang 9

được và khoảng cách, tác giả xác định vị trí các điểm RSSI tối đa trên quỹ đạo neo. Sử
dụng hai quỹ đạo như vậy, vị trí cảm biến được xác định bằng cách tính tốn các giao
điểm của đường vng góc đi qua các điểm RSSI tối đa trên mỗi quỹ đạo. Ngoài ra, tác
giả đã đưa ra sơ đồ cải thiện phương thức định vị để thực hiện theo một loạt các trường
hợp như quỹ đạo duy nhất, khơng có sẵn giá trị RSSI tuyệt đối. Phương pháp này tác
giả sử dụng giải thuật biết công suất nguồn phát.
- “Giải thuật định vị vị trí trong khơng gian 3-D cho thẻ RFID dựa vào cường độ
tín hiệu (RSSI)” của nhóm tác giả: Vũ Đức Lung, Phan Đình Duy và Phạm Quốc Cường
- Trường Đại học Công nghệ Thơng tin, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [16].
Bài viết này giới thiệu kỹ thuật định vị 3D sử dụng cường độ sóng RSSI để định
vị các quyển sách trên kệ trong thư viện. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ.
Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 33 (2014): 83-91. Giải thuật
này dùng trong môi trường cố định, biết trước công suất nguồn phát.
- Lanxin Lin, H. C. So, Y. T. Chan, “Accurate and Simple Source Localization
Using Differential Received Signal Strength” [2]
Giải thuật vi phân cơng suất tín hiệu nhận (DRSS) được phát triển bởi các tác
giải từ các trường đại học của Hong Kong và Canada. Giải thuật này dùng để xác định
vị trí nguồn phát sóng khi khơng biết công suất phát dựa trên kỹ thuật Weighted Least
Squares (WLS). Bước đầu tiên của giải thuật là tính được một ước lượng khơng chênh
lệch của các dãy bình phương và giới thiệu một biến phụ. Bước thức hai khai thác mối

quan hệ giữa biến phụ và vị trí nguồn thơng qua bước WLS thứ hai. Trong quá trình
hoạt động, giải thuật cần có ít nhất 4 trạm đóng vai trị các trạm tham khảo và yêu cầu
các thông tin như tọa độ các trạm tham khảo, hệ số truyền sóng của môi trường và các
giá trị RSSI thu được từ các trạm mục tiêu

Nhìn chung, các cơng trình nghiên cứu xác định vị trí dựa vào cường độ sóng
điện từ RSSI được công bố và áp dụng được hiện nay chủ yếu phát triển trên giải thuật
biết công suất phát để kiểm tra đối tượng. Vài năm gần đây, trên thế giới có một số bài


Trang 10

báo nghiên cứu và phát triển thuật toán xác định vị trí nguồn phát bằng kỹ thuật DRSSI,
khơng biết công suất nguồn phát, tuy nhiên chỉ dừng lại ở cơng trình nghiên cứu trên cơ
sở tốn học, chưa có cơng trình nghiên cứu thực nghiệm. Riêng tại Việt Nam, các cơng
trình nghiên cứu về giải thuật xác định vị trí nguồn phát trong điều kiện biết cơng suất
nguồn phát cũng ít và việc nghiên cứu về giải thuật xác định vị trí nguồn phát trong điều
kiện khơng biết cơng suất nguồn phát có rất ít các cơng trình đã nghiên cứu.
1.3 Mục tiêu đề tài
Kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF sử dụng thơng số RSSI hiện nay có độ chính
xác tương đối vì thơng số RSSI thu được không ổn định do ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố.
Do đó việc nghiên cứu các giải pháp để cải thiện độ chính xác cho thơng số RSSI sẽ
giúp tăng độ chính xác trong kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF bằng phương pháp
RSSI. Đặc biệt trong trường hợp khơng biết cơng suất nguồn phát thì lại càng hữu ích
vì địi hỏi độ chính xác cao của thơng số RSSI, từ đó làm tăng độ chính xác của phương
pháp định vị DRSSI.
Luận văn có 2 nhiệm vụ chính sẽ thực hiện:
+ Khảo sát, xây dựng giải thuật cho kỹ thuật định vị nguồn phát sóng RF trong
trường hợp khơng biết trước công suất nguồn phát (DRSSI: Differential Received Signal
Strength).

