Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khi

B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TR NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I BÙI TH DUYÊN NGHIÊN C U PHÁT TRI N H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG LU N ÁN TI N Sƾ K THU T ĐI U KHI N VÀ T Đ NG HÓA Hà N i ậ 2020 B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TR NG Đ I H C BÁCH KHOA HÀ N I BÙI TH DUYÊN NGHIÊN C U PHÁT TRI N H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG Ngành: K thu t đi u khi n và t đ ng hóa Mã s : 9520216 LU N ÁN TIẾN SĨ K THU T ĐI U KHI N VÀ T Đ NG HÓA CÁN B HƯ NG DẪN KHOA HỌC: PGS. NGUY N QU C CƯỜNG Hà N i ậ 2020 L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết qu khoa học đ ợc trình bày trong luận án này là thành qu nghiên c u c a b n thân tôi trong suốt th i gian là nghiên c u sinh. Các kết qu trình bày trong luận án là trung thực và ch a từng đ ợc các tác gi khác công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án là trung thực, đ ợc chỉ rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 28 tháng 01 năm 2020 Ng i h ớng dẫn khoa học Tác gi luận án PGS. Nguy n Qu c C ng Bùi Th Duyên i L IC M N Đầu tiên, tôi xin gửi l i c m ơn sâu sắc nh t đến PGS. Nguyễn Quốc C ng, TS. Lê Minh Thùy đư dành nhiều th i gian, tâm huyết để trực tiếp h ớng dẫn, định h ớng, tạo động lực nghiên c u và hỗ trợ nghiên c u sinh về mọi mặt để hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành c m ơn ban lưnh đạo và các đồng nghiệp thuộc Khoa Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Tr ng Đại học Điện lực đư tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên c u. Xin trân trọng c m ơn Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp, Viện Điện, Phòng Đào tạo, thuộc tr ng Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ về mặt chuyên môn và hỗ trợ các th tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Xin trân trọng c m ơn Bộ môn Thông tin vô tuyến, khoa Điện tử Viễn thông, tr ng Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội và TS. Phan Hồng Ph ơng, 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 l i c m ơn chân thành đến các thành viên nhóm nghiên c u thuộc phòng Lab – RF3I, Viện Điện, các bạn bè và đồng nghiệp đư quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong th i gian vừa qua. Cuối cùng, tôi xin gửi những tình c m yêu quý nh t đến các thành viên trong gia đình, những ng i luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. ii M CL C L I CAM ĐOAN. iii DANH M C CÁC CH VI T T T.

vi DANH M C CÁC KÝ HI U TOÁN H C. viii DANH M C CÁC HÌNH VẼ. ix DANH M C CÁC B NG BI U. Tính c p thi t c a đ tài.

Nh ng v n đ còn t n t i vƠ h ng nghiên cứu c a lu n án. M c tiêu, đ i t ng và ph m vi nghiên cứu. ụ nghĩa khoa h c c a đ tài. Nh ng đóng góp chính c a lu n án.

C u trúc nội dung c a lu n án. 9 T NG QUAN V H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG. T ng quan v các h th ng đ nh v vô tuy n 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. 17 C u hình tự định vị. 17 C u hình định vị từ xa. S đ kh i chức năng c a h th ng đ nh v.

19 Khối đo tham số vị trí. 19 Thuật toán xác định vị trí đối t ợng. 20 Hiển thị vị trí. Các kỹ thu t đ nh v.

21 Tham số vị trí. 22 Ph ơng pháp định vị. Anten vƠ anten đi u khi n búp sóng trong h th ng đ nh v vô tuy n. 39 iii Anten và anten m ng.

39 Anten điều khiển búp sóng trong hệ thống định vị vô tuyến. K t lu n ch ng 1. 46 H TH NG Đ NH V VÔ TUY N BA TR M TRONG NHÀ. Gi i thi u ch ng.

Gi i pháp anten đi u khi n búp sóng m ng pha d i qu t hẹp. 48 Gi i pháp thiết kế anten phần tử l ỡng cực mạch d i. 48 Thiết kế bộ dịch pha vi d i sử dụng ma trận Butler. 56 Kết qu anten điều khiển búp sóng m ng pha d i quạt hẹp.

Thực nghi m h th ng đ nh v ba tr m s d ng anten đi u khi n búp sóng d i qu t hẹp. 70 C u hình và hoạt động c a hệ thống. 70 Thử nghiệm các ph ơng pháp định vị. 73 Kết luận và đánh giá hệ thống.

K t lu n ch ng 2. 81 H TH NG Đ NH V VÔ TUY N TRONG NHÀ Đ N TR M S D NG ANTEN ĐI U KHI N BÚP SÓNG. Gi i thi u ch ng. 83 Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS m ng pha.

