NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG CÁC TÒA NHÀ

NGUYỄN KHÁNH NGỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NĂM 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN KHÁNH NGỌC

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH
VỊ TRONG CÁC TÒA NHÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Chuyên ngành : KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ ĐÌNH TUẤN

TPHCM THÁNG 9 / 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN KHÁNH NGỌC

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỊNH
VỊ TRONG CÁC TÒA NHÀ

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

(Đã hiệu đính theo yêu cầu của Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ ngày
23/8/2013)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ ĐÌNH TUẤN

TPHCM THÁNG 9 / 2013


i

Mục Lục
Thuật Ngữ Và Chữ Viết Tắt ........................................................................................... iii
Danh Mục Hình.............................................................................................................. iv
Lời Cảm Ơn vi
Chương 1: Giới thiệu và đặt vấn đề ........................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài ............................................................................. 1
1.2 Mục tiêu đề tài ....................................................................................................... 2
1.3 Phạm vi của đề tài .................................................................................................. 5
1.4 Cấu trúc của luận văn............................................................................................. 5
Chương 2: Cơ sở lý thuyết ........................................................................................... 7
2.1 Sự phát triển của mạng không dây ........................................................................ 8
2.2 Tổng quan về mạng không dây .............................................................................. 8
2.3 Đặc điểm sóng vô tuyến ....................................................................................... 12
2.4 Các giải pháp đònh vò trong nhà............................................................................ 16
2.4.1 Giải pháp đònh vò dựa trên khoảng cách ........................................................ 17
2.4.2 Giải pháp đònh vò dựa trên góc đến ............................................................... 27
2.4.3 Giải pháp đònh vò dựa trên Fingerprinting ..................................................... 29
2.5 Các loại thuật toán đònh vò áp dụng cho giải pháp Fingerprinting ........................ 32
2.5.1 Phương pháp K-Nearest Neighbor ................................................................. 32

2.5.2 Phương pháp dựa trên xác suất ...................................................................... 33
2.5.3 Phương pháp Neural Network........................................................................ 36
2.5.4 Phương pháp Support Vector Machine .......................................................... 37
2.6 Các hệ thống đònh vò sử dụng WLAN RSS Fingerprinting hiện nay ................... 39
2.7 Thách thức trong việc triển khai hệ thống WLAN RSS Fingerprinting ............... 39
Chương 3: Giải pháp đònh vò dựa trên kỹ thuật WLAN RSS Fingerprinting ....... 42
3.1 WLAN RSS Fingerprinting ................................................................................... 43
3.1.1 Kiến trúc ........................................................................................................ 43
3.1.2 Mô tả.............................................................................................................. 45
3.2 Các giai đoạn chính trong kiến trúc của RSS Wlan Fingerprinting ...................... 46
3.2.1 Giai đoạn huấn luyện..................................................................................... 46


ii

3.2.2 Giai đoạn hoạt động đònh vò........................................................................... 55
3.3.1 Thuật toán Nearest Neighbor ........................................................................ 57
3.3.2 Thuật toán K-Nearest Neighbor .................................................................... 59
3.3.3 Thuật toán K-Maximum LikeliHood Neighbor ............................................. 60
3.3.4 Thuật toán cải tiến K-Maximum LikeliHood Constraint Tracking Neighbor 63
Chương 4: Triển khai và đánh giá hệ thống đònh vò ................................................ 66
4.1 Xây dựng chương trình mô phỏng ........................................................................ 67
4.1.1 Mục tiêu ......................................................................................................... 67
4.1.2 Mô tả.............................................................................................................. 67
4.1.2.1 Xây dựng bản đồ giả lập......................................................................... 68
4.1.2.2 Xây dựng bộ dữ liệu RSS Fingerprinting ................................................ 68
4.1.2.3 Phương pháp Box–Muller sinh mẫu phân phối chuẩn ngẫu nhiên ......... 69
4.1.3 Phương pháp đánh giá ................................................................................... 71
4.1.4 Đánh giá kết quả và phân tích ...................................................................... 72
4.2 Triển khai hệ thống đònh vò .................................................................................. 79