+ Nghiên cứu giải pháp cải thiện độ chính xác của giải thuật DRSSI.
1.4 Phạm vi thực hiện
Trong đề tài này, hệ thống sẽ được xây dựng ở mức mơ hình, có khả năng phát
hiện vị trí của nguồn phát sóng vô tuyến trong phạm vi giới hạn khi không biết công
suất phát. Cụ thể, các kết quả sẽ được khảo sát và tính tốn ở sân bóng đá Trường Đại
học Cần Thơ, sân bóng đá Quân khu 9 (Tp. Cần Thơ) và hệ thống sẽ chỉ khảo sát trên
một tần số duy nhất 169MHz.


Trang 11

CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các phương pháp định vị nguồn phát sóng RF
Đối tượng cần xác định vị trí là thiết bị phát sóng vơ tuyến mà chúng ta cần biết
vị trí trên phạm vi xác định. Bằng kỹ thuật tính tốn, chúng ta cần tính tốn vị trí của
đối tượng dựa vào cường độ tín hiệu RSSI, so với các vị trí tham chiếu để có thể định vị
vào trong khu vực thiết.
Có nhiều phương pháp xác định vị trí của đởi tượng phát sóng vơ tuyến, phần này
tác giả sẽ giới thiệu các phương pháp phổ biến thường được sử dụng (AOA, TOA,
TDOA, RSSI).
2.1.1 Kỹ thuật AOA [1]
AOA (Angle of Arrival) là kĩ thuật xác định vị trí của thiết bị thu dựa vào hướng
tới của tín hiệu được truyền từ các thiết bị phát (điểm tham khảo). Nói cách khác, kỹ
thuật AOA dựa vào sự khác biệt về thời gian truyền nhận hoặc pha của tín hiệu giữa các
phân tử riêng biệt của ăng ten mảng. Kỹ thuật AOA không yêu cầu sự đồng bộ về thời
gian nhưng cần phải có một mảng ăng ten có tính định hướng cao để xách định chính
xác góc tới của tín hiệu, điều này làm phần cứng của hệ thống trở nên phức tạp và tốn
nhiêu chi phí.

2.1.2 Kỹ thuật TOA, TDOA [1]
TOA (Time of Arrival) là kỹ thuật xác định thời gian truyền tín hiệu giữa máy
phát và máy thu trong khi TDOA (Time Difference of Arrival) xác định sự khác nhau
trong thời gian truyền giữa hai trạm qua những lần đo khác nhau. Với tốc độ truyền sóng
trong mơi trường biết trước, khoảng cách giữa máy phát và máy thu được tính tốn khá
dễ dàng. Hai kỹ thuật này có ưu điểm là cho độ chính xác rất cao nên được sử dụng
trong hệ thống định vị toàn cầu GPS và các ứng dụng về quân sự khác. Để sử dụng hai
kỹ thuật này cần phải có sự đồng bộ về thời gian giữa hai bên thu phát, điều này rất quan
trọng và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của q trình tính tốn. Đây là khuyết điểm


Trang 12

khá lớn, nó địi hỏi về phần cứng rất phức tạp, kéo theo sự tốn kém trong quá trình triển
khai hệ thống.
2.1.3 Kỹ thuật RSSI
RSSI (Received Signal Strength Indicator) là một đại lượng đặt trưng cho cơng
suất tín hiệu nhận được tại máy thu, đơn vị thường là dBm. Giá trị RSSI tỉ lệ với khoảng
cách do đó sử dụng giá trị RSSI có thể tính được khoảng cách giữa máy phát và máy thu
và với ít nhất ba giá trị RSSI đo được, vị trí của máy phát sẽ được xác định. Kỹ thuật
này khắc phục được tất cả các yếu điểm của các kỹ thuật vừa nêu như hầu hết các thiết
bị thu phát hiện nay đều hỗ trợ đọc giá trị RSSI, giá thành thấp và sự đơn giản trong
phần cứng hệ thống. Nhược điểm lớn nhất của kỹ thuật này là sự biến động của các giá
trị RSSI. Sự ảnh hưởng của môi trường truyền sóng đặc biệt là các mơi trường phức tạp
làm cho tín hiệu truyền đi bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ vv… và đến máy thu với nhiều
đường khác nhau tại những thời điểm khác nhau (hiện tượng Fading). Điều này làm cho
công suất nhận được tại máy thu tăng hoặc giảm bất định, không phản ánh đúng khoảng
cách giữa máy phát và máy thu. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục bằng
những giải thuật lọc RSSI phù hợp nhằm giữ độ chính xác của hệ thống nằm trong giới
hạn cho phép.

