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

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


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

PoA
QPD
RB
RF
RFID
RP
RSS
RSSI

Tiếng Anh

Tiếng Việt

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

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

vi


SR
SSID
SVD
TDoA
ToA
UWB
VSWR
Wi-Fi

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

TĐVGT

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

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
TT

Ký hiệu

Mô tả

1

k

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


7

φ

Góc lệch pha

8



Bước sóng trong không gian tự do

9

g

Bước sóng trong môi trường

10



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

11

φ

Pha ban đầu


17

Γ

Hệ số phản xạ

viii


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

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



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

xi


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

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


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

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

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

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

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

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


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

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


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

giá hiệu quả của anten đề xuất.

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

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

-

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

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

7


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

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


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

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

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

10


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