83 Hệ định vị đơn trạm sử dụng AĐKBS chuyển búp. Gi i pháp thi t k anten đi u khi n búp sóng m ng pha d i qu t rộng 85 3. Gi i pháp thi t k anten đi u khi n búp sóng chuy n 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.

Thực nghi m h th ng đ nh v đ n tr m tích h p anten đi u khi n búp sóng m ng pha d i qu t rộng. 97 C u hình và hoạt động c a hệ thống. 97 Thử nghiệm các ph ơng pháp định vị. 98 Kết luận và đánh giá hệ thống.

Thực nghi m h th ng đ n tr m tích h p anten đi u khi n búp sóng chuy n búp phân cực tròn. 105 C u hình hệ thống. 105 Ph ơng pháp định vị d u vân tay. 109 Kết luận và đánh giá hệ thống.

K t lu n ch ng 3. 118 K T LU N CHUNG C A LU N ÁN. 120 DANH M C CÁC CỌNG TRỊNH ĐÃ CỌNG B C A LU N ÁN. 122 TÀI LI U THAM KH O.

123 v DANH M C CÁC CH VI T T T Ký hi u Ti ng Anh Ti ng Vi t vi t t t ANN Artificial Neural Networks Mạng trí tuệ nhân tạo AoA Angle of Arrival Góc tới AP Access Point Điểm truy cập BGI Bilateral Greed Iteration Lặp tham lam BW Bandwidth Độ rộng băng thông CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DoA Direction of Arrival H ớng góc tới Estimation of Signal Parameters via ớc l ợng tham số tín hiệu dựa ESPRIT Rotational Invariance Technique vào kỹ thuật b t biến quay FNBW First Null Power Beamwidth Độ rộng không đầu tiên HPBW Half Power Beamwidth Độ rộng búp sóng nửa công su t IPS Indoor Positioning System Hệ thống định vị trong nhà ISM Industrial, Scientific and Medical Công nghiệp, khoa học và y tế KNN K-Nearest Neighbors K hàng xóm gần nh t LoS Line-of-Sight Truyền thẳng LS Least Squares Bình ph ơng tối thiểu MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi tr ng ML Maximum Likelihood Hợp lý nh t Tổng bình ph ơng kho ng cách MSoS Minimizes the Sum of Square nhỏ nh t MUSIC Multiple Signal Classification Phân loại tín hiệu đa đ ng Minimum Variance Distortionless Đáp ng không méo ph ơng sai MVDR Response cực tiểu NICs Network Interface Cards Bo mạch giao diện mạng PoA Phase Of Arrival Pha tới QPD Quadrature Power Divider Bộ chia đôi nguồn vuông pha RB Router Board Bộ định tuyến RF Radio Frequency Sóng vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Định danh bằng sóng điện từ RP Remote-Positioning Định vị từ xa RSS Received Signal Strength C ng độ tín hiệu thu RSSI Received Signal Strength Indicator Chỉ số c ng độ tín hiệu thu vi Space and Frequency Division Đa truy cập theo không gian và tần SFDMA multiple access số SR Sequential Rotated Quay tuần tự SSID Service Set Identifier Mư định danh dịch vụ SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị riêng TDoA Time Difference of Arrival Độ lệch th i gian tới ToA Time of Arival Th i gian tới UWB Ultra-WideBand Băng thông siêu rộng VSWR Voltage Standing Wave Ratio Tỷ số điện áp sóng đ ng Wi-Fi Wireless Fidelity Truy cập mạng không dây WKNN Weighted K-nearest neighbor K hàng xóm gần nh t có trọng số AĐKBS Anten điều khiển búp sóng CSDL Cơ s dữ liệu ĐT Đối t ợng ĐVTX Định vị từ xa ĐVTXGT Định vị từ xa gián tiếp LC-ĐaH L ỡng cực mạch d i đa h ớng LC-DâX L ỡng cực mạch d i dẫn xạ LC-ĐiH L ỡng cực mạch d i định h ớng TĐV Tự định vị TĐVGT Tự định vị gián tiếp vii DANH M C CÁC KÝ HI U TOÁN H C TT Ký hi u Mô t 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 ph ơng vị 6  Hệ số tổn hao 7 φ Góc lệch pha 8  B ớc sóng trong không gian tự do 9 g B ớc sóng trong môi tr ng 10  Hệ số sóng trong môi tr ng ( = 2π/g) 11 φ Pha ban đầu 12  Góc lệch pha giữa các phần tử xét trên mặt phẳng sóng 13 Z0 Tr kháng đặc tr ng c a đ ng truyền 14  Tham số ớc l ợng 15 (.)T Ma trận chuyển vị 16 (.)-1 Ma trận nghịch đ o 17  Tổng 18 Γ Hệ số ph n xạ viii DANH M C CÁC HÌNH VẼ Hình 1.