2.2 Mối quan hệ giữa công suất tín hiệu nhận được và khoảng cách1
RSSI thể hiện cường độ tín hiệu nhận được, đây là tham số quan trọng và có quan
hệ với gói tin nhận được. Nếu giá trị RSSI càng lớn thì tín hiệu thu được có tỉ lệ lỗi
(BER) càng thấp. Dưới ngưỡng Pth thiết bị sẽ không thu được. RSSI tỉ lệ nghịch với
khoảng cách theo hàm logarit, vì thế giá trị RSSI có dạng hàm mũ giảm theo cơng thức:

𝐑𝐒𝐒𝐈𝐝 = 𝐑𝐒𝐒𝐈𝐝𝟎 − 𝟏𝟎𝐧𝐥𝐨𝐠 𝟏𝟎 (𝐝)

(2.1)

Trong đó :
o RSSId : Giá trị RSSI nhận được tại khoảng cách d, đơn vị dBm.
o RSSId0 : Giá trị RSSI tham khảo tại vị trí tham chiếu d0, đơn vị dBm.
1

Jiuqiang Xu, “Distance Measurement Model Based on RSSI in WSN”(2010).


Trang 13

o n : Hệ số tổn hao của môi trường.
o d : Khoảng cách, đơn vị m.

Hình 2.1: Mơ hình truyền sóng trong khơng gian
Từ mơ hình trên, ta thấy giá trị RSSI không những phụ thuộc vào khoảng cách,
mà nó cịn phụ thuộc vào các yếu tố mơi trường. Các vật cản trên đường truyền sóng
như tịa nhà, phương tiện giao thơng, cây cối, v.v… làm cho tín hiệu nhận được tại trạm
thu khơng được ởn định. Vì thế, giá trị RSSI sau khi nhận được cần phải đưa qua mạch
lọc nhằm hạn chế sai số khi tính toán.

Kỹ thuật định vị dựa vào giá trị RSSI tuy kết quả cho độ chính xác khơng cao,
nhưng đây là một kỹ thuật khơng q phức tạp, chi phí thực hiện khơng cao, phù hợp
cho mục đích nghiên cứu và xây dựng một ứng dụng xác định vị trí sóng vơ tuyến cơ
bản. RSSI là tham số chính cho việc xác định vị trí sử dụng trong đề tài này.

2.3 Quan hệ giữa cường độ tín hiệu và khoảng cách
Cơng thức thể hiện mối quan hệ giữa RSSI và công suất truyền [10]:
𝑑

𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( ) + 𝑋𝜎
𝑑0

Trong đó:
 PT: Cơng suất phát, đơn vị dBm.
 PL(d0): Chuẩn tổn hao tại d0, đơn vị dBm.

(2.2)


Trang 14

 n: Hệ số tổn hao của môi trường.
 X: Biến Gaussian ngẫu nhiên.
Khi d = d0 ta có:
𝑑

𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( ) + 𝑋𝜎

(2.3)

 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0 = 𝑃𝑇 − 𝑃𝐿(𝑑0 ) + 𝑋𝜎

(2.4)

𝑑0

Thay (10b) vào (9) :
𝑑

𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑 = 𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0 − 10𝑛𝑙𝑜𝑔10 ( )
𝑑0

(2.5)

Chuyển vế và lấy logarit hai vế :
𝑑
𝑑0

= 10(𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0−𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑)/10𝑛

(2.6)

