ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----

NGUYỄN NGỌC THẮNG

KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TDOA VÀ TOA
CẢI THIỆN ĐỘ CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ
THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG
WIRELESS
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ NGÀNH : 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : GVC-TS HỒNG ĐÌNH CHIẾN

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 20 tháng 07 năm 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
Y”Z
Tp. HCM, ngày 05 tháng 07 năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên

: Nguyễn Ngọc Thắng

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh

: 27/11/1979

Nơi sinh : Tp.Huế

Chuyên ngành

: Kỹ thuật Điện tử

MSHV

: 01405324


Khoá (Năm trúng tuyển) : K2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: KẾT HỢP PHƯƠNG PHÁP TDOA VÀ TOA CẢI THIỆN ĐỘ
CHÍNH XÁC ĐỊNH VỊ THUÊ BAO TRONG HỆ THỐNG WIRELESS
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
- Nghiên cứu hai phương pháp định vị trong Wireless: TDOA và TOA; và phương
pháp kết hợp để cải thiện độ chính xác trong định vị thuê bao di động . . . . . . . . . . . . .
- Thực hiện mô phỏng bằng Matlab và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.....................................................................
.....................................................................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 05/02/2007

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

: 05/07/2007

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GVC-TS HOÀNG ĐÌNH CHIẾN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chun Ngành thơng qua.
PHỊNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH



LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận văn này bên cạnh những nỗ lực của bản thân cịn có sự
giúp đỡ rất lớn của nhiều người, đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy TS.
Hồng Đình Chiến đã hết lịng chỉ dẫn, định hướng cho em trong suốt quá trình thực
hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cơ ở Khoa Điện - Điện tử cùng tồn
thể Thầy Cô của Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã truyền đạt những
kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu trong học tập, nghiên cứu từ những
năm đại học và sau đại học.
Xin cảm ơn Phòng Quản lý Đào tạo Sau đại học đã giúp em hồn thành khóa
học này.
Con xin kính trọng gởi lịng biết ơn đến Ba Mẹ đã yêu thương, lo lắng và tạo
mọi điều kiện tốt nhất cho con được học tập.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp, các bạn trên diễn đàn Điện tử - Viễn
thông của trang web ttvnol.com đã giúp đỡ, động viên trong quá trình học tập cũng
như trong cuộc sống.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2007
Nguyễn Ngọc Thắng


ABSTRACT
The problem of position determination of a mobile user in a wireless network
has been studied in recent years, particularly in the context of military operations
and emergency service in cellular networks. There are a number of different radio
frequency based techniques that can be used for wireless position location (PL).
However, each method has limitations that prevent its adoption as a universal
solution. The Time-Difference-of-Arrival (TDOA) and the Time-of-Arrival (TOA)
methods are the technology that can provide accurate PL information without
necessitating excessive hardware or software changes to existing cellular
infrastructure. The TOA method works well when the mobile station (MS) is

located close to the controlling base station. The TDOA method performs better
when the MS is located at a significant distance from the controlling base station.
However, under the Non-Line-of-Sight (NLOS) environmental condition, the
performance of the TDOA method degenerates significantly.
This thesis investigates a data fusion model for enhanced accuracy of
position estimates within wireless networks, that are able to merge independent
estimates obtained from TDOA and TOA measurements.


TÓM TẮT
Vấn đề định vị thuê bao di động trong hệ thống wireless đã được nghiên cứu
trong những năm gần đây, đặc biệt là trong các hoạt động quân sự và các dịch vụ
khẩn cấp. Có rất nhiều phương pháp khác nhau dựa trên tín hiệu ở tần số vơ tuyến
có thể được sử dụng trong hệ thống định vị wireless. Tuy nhiên, mỗi phương pháp
có những hạn chế nhất định để có thể chấp nhận nó như là một giải pháp chung cho
vấn đề định vị. Phương pháp độ sai khác thời gian đến (TDOA) và phương pháp
thời gian đến (TOA) là hai kỹ thuật cho các thông tin định vị một cách chính xác mà
khơng địi hỏi những thay đổi quá lớn về phần cứng hay phần mềm đối với cơ sở hạ
tầng mạng di động cellular hiện tại. Phương pháp TOA làm việc tốt khi thuê bao di
động ở gần trạm gốc điều khiển. Còn phương pháp TDOA thì thực hiện tốt hơn khi
thuê bao ở xa với một khoảng cách đáng kể so với trạm gốc điều khiển. Tuy nhiên
dưới điều kiện mơi trường khơng có tầm nhìn thẳng (NLOS) thì phương pháp
TDOA bị suy biến một cách đáng kể.
Luận văn này tập trung nghiên cứu các phương pháp định vị TDOA, TOA và
một mơ hình kết hợp dữ liệu nhằm cải thiện độ chính xác ước lượng vị trí thuê bao
di động trong hệ thống mạng cellular, mà trong đó ta có thể kết hợp các vị trí ước
lượng độc lập đạt được từ những phép đo TDOA và TOA.


