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


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

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



MVDR
NICs
PoA
QPD
RB
RF
RFID
RP
RSS
RSSI

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Artificial Neural Networks
Angle of Arrival
Access Point
Bilateral Greed Iteration
Bandwidth
Channel State Information
Direction of Arrival
Estimation of Signal Parameters via
Rotational Invariance Technique
First Null Power Beamwidth
Half Power Beamwidth
Indoor Positioning System
Industrial, Scientific and Medical
K-Nearest Neighbors
Line-of-Sight

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


SFDMA
SR
SSID
SVD
TDoA
ToA
UWB
VSWR
Wi-Fi

Thời gian tới
Băng thông siêu rộng
Tỷ số điện áp sóng đứng
Truy cập mạng không dây
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

1

k

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


λ
λg

10

β

Hệ số sóng trong môi trường (β = 2π/λg)

11
12
13

φ
Z0

Pha ban đầu
Trở kháng đặc trưng của đường truyền
Tham số ước lượng

14

(.)

15
16

(.)
Σ


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

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

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


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

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

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

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


-

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,

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


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
2

RFID [26]. Hệ thống triển khai trong không gian phòng 36 m 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