Cuối cùng ta được công thức thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách và cường
độ RSSI :
𝑑 = 𝑑0 10(𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑0−𝑅𝑆𝑆𝐼𝑑)/10𝑛

(2.7)

2.4 Phương pháp khảo sát giá trị RSSI và kỹ thuật định vị dùng RSSI
Kỹ thuật định vị dựa vào giá trị RSSI tuy kết quả cho độ chính xác khơng cao,

nhưng đây là một kỹ thuật khơng q phức tạp, chi phí thực hiện khơng cao, phù hợp
cho mục đích nghiên cứu và xây dựng một ứng dụng xác định vị trí sóng vô tuyến cơ
bản.
Giá trị RSSI tỉ lệ nghịch với với khoảng cách, RSSI càng suy giảm khi khoảng
cách truyền nhận càng xa giá trị này giảm đều, ổn định trong phạm vi nhỏ hơn 40m. Ở
khoảng cách xa hơn, giá trị ghi nhận được thiếu ổn định do ảnh hưởng bởi nhiễu. Ngoài
ra, giá trị này cũng phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh.


Trang 15

Phương pháp RSSI có thể được sử dụng trong các hệ thống mà không cần phải
cài đặt phần cứng mới, phần cứng khơng q phức tạp nên chi phí thấp, khơng cần đồng
bộ hóa thời gian giữa các nút trong hệ thống.
Phương pháp này cần ít nhất ba nút tham khảo để xác định vị trí của một mục
tiêu. Tín hiệu dễ bị nhiễu do đa đường, phạn xạ… nên độ chính xác thấp.
2.4.1 Cách đọc giá trị RSSI từ module CC1120
Giá trị RSSI cho biết mức cường độ của tín hiệu nhận được tại anten của module
thu. Đây là tham số quan trọng và có quan hệ với chất lượng gói tin nhận được. Nếu giá
trị RSSI càng lớn thì tín hiệu thu được có tỉ lệ lỗi bit (BER) càng thấp. Thiết bị sẽ không
thu được nếu mức RSSI dưới ngưỡng.
CC1120 hỗ trợ đọc giá trị RSSI từ thanh ghi RSSI status registers
(RSSI1.RSSI_11_4 và RSSI0.RSSI_3_0). CC1120 hỗ trợ đọc RSSI với 2 mức phân
giải: 1dBm với cách đọc 8bit hoặc 0.0625dBm với cách đọc 12bit. Độ phân giải 1dBm
là phù hợp với hầu hết các ứng dụng.
Theo tài liệu kĩ thuật “DN510-CC112X RSSI and CS Response Time” của TI, để
nhận đúng mức cường độ tín hiệu thực tế thu được, giá trị RSSI đọc từ thanh ghi trong
CC1120 sẽ được trừ đi 1 lượng RSSI_Offset. Giá trị RSSI_Offset áp dụng cho CC1120
hoạt động ở tần số 169MHz là 102dBm.
2.4.2 Mơ hình xác định vị trí nguồn phát sóng vơ tuyến

Đầu tiên cần xây dựng một mơ hình truyền nhận tín hiệu RF khơng dây bao gồm
4 trạm giám sát đặt cố định ở các vị trí đặt là A, B, C và D. Trạm mục tiêu di động di
chuyển trong phạm vi giới hạn bởi 4 trạm giám sát. Một trạm trung gian sử dụng cho
việc thu dữ liệu từ các trạm giám sát. Một trạm gốc nhận dữ liệu từ trạm giám sát thông
qua trạm trung gian.
- Trạm mục tiêu phát chuỗi tín hiệu liên tục cho các trạm giám sát.