MỤC LỤC

Chương I. GIỚI THIỆU ...........................................................................................1
1.1 Sự cần thiết của định vị trong hệ thống Wireless .................................................1
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ..........................................................................2
1.2.1 Các phương pháp định vị phải thay đổi máy đầu cuối ....................................3
1.2.2 Các phương pháp không phải thay đổi máy đầu cuối .....................................4
1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................8
1.3.1 Mục tiêu của đề tài ...........................................................................................8
1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................8
1.4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu ..................................................................9
1.4.1 Nội dung nghiên cứu........................................................................................9
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................9
Chương II. NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI THUẬT CỦA QUÁ TRÌNH ĐỊNH VỊ ...10
2.1 Kỹ thuật TOA .....................................................................................................10
2.1.1 Hiệu chỉnh phép đo trong điều kiện NLOS ...................................................13
2.1.2 Phương pháp chuỗi Taylor trong hệ thống định vị TOA...............................14
2.2 Kỹ thuật TDOA...................................................................................................16
2.2.1 Mơ hình tốn của các phương trình Hyperbol TDOA ...................................20
2.2.2 Phương pháp chuỗi Taylor giải phương trình TDOA....................................22
2.2.3 Mơ hình tốn học giải phương trình TDOA dùng phương pháp của Chan ...23
2.2.4 Mơ hình tốn học giải phương trình TDOA dùng phương pháp của Fang....24
2.3 Các phép đo độ chính xác của ước lượng vị trí...................................................25
2.3.1 Xác suất sai số vịng trịn ...............................................................................25
2.3.2 GDOP - Geométric Dilution of Precision......................................................26


2.3.3 Sai số bình phương trung bình MSE..............................................................26
2.3.4 CRLB - Crámer-Rao Lower Bound ...............................................................27
Chương III. CÁC MƠ HÌNH KẾT HỢP DỮ LIỆU............................................28
3.1 Cơ sở mơ hình kết hợp dữ liệu............................................................................28
3.2 Mơ hình kết hợp dữ liệu trong ước lượng định vị...............................................28

3.2.1 Sự kết hợp mức 1 ...........................................................................................29
3.2.2 Sự kết hợp mức 2..…………………………………………………………...30
3.2.3 Sự kết hợp mức 4..…………………………………………………………...31

Chương IV. XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN .33
4.1 Mơ hình tín hiệu thu được tại các trạm gốc BS…….……………………...…..33
4.1.1 Mơ hình tín hiệu TOA thu được………………………………………...….33
4.1.2 Mơ hình tín hiệu TDOA thu được…………………..………………………35
4.2 Mơ hình suy hao đường truyền…………………………..………………….....37
4.3 Kênh truyền cộng nhiễu trắng có phân phối Gauss AWGN………………...…39
Chương V. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ
MÔ PHỎNG ............................................................................................................41
5.1 Mơ hình mơ phỏng ..............................................................................................41
5.2 Đánh giá bộ mô phỏng TOA...............................................................................47
5.2.1 Ước lượng quỹ đạo mobile ............................................................................47
5.2.2 Thực hiện bộ ước lượng để định vị MS ........................................................54
5.3 Đánh giá bộ mô phỏng TDOA ............................................................................55
5.3.1 Ước lượng quỹ đạo mobile ............................................................................58
5.3.2 Thực hiện bộ ước lượng để định vị MS .........................................................63


5.4 Thực hiện mơ hình kết hợp dữ liệu trong việc định vị vị trí ...............................70
5.5 Mơ hình dữ liệu TDOA và mở rộng giải thuật Wylie-Holtzman cho các khoảng
cách TDOA ...............................................................................................................78
5.5.1 Mơ hình dữ liệu đối với các phép đo khoảng cách TDOA ............................78
5.5.2 Sửa sai trong phép đo TDOA bị lệch bởi sai số NLOS .................................80
5.5.3 Thực hiện mơ hình kết hợp dữ liệu trong trường hợp các phép đo TDOA
được sửa sai...............................................................................................................85
Chương VI. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ...............99
6.1 Tóm tắt các kết quả đạt được trong luận văn .....................................................99

6.2 Hướng phát triển đề tài......................................................................................101
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................103


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Một số hàm tần số bộ lọc ΨG ( f ) ..............................................................20
Bảng 4.1 Giá trị hàm mũ suy hao n đối với các môi trường truyền khác nhau ........39
Bảng 5.1 Độ lệch chuẩn của các phép đo TOA(3BS) ..............................................51
Bảng 5.2 Độ lệch chuẩn của các phép đo TOA(4BS) ..............................................53
Bảng 5.3 Thực hiện bộ ước lượng TOA tại các vị trí MS khác nhau ......................55
Bảng 5.4 So sánh độ sai khác khoảng cách theo 2 phương pháp GCC và phương
pháp trừ TOA tại các SNR khác nhau ......................................................................56
Bảng 5.5 Độ lệch chuẩn của các phép đo TDOA(3BS) ...........................................60
Bảng 5.6 Độ lệch chuẩn của các phép đo TDOA(4BS) ...........................................62
Bảng 5.7 Thực hiện bộ ước lượng TDOA tại các vị trí MS khác nhau(Taylor).......64
Bảng 5.8 Thực hiện bộ ước lượng TDOA tại các vị trí MS khác nhau(Taylor, MS ở
rất gần trạm điều khiển BS#1 ...................................................................................65
Bảng 5.9 Thực hiện bộ ước lượng TDOA với giải thuật của CHAN ......................67
Bảng 5.10 Thực hiện bộ ước lượng TDOA với giải thuật của FANG......................68
Bảng 5.11 Thực hiện bộ ước lượng TDOA dùng GCC với SNR=10dB ..................69
Bảng 5.12 Thực hiện bộ ước lượng TDOA dùng GCC với SNR=5dB ....................70
Bảng 5.13 Kết quả của mơ hình kết hợp dữ liệu trong các trường hợp:
(a) MS ở rất gần trạm điều khiển S#1...........................................................72
(b) MS ở gần trạm điều khiển BS#1 ..............................................................72
(c) MS ở gần biên của cell ............................................................................73
(d) MS ở xa tất cả 4 BS .................................................................................73
Bảng 5.14 Kết quả của mơ hình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 900) ...............75
Bảng 5.15 Kết quả của mơ hình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (2000, 2000) ...........76
Bảng 5.16 Kết quả của mơ hình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (150, 150) ...............77
Bảng 5.17 Độ lệch chuẩn của các phép đo khoảng cách TDOA từ đường làm trơn 84

Bảng 5.18 Thực hiện bộ ước lượng TDOA tại các vị trí MS khác nhau ..................85
Bảng 5.19 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (1000, 1000) (Unbiased) ...........87


Bảng 5.20 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (2000, 2000) ..............................88
Bảng 5.21 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 2500).................................89
Bảng 5.22 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 900)...................................90
Bảng 5.23 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (150, 150)...................................91
Bảng 5.24 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (10, 10).......................................92
Bảng 5.25 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (1000, 1000) khi tất cả BS có
NLOS với MS ..........................................................................................................93
Bảng 5.26 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 2500) khi tất cả BS có
NLOS với MS ..........................................................................................................94
Bảng 5.27 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (2000, 2000) khi tất cả BS có
NLOS với MS ..........................................................................................................95
Bảng 5.28 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (150, 150) khi tất cả BS có NLOS
với MS ......................................................................................................................96
Bảng 5.29 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (2000, 2000) khi dùng phương
pháp GCC trong TDOA với SNR = 10dB ...............................................................97
Bảng 5.30 Quá trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 2500) khi dùng phương pháp
GCC trong GCC với SNR = 10dB ...........................................................................98
Bảng 5.31 Q trình kết hợp dữ liệu tại vị trí MS (600, 600) khi dùng phương pháp
GCC trong TDOA với SNR = 10dB ........................................................................98


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Giải pháp định vị theo hướng trong mặt phẳng 2-D ....................................5
Hình 1.2 Giải pháp định vị Hyperbol trong mặt phẳng 2-D ......................................6
Hình 1.3 Tóm tắt các kỹ thuật định vị trong hệ thống wireless .................................8
Hình 2.1 Định vị TOA từ ba trạm gốc BS ...............................................................11

Hình 2.2 Định vị theo phương pháp Hyperbol ........................................................16
Hình 2.3 Ước lượng trễ bằng phương pháp GCC ....................................................17
Hình 2.4 Vịng trịn xác suất sai số ...........................................................................25
Hình 3.1 Mơ hình kết hợp dữ liệu cho ước lượng vị trí ...........................................30
Hình 3.2 Kết luận Bayes ..........................................................................................31
Hình 4.1 Phân phối xác suất của sai số phép đo chuẩn ............................................34
Hình 4.2 Phân phối xác suất của sai số phép đo NLOS ...........................................34
Hình 4.3 Sơ đồ khối mơ phỏng TDOA ....................................................................37
Hình 5.1a Mơ hình 3 trạm gốc .................................................................................42
Hình 5.1b Mơ hình 4 trạm gốc ..................................................................................42
Hình 5.2 Mơ hình phát tín hiệu của MS ...................................................................43
Hình 5.3 Mơ hình thu tín hiệu trải phổ giả ngẫu nhiên trực tiếp .............................43
Hình 5.4 Ví dụ về trải phổ trong hệ thống CDMA ..................................................44
Hình 5.5a Quỹ đạo của MS đối với BS#1 (TOA, 3BS)............................................49
Hình 5.5b Quỹ đạo của MS đối với BS#2 (TOA, 3BS) ...........................................49
Hình 5.5c Quỹ đạo của MS đối với BS#3 (TOA, 3BS)............................................50
Hình 5.6a Quỹ đạo của MS đối với BS#1(TOA, 4 BS) ...........................................51
Hình 5.6b Quỹ đạo của MS đối với BS#2(TOA, 4 BS) ...........................................52
Hình 5.6c Quỹ đạo của MS đối với BS#3(TOA,4 BS) ............................................52
Hình 5.6d Quỹ đạo của MS đối với BS#4(TOA, 4 BS) ...........................................53
Hình 5.7 Đánh giá quỹ đạo MS khi được sửa sai và không sửa sai do NLOS .........54
Hình 5.8a Độ sai khác khoảng cách R21 theo thời gian ...........................................59
Hình 5.8b Độ sai khác khoảng cách R31 theo thời gian ...........................................59