Trang 16

- Mỗi trạm giám sát có nhiệm vụ thu tín hiệu từ trạm mục tiêu và đọc giá trị RSSI
từ thanh ghi. Các trạm được thiết lập giao tiếp được với nhau. Các giá trị RSSI từ các
trạm giám sát được chuyển tiếp về 1 trạm trung gian duy nhất trước khi gởi về trạm gốc.
- Trạm gốc có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu chứa tham số RSSI của các trạm giám
sát, giao tiếp và truyền dữ liệu lên máy tính ở đây dữ liệu sẽ được sử dụng để tính tốn
cho ra tọa độ của điểm mục tiêu. Kết quả vị trí sẽ được hiển thị trên máy tính.
2.4.3 Thuật tốn xác định vị trí dựa vào khoảng cách
Hầu hết các thuật tốn xác định vị trí đều yêu cầu thông tin về khoảng cách giữa
mục tiêu cần xác định và điểm tham khảo. Để xác định vị trí của mục tiêu, ta cần biết
khoảng cách từ điểm mục tiêu đến ít nhất 3 điểm tham khảo. Ba giải thuật xác định vị
trí dựa vào khoảng cách phổ biến là Trilateration, MinMax hoặc ROCRSSI…
a. Giải thuật Trilateration [11]
Giải thuật Trilateration sử dụng 3 khoảng cách từ mục tiêu X đến 3 điểm tham
khảo A, B, C. Vị trí của điểm mục tiêu được xác định là tâm của vùng giao nhau (vùng
IR) tạo bởi 3 đường tròn tâm là các điểm tham khảo, bán kính là khoảng cách từ điểm
tham khảo đến mục tiêu.

Hình 2.2: Phương pháp định vị Trilateration

Trang 17

b. Giải thuật Minmax [12]
Khác với Trilateration, vị trí của điểm mục tiêu trong giải thuật Minmax được
xác định là tâm của vùng IR hình chữ nhật tạo bởi các hình vng có tâm là các điểm
tham khảo, cạnh hình vng bằng 2 lần khoảng cách từ tâm đến điểm mục tiêu.

Hình 2.3: Phương pháp định vị Minmax
c.

Giải thuật ROCRSSI [13]

Giải thuật ROCRSSI là xác định vị trí của các nút cảm biến dựa vào phần diện
tích chồng chéo của các đường trịn có tâm tại vị trí trạm thu để thu hẹp phạm vi xác
định vị trí.

Hình 2.4: Phương pháp định vị ROCRSSI


Trang 18

CHƯƠNG 3:
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1 Giới thiệu module CC1120
Chip CC1120 được hãng Texas Intrument phát triển và hoàn thiện vào năm 2014,
nên vẫn chưa phổ biến, cũng như chưa được sử dụng nhiều trên trong học tập, nghiên
cứu và ứng dụng thực tế.

Hình 3.1: Sơ đồ chân chip CC1120 [9]

Module CC1120 bao gồm một chip đơn CC1120 được thiết kế dùng để phát thu
tính hiệu với hiệu suất cao nên tiêu tốn rất ít năng lượng và hoạt động ở điện áp thấp


Trang 19

chính vì vậy sẽ tiêu thụ năng lượng thấp, ít tốn chi phí nhưng hiệu quả cao với giá thành
hợp lý.
Thiết bị này được thiết kế chính cho băng tần ISM và SRD ở khoảng tần số 164–
192 MHz, 274–320 MHz, 410–480 MHz, và 820–960 MHz. Vì độ tích hợp ao nên
CC1120 thường chỉ sử dụng với vi điều khiển, rất ít khi phải sử dụng thêm các thành
phần phụ bên ngồi.

Hình 3.2: Kit CC1120 Evaluation Module 169MHz
Các thơng số kỹ thuật của Module CC1120 [9]:
-

Nguồn cung cấp: Dãy điện thế cung cấp rộng: 2.0 V đến 3.6 V.

-

Tiêu thụ dòng thấp:
o RX: 2 mA ở chế độ RX Sniff Mode.
o RX: 17 mA (đỉnh dòng) ở chế độ Low-Power Mode.
o RX: 22 mA (đỉnh dòng) ở chế độ High-Performance Mode.
o TX: 45 mA tại +14 dBm.

-

Độ nhạy:

o –123 dBm tại 1.2 kbps.
o –110 dBm tại 50 kbps.

-

Nhiễu pha thấp: –111 dBc/Hz at 10-kHz Offset.

-

Tốc độ dữ liệu: 0 to 200 kbps.

-

Các kiểu điều chế: 2-FSK, 2-GFSK, 4-FSK, 4-GFSK, MSK, OOK.