Hình 5.9(a) Độ sai khác khoảng cách theo thời gian (4BS) ....................................60
Hình 5.9(b) Độ sai khác khoảng cách theo thời gian (4BS) ....................................61
Hình 5.9(c) Độ sai khác khoảng cách theo thời gian (4BS) ....................................61
Hình 5.10 Quỹ đạo ước lượng mobile trong trường hợp có và khơng có độ lệch do
NLOS trong các phép đo TDOA ..............................................................................63



Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU
1.1 Sự cần thiết của định vị trong hệ thống Wireless:
Vấn đề định vị thuê bao trong mạng điện thoại di động tế bào đang trở nên
cần thiết và quan trọng hơn khi số lượng các cuộc gọi khẩn cấp xuất phát từ máy di
động ngày càng tăng. Tại Mỹ, hệ thống khẩn cấp E-911 hỗ trợ việc xác định vị trí
các thuê bao khẩn cấp đã xuất hiện trong những năm gần đây với độ chính xác hàng
chục mét.
Ở Việt Nam, định vị cũng đã được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khác
nhau. Tuy nhiên, vấn đề định vị thuê bao di động để hỗ trợ các tình huống khẩn cấp
(như các cuộc gọi 113, 114, 115,…) vẫn chưa được ứng dụng nhiều và việc định vị
cũng chỉ dựa trên phương pháp cell-ID, tức thuê bao di động chỉ được xác định là
đang nằm trong vùng phục vụ của cell nào. Mà kích thước của mỗi cell thay đổi từ
1km đến 3km ở thành phố và từ 3km đến 20km ở vùng ngoại thành hoặc nông thôn,
nên phương pháp này khơng cho độ chính xác cao và phụ thuộc rất nhiều vào vùng
phủ sóng của các cell trong mạng.
Có nhiều phương pháp để cải thiện độ chính xác trong việc xác định vị trí
thuê bao di động. Theo quy định của Ủy ban Viễn thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC),
tất cả các nhà cung cấp dịch vụ khi đưa ra một phương pháp xác định vị trí thuê bao
di động phải đạt được độ chính xác bên trong vịng trịn bán kính khơng vượt q
125met trong ít nhất 67% cuộc gọi.
Trong những năm 90, Ủy ban Viễn thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) đưa ra
một quy định cho vấn đề định vị trong các mạng di động gồm ba giai đoạn. Theo

đó, tất cả các nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến phải thực hiện khi đưa ra các dịch vụ
khẩn cấp liên quan đến vấn đề định vị thuê bao di động. Quy định đưa ra rằng, trong
pha một các nhà cung cấp dịch vụ phải đạt được khả năng truyền chỉ số xác định

Chương I: Giới thiệu

1/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

th bao (MIN – Mobile Identification Number) của máy đầu cuối có cuộc gọi khẩn
cấp 9-1-1 đến PSAP (Public Safety Answering Point) mà không gặp phải bất kỳ sự
kiểm tra tài khoản hay xác thực nào. Trong pha hai, các nhà cung cấp dịch vụ phải
cung cấp vị trí cell của số thuê bao chủ gọi thực hiện dịch vụ khẩn cấp trong hệ
thống mạng. Trong pha ba, các nhà cung cấp dịch vụ sẽ phải đạt được mục đích là
xác định vị trí của thuê bao đã gọi dịch vụ khẩn cấp 9-1-1 bên trong một vịng trịn
có bán kính khơng lớn hơn 125met trong ít nhất 67 % trong tất cả các trường hợp.
Vào tháng 10/1999, FCC đã sửa lại các yêu cầu cho pha hai, đưa ra cho các
nhà cung cấp dịch vụ hai phương pháp khác nhau để xác định vị trí. Hoặc là giải
pháp dựa trên sự thay đổi cơ sở hạ tầng mạng hoặc dựa trên sự thay đổi máy di
động đầu cuối. Đối với các giải pháp dựa trên sự thay đổi hệ thống mạng, yêu cầu
về độ chính xác chỉ rõ rằng 67% cuộc gọi khẩn cấp E-911 phải được định vị trong
bán kính 100met và 95% các cuộc gọi khẩn cấp E-911 phải được định vị trong bán
kính 300met. Đối với phương pháp dựa trên sự thay đổi máy đầu cuối, yêu cầu độ
chính xác là 50met đối với 67% cuộc gọi và 150met đối với 95% cuộc gọi.

Để tuân theo các quy định của FCC, bất kỳ các giải pháp định vị nào cũng
đều phải làm việc với hệ thống thông tin vô tuyến đang tồn tại. Do vậy, việc đưa
một hệ thống định vị tồn cầu (GPS) vào mạng thơng tin di động không phải là một
giải pháp phổ biến vì các nhà khai thác phải thay thế hay trang bị thêm các bộ phận
mới cho các thiết bị mạng cũng như mọi máy di động đầu cuối.
Trong luận văn này sẽ dựa trên phương pháp định vị mà thay đổi diễn ra ở hệ
thống mạng như tại MSC hay BSS, nhằm đưa ra một phương pháp để thực hiện
phép đo và ước lượng hệ thống mà không phải thay đổi nhiều ở phần cứng hay phần
mềm trong cơ sở hạ tầng của mạng cellular hiện tại.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu:
Có nhiều kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng trong các hệ thống định vị
wireless. Tuy nhiên, chúng ta chỉ thảo luận các kỹ thuật mà có thể áp dụng vào thực
tế các hệ thống mạng di động tế bào (cellular) hiện tại một cách có hiệu quả và dễ

Chương I: Giới thiệu

2/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

dàng thực hiện mà khơng có nhiều sự thay đổi ở phía nhà cung cấp dịch vụ hay đầu
cuối người sử dụng. Các kỹ thuật định vị có thể được chia thành hai loại. Hoặc hệ
thống định vị vị trí yêu cầu một sự thay đổi ở máy đầu cuối di động hiện tại, hoặc
hệ thống có thể được thiết kế theo cách mà tất cả sự thay đổi chỉ xảy ra tại các trạm
gốc hoặc trung tâm chuyển mạch.

1.2.1 Các phương pháp định vị phải thay đổi máy đầu cuối :
Về mặt kỹ thuật, giải pháp này dễ dàng thực hiện và cho kết quả với độ chính
xác cao. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của phương pháp này là phải tốn chi phí lớn
trong việc đưa ra các loại máy đầu cuối mới. Bên cạnh đó, phần cứng thêm vào có
thể tăng kính thước và trọng lượng của máy điện thoại, trái với mong muốn của
người sử dụng muốn ngày càng nhẹ và nhỏ hơn. Hơn nữa, phương pháp này đòi hỏi
người dùng phải thay đổi máy đầu cuối hiện có bằng một máy mới.
Trong phương pháp này có ba kỹ thuật là xác định vị trí dựa trên hệ thống
định vị tồn cầu GPS; kỹ thuật mobile có hỗ trợ TOA (Time Of Arrival) và kỹ thuật
mobile có hỗ trợ TDOA (Time Difference Of Arrival).
Định vị dựa trên GPS yêu cầu cài đặt một bộ thu GPS trên máy đầu cuối và
truyền dữ liệu GPS thu được về trạm gốc (BS) để xử lý thêm và xác định vị trí. Hạn
chế của kỹ thuật này là tăng kích thước và trọng lượng của máy đầu cuối, thêm vào
đó sẽ làm tiêu tốn thêm pin của máy. Hơn nữa một bộ thu GPS cần có ít nhất 4 vệ
tinh nhìn thấy được. Trong một mơi trường đơ thị bị bao phủ và che khuất lớn, tầm
nhìn thẳng giữa MS và các vệ tinh bị cản trở. Do đó giải pháp dựa trên GPS là một
sự lựa chọn có thể thực hiện cho các thiết bị mobile outdoor, nhưng không thể dùng
cho thiết bị mobile indoor hoặc trong môi trường đô thị che khuất hay các hẻm núi.
Trong kỹ thuật mobile được hỗ trợ TOA, máy đầu cuối gửi kèm thời gian
hiện hành trên bất kỳ tín hiệu ra nào trên kênh về từ MS đến BS. Trạm gốc BS xác
định thời gian cần thiết để tín hiệu đến trạm gốc, từ đó xác định khoảng cách giữa
trạm gốc và thiết bị di động. Nếu ít nhất có 3 trạm gốc tham gia vào quá trình này
thì phương pháp tam giác có thể được sử dụng để xác định vị trí mobile. Phương

Chương I: Giới thiệu

3/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng



Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

pháp này đòi hỏi máy di động (MS) và trạm gốc phải được đồng bộ thời gian chính
xác.
Kỹ thuật mobile hỗ trợ TDOA được đưa ra cho hệ thống CDMA sử dụng
tone pilot được phát bởi các trạm gốc khác nhau.Việc truyền công suất cao của tone
pilot cho phép theo dõi chính xác các tín hiệu thu được. Vì mỗi vùng cell phát một
mã nhiễu giả (PN – Pseudo Noise) với một chuỗi mã duy nhất, một máy mobile có
thể phân biệt mỗi tone pilot của mỗi vùng cell. Máy mobile đo độ sai khác thời gian
đến của ít nhất 3 tone pilot được phát bởi 3 cell khác nhau. Từ đó sẽ cho các
phương trình hyperbol và điểm giao nhau của các đường hyperbol chính là ước
lượng vị trí của máy di động. Ước lượng này sau đó có thể được phát trở lại trạm
gốc trên kênh về. Vì tất cả quá trình xử lý phải được thực hiện trên máy đầu cuối,
nên các yêu cầu phần cứng thêm vào sẽ được gắn thêm trên máy đầu cuối.
1.2.2 Các phương pháp không phải thay đổi máy đầu cuối:
Giải pháp này khơng làm thay đổi thiết bị đầu cuối hiện có của người dùng,
chỉ thay đổi tập trung vào cơ sở hạ tầng như trạm gốc (BS) hay trung tâm chuyển
mạch (MSC), do đó vẫn có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối hiện tại. Các kỹ thuật
đáng chú ý là: AOA (Angle Of Arrival) hay còn gọi là DOA (Direction Of Arrival),
TOA (Time Of Arrival), TDOA (Time Difference Of Arrival) và phương pháp dựa
trên cường độ trường tín hiệu. Cũng có thể kết hợp hai hay nhiều kỹ thuật trên để
đạt được một sự định vị chính xác hơn. Các phương pháp được kết hợp thường
được biết đến như là kỹ thuật hybrid.
Phương pháp AOA sử dụng dãy anten để ước lượng phương đến của tín hiệu
mong muốn. Một phép đo AOA đơn bắt buộc nguồn đến phải là từ một đường
thẳng. Vị trí của nguồn tín hiệu có thể được xác định là giao của hai đường nếu ước
lượng DOA có được từ hai anten riêng biệt. Mặc dù nguyên tắc của phương pháp

AOA rất đơn giản nhưng nó có nhiều hạn chế. Để phép đo có độ chính xác cao, tất
cả các trạm gốc tham gia vào đều phải có tầm nhìn thẳng (LOS – Line Of Sight) với
thiết bị di động. Điều này không phải là trường hợp thông dụng trong hệ thống di

Chương I: Giới thiệu

4/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

động tế bào, thường bị bao phủ và che khuất khi đi vào mơi trường đơ thị. Hình 1.1
chỉ ra phương pháp tìm vị trí nguồn bởi giao của ba hướng tín hiệu đến (DOA) đối
với ba dãy anten.
Trong kỹ thuật TOA không thay đổi máy đầu cuối, khi một trạm gốc cần xác
định vị trí của một thuê bao (giả sử như trong trường hợp phát hiện thấy thuê bao
này phát đi tín hiệu khẩn cấp, cần giúp đỡ), nó phát đi một yêu cầu hay chỉ thị và đo
thời gian MS đáp ứng lại. Tổng thời gian đó cộng với delay của thời gian xử lý sẽ
ước lượng được thời gian trễ trên một hướng, do đó cho ta xấp xỉ khoảng cách từ
MS đến BS. Nếu đáp ứng của MS có thể được phát hiện ở tại 2 bộ thu (ở 2 trạm gốc
BS) nữa thì vị trí của MS có thể được xác định tại điểm giao của 3 đường tròn được
xác định bởi phép đo độ trễ thời gian. Phương pháp này có một số các hạn chế như
sau: việc ước lượng độ trễ đáp ứng ở máy di động khó khăn trong việc xác định
thực tế, vì sự khác nhau giữa các máy đầu cuối cầm tay được sản xuất bởi các nhà
sản xuất khác nhau; phương pháp này dễ bị ảnh hưởng đối với sai số thời gian trong
điều kiện không thỏa LOS, lúc này tín hiệu sẽ bị phản xạ.


Hình 1.1 Giải pháp định vị theo hướng trong mặt phẳng 2-D

Chương I: Giới thiệu

5/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

Kỹ thuật TDOA dựa trên việc ước lượng độ sai khác thời gian đến của tín
hiệu từ nguồn đến các bộ thu khác nhau. Tương quan chéo của hai tín hiệu đến tại
một cặp trạm gốc (BS) được thực hiện và đỉnh của tương quan chéo cho ta độ sai
khác thời gian đối với tín hiệu đến tại 2 trạm gốc này. Giá trị ước lượng sai khác
thời gian này định nghĩa một hyperpol giữa 2 trạm thu BS mà trên nó tồn tại vị trí
MS, giả sử nguồn và 2 trạm thu là cùng một mặt phẳng. Nếu thủ tục này được thực
hiện tiếp với một bộ thu (BS) khác kết hợp với bất kỳ bộ thu nào được sử dụng
trước, cho ta một hyperbol và giao của hai hyperbol này cho vị trí ước lượng của
nguồn MS. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp định vị hyperbol. Ưu
điểm của phương pháp này là tất cả quá trình xử lý tại hạ tầng của trạm gốc. Ngồi
ra nó cịn có các ưu điểm như: khơng cần sự đồng bộ chính xác như TOA; có khả
năng làm việc với các loại anten đơn giản, không cần nhiều anten dãy như phương
pháp AOA; và tránh được các sai số thời gian. Bất kỳ độ dịch thời gian nào cũng sẽ
bị loại bỏ trong phép tính độ sai khác thời gian. Hình 1.2 mơ tả cơ sở để thực hiện
kỹ thuật định vị hyperbol trong mặt phẳng 2 – D.


Hình 1.2 Giải pháp định vị Hyperbol trong mặt phẳng 2-D

Chương I: Giới thiệu

6/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

Phương pháp sử dụng cường độ trường tín hiệu thu được (RSS- Received
Signal Strength) để định vị MS dựa trên mô hình truyền sóng mơ tả suy hao đường
truyền theo khoảng cách. Nói chung, nếu MS gần BS hơn thì suy hao đường truyền
từ BS đến MS nhỏ hơn và ngược lại. Vì vậy, nếu biết trước được cơng suất phát và
đo được cơng suất thu thì ta có thể xác định các thơng tin về khoảng cách thu-phát.
Vị trí của đối tượng cần định vị sẽ là hàm theo khoảng cách. Có hai phương pháp
thực hiện kỹ thuật định vị này là: cường độ trường tín hiệu được đo bởi MS và
cường độ trường tín hiệu được đo bởi BS. Tương ứng với chúng là việc địi hỏi phải
có một tín hiệu tham khảo được phát đi với cơng suất từ BS hoặc MS tương ứng.
Vấn đề gặp phải của phương pháp này là hiện tượng che chắn và fading đa tia.
Trong kỹ thuật hybrid, hai hay nhiều kỹ thuật trên được kết hợp lại để tạo
nên một phương pháp định vị có độ chính xác cao hơn. Khi hai kỹ thuật AOA và
TDOA được kết hợp tạo nên kỹ thuật AOA/TDOA, nhiều trạm gốc thu tín hiệu từ
máy di động và ước lượng AOA từ mỗi trạm gốc; và ước lượng TDOA giữa các
trạm gốc được kết hợp để xác định vị trí nguồn. Phương pháp này cho độ chính xác
cao và đáng tin cậy trong hệ thống cellular. Tuy nhiên cần đảm bảo sự phối hợp,
đồng bộ tốt giữa 2 phương pháp và sai số từ một phương pháp khơng được ảnh

hưởng phép ước lượng vị trí tồn cục [8].
Kỹ thuật AOA/TOA thích hợp khi chỉ một trạm gốc có thể thu tín hiệu từ
máy di động [12]. Mặc dù kỹ thuật này khơng chính xác như AOA/TDOA, nhưng
nó có thể là giải pháp định vị khơng thay đổi máy đầu cuối thích hợp khi chỉ một
trạm gốc có thể thu được tín hiệu di động.

Chương I: Giới thiệu

7/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

Các kỹ thuật định vị

Kỹ thuật
thay đổi
máy đầu
cuối
Dựa
trên
GPS

Mobile có
hỗ trợ
TOA


Kỹ thuật
khơng thay
đổi máy đầu
cuối
Mobile có AOA
hỗ trợ
TDOA

RSS

TOA

TDOA

Kỹ thuật
Hybrid

AOA/TOA AOA/TDOA

Hình 1.3 Tóm tắt các kỹ thuật định vị trong hệ thống wireless
1.3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
1.3.1 Mục tiêu của đề tài:
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật định vị thuê bao di động, cải
thiện độ chính xác trong q trình ước lượng vị trí nhằm đạt được các yêu cầu của
FCC trong Phase-II, đó là định vị th bao với độ chính xác 100m trong 67% các
cuộc gọi và 300m đối với 95% các cuộc gọi.
1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đề tài tập trung nghiên cứu hai phương pháp định vị TDOA, TOA và nghiên
cứu sự kết hợp dữ liệu giữa hai phương pháp này để cho một phép định vị có độ

chính xác cao hơn các phương pháp định vị riêng lẻ.
Đề tài chỉ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu là ở mức mô phỏng các kỹ
thuật định vị và đánh giá độ chính xác của chúng, chứ chưa được kiểm nghiệm
trong thực tế mạng lưới.
Phần mô phỏng được cài đặt bằng ngơn ngữ lập trình Matlab và thử nghiệm
trên máy tính.

Chương I: Giới thiệu

8/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

1.4. Nội dung và phương pháp nghiên cứu:
1.4.1 Nội dung nghiên cứu:
Đề tài bao gồm các nội dung nghiên cứu:
1. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và giải thuật của các phương pháp xác định vị trí
thuê bao di động, cụ thể là hai phương pháp TDOA và TOA.
2. Phân tích các mơ hình kết hợp dữ liệu đối với việc ước lượng vị trí.
3. Tìm hiểu các mơ hình thu nhận tín hiệu từ máy di động trong các điều
kiện có và khơng có nhiễu, mất mát trên đường truyền.
4. Mô phỏng và đánh giá kết quả.
5. Tổng hợp báo cáo kết quả.
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu:
Đề tài tiếp cận các phương pháp sau đây:

1. Tiếp cận nguyên lý và các phương pháp, giải thuật định vị trong hệ thống
thông tin di động.
2. Tiếp cận các phương pháp đánh giá sai số để áp dụng vào quá trình định
vị.
3. Tiếp cận mơ hình tốn học của phép đo TDOA, TOA và các mơ hình
kênh truyền tín hiệu.
4. Mơ phỏng và đánh giá độ chính xác của từng phương pháp TDOA, TOA
một cách riêng lẻ; sau đó đánh giá sự hiệu quả đối với việc kết hợp dữ liệu
của hai phương pháp trên.

Chương I: Giới thiệu

9/104

HVTH:Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

CHƯƠNG II

NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI THUẬT CỦA
QUÁ TRÌNH ĐỊNH VỊ
Trong chương trước chúng ta đã mô tả tổng quát về các kỹ thuật định vị. Luận
văn này tập trung vào các kỹ thuật dựa trên khoảng cách của phép đo TOA và TDOA,
do đó ở đây ta sẽ đề cập chủ yếu đến nguyên lý và giải thuật của hai kỹ thuật này.
2.1 Kỹ thuật thời gian đến TOA (Time Of Arrival):
Kỹ thuật TOA sử dụng phép đo hình học để xác định vị trí của người dùng di

động. Ước lượng vị trí đạt được bởi các phép đo dựa trên khoảng cách từ máy di động
đến ít nhất 3 trạm gốc theo tầm nhìn thẳng (LOS). Các trạm gốc xác định thời gian tín
hiệu truyền từ nguồn đến bộ thu trên đường lên hoặc đường xuống. Khi một người
dùng nhấn một số khẩn cấp từ máy di động, trạm gốc điều khiển yêu cầu thiết bị di
động đáp ứng lại một tín hiệu phát đi. Tổng thời gian từ lúc yêu cầu được phát đi đến
thời gian trạm gốc nhận được đáp ứng của MS sẽ được xác định. Thời gian này bao
gồm tổng độ trễ truyền tín hiệu và bất kỳ độ trễ đáp ứng và xử lý trong thiết bị di
động. Trừ tổng thời gian đo được cho độ trễ xử lý ta sẽ nhận được tổng độ trễ truyền.
Chia đôi giá trị này sẽ là thời gian ước lượng tín hiệu truyền trên một hướng.

Chương II: Nguyên lý và giải thuật

10/104

HVTH: Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

Hình 2.1 Định vị TOA từ ba trạm gốc BS.

Nhân giá trị này với vận tốc truyền sóng điện từ (c = 3x108 m/s) sẽ cho xấp xỉ
khoảng cách từ mobile đến trạm gốc. Nếu xác định thêm khoảng cách xấp xỉ từ máy di
động đến hai trạm gốc nữa thì vị trí của thiết bị di động có thể được xác định tại giao
của ba đường tròn từ các phép đo TOA, như trong hình 2.1.
Vị trí MS có thể được xác định một cách chính xác nếu giữa trạm di động MS
và ba trạm gốc BS hoàn toàn trong tầm nhìn thẳng (LOS). Tuy nhiên việc xảy ra
đường truyền NLOS (None-Line-of-Sight) làm cho tín hiệu truyền theo một đường dài

hơn đến bộ thu trạm gốc và thời gian TOA đo được nói chung lớn hơn thời gian đến
của một tín hiệu LOS. Khi đó, cần thiết phải phát hiện NLOS và hiệu chỉnh các sai số
lệch trong phép đo TOA trước khi đưa vào các giải thuật ước lượng vị trí.
Các phép đo TOA có thể được diễn tả như là các phép đo khoảng cách giữa MS
và BS [11]. Các phép đo khoảng cách đạt được từ các thời gian đến:
rTOA = c.∆tTOA

Chương II: Nguyên lý và giải thuật

11/104

HVTH: Nguyễn Ngọc Thắng


Định vị trong hệ thống Wireless

GVHD: GVC-TS Hồng Đình Chiến

trong đó:
c = tốc độ truyền sóng điện từ = tốc độ ánh sáng = 3x108 m/s
rTOA = phép đo khoảng cách
∆t TOA = thời gian đến (TOA) - thời gian tín hiệu đi từ MS đến BS đo được.

Phép đo khoảng cách có thể được mơ hình hóa theo Wylie và Holtzman [11] như sau:
rTOA = rm (t i ) = Lm (t i ) + n m (t i ) + NLOS m (t i )

( 2.1)

trong đó:
m = chỉ số trạm gốc BS = 1, 2, …, M

i = chỉ số thời gian mẫu = 0, 1, 2,….(K-1)
K = số lượng phép đo tại thời điểm khác nhau ti
Lm = khoảng cách thật giữa MS và BS
nm = sai số phép đo khoảng cách chuẩn
NLOSm = sai số do Non-Line-Of-Sight.
Nếu BS có tọa độ (xm, ym) và tọa độ chưa biết của trạm di động MS là ( x(ti), y(ti) ) thì
khoảng cách thực giữa MS và BS có thể diễn tả :
Lm (t i ) = ( x(t i ) − x m ) 2 + ( y (t i ) − y m ) 2

Nếu khoảng cách đo được được làm trơn bởi đặt chúng vào một đa thức bậc (N-1) thì
rm(ti) có thể được mơ hình như sau:
N −1

s m (t i ) = ∑ a m (n)t in
n=0

Trong đó, am(n) là N hệ số chưa biết của đa thức, có thể được xác định như sau:
⎡ rm (t 0 ) ⎤
⎡ a m ( 0) ⎤
⎢ r (t ) ⎥
⎢ a (1) ⎥
⎢ m 1 ⎥
⎢ m
⎥
⎢
⎥ = (v T v) −1 v T ⎢ . ⎥
.
⎥
⎢
⎢

⎥
.
⎢ . ⎥
⎢
⎥
⎢⎣rm (t K −1 )⎥⎦
⎢⎣a m ( N − 1)⎥⎦

Chương II: Nguyên lý và giải thuật

12/104

HVTH: Nguyễn Ngọc Thắng