4.2.1 Mục tiêu ......................................................................................................... 79
4.2.2 Mô tả.............................................................................................................. 79
4.2.2.1 Triển khai các thiết bò, cơ sở hạ tầng ...................................................... 79
4.2.2.2 Cài đặt webservice cung cấp dòch vụ đònh vò trên IPS Server ................ 81
4.2.2.3 Triển khai cài đặt chương trình đònh vò trên laptop ................................. 82
4.2.2.4 Triển khai cài đặt chương trình đònh vò trên Iphone ............................... 86
4.2.3 Phương pháp đánh giá ................................................................................... 87
4.2.4 Đánh giá kết quả và phân tích ....................................................................... 88
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển ................................................................. 103
Tài Liệu Tham Khảo .................................................................................................... 107


iii

Thuật Ngữ Và Chữ Viết Tắt

AOA

Angle of Arrival

Góc đến

AP

Access Point

Thiết bò mạng phát sóng Wifi

DOA

Direction of Arrival

Hướng đến

GPS

Global Position System

Hệ thống đònh vò toàn cầu

IPS

Indoor Positioning System

Hệ thống đònh vò trong nhà

KMLN

K-Maximum Likelihood Neighbor

K láng giềng có khả năng nhất

KNN

K-Nearest Neighbor

K láng giếng gần nhất

LBSs

Location-Based Services

Dòch vụ dựa trên vò trí

PDAs

Personal Digital Assistants

Thiết bò trợ giúp kỹ thuật số cá nhân

RSS

Received Signal Strength

Cường độ tín hiệu thu được

TOA

Time of Arrival

Thời gian đến

TDOA

Time Difference of Arrival

Sự khác biệt trong thời gian đến

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng không dây nội bộ


iv

Danh Mục Hình
Hình 2.1: Các nhóm phương pháp đònh vò ...................................................................... 16
Hình 2.2: Phương pháp TOA với 2 thiết bò phát sóng .................................................... 19
Hình 2.3: Phương pháp TOA với 3 thiết bò phát sóng .................................................... 19
Hình 2.4: Time Difference of Arrival (TdoA) ................................................................ 22
Hình 2.5: Quá trình truyền tín hiệu trong môi trường .................................................... 25
Hình 2.6: Phương pháp Angle of Arrival ........................................................................ 27
Hình 2.7: Phương pháp Neural Network với hàm xử lý phi tuyến tính .......................... 36
Hình 3.1: Mô hình hoạt động của phương pháp RSS Fingerprinting ............................. 44
Hình 3.2: Lưu đồ xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ sóng Fingerprinting ........................... 47
Hình 3.3: Minh họa quá trình đo đạc RSS ...................................................................... 48
Hình 3.4: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sự phân phối giá trò RSS của một AP tại vò trí
tham chiếu ...................................................................................................................... 49
Hình 3.5: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sự phân bố theo phân phối chuẩn của các giá
trò RSS ............................................................................................................................ 50
Hình 3.6: Biểu đồ hàm phân phối chuẩn tắc .................................................................. 52
Hình 3.7: Lưu đồ minh họa quá trình dự đoán thông tin vò trí ........................................ 56
Hình 4.1 :Bản đồ mô phỏng gồm 96 vò trí tham chiếu và 5 AP ..................................... 68
Hình 4.2: Biểu đồ phân phối chuẩn RSS sinh ra từ thuật toán Box-Muller ................... 72
Hình 4.3: Biểu đồ mối quan hệ giữa độ lệch chuẩn của RSS ......................................... 73
Hình 4.4: Mối quan hệ giữa số lượng AP và sai số khoảng cách trong dự báo.............. 75
Hình 4.5: Mối quan hệ giữa số lượng AP và sai số khoảng cách trong dự báo(độ lệch
chuẩn = 4) ....................................................................................................................... 76

Hình 4.6: Sai số khoảng cách trong dự báo khoảng cách của ........................................ 77
Hình 4.7: Kiến trúc tầng 1 tại nơi triển khai hệ thống IPS ............................................. 80
Hình 4.8: Mô hình phần cứng triển khai hệ thống đònh vò IPS ....................................... 81
Hình 4.9: Chức năng thu thập RSS tại các điểm tham chiếu ......................................... 84
Hình 4.10: Chức năng lọc nhiễu sóng RSS .................................................................... 85
Hình 4.11: Giao diện chương trình đònh vò cài đặt trên laptop ....................................... 86
Hình 4.12: Hệ thống đònh vò cài đặt trên Iphone ............................................................ 87
Hình 4.13: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sự phân bố giá trò RSS của một AP tại vị trí
cách AP 1m .................................................................................................................... 89


v

Hình 4.14: Biểu đồ thực nghiệm minh họa xác suất ...................................................... 90
Hình 4.15: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sự phân bố giá trò RSS của một AP tại vò trí
cách AP 10m .................................................................................................................. 91
Hình 4.16: Biểu đồ thực nghiệm minh họa xác suất ...................................................... 92
Hình 4.17: Biểu đồ thực nghiệm RSS của AP1 tại các vò trí 1,6,9,12 ............................ 93
Hình 4.18: Biểu đồ mối quan hệ giữa RSS và khoảng cách ........................................... 94
Hình 4.19: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sai số khoảng cách trong dự báo sử dụng
thuật toán K-Nearest Neighbor ...................................................................................... 95
Hình 4.20: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sai số khoảng cách trong dự báo sử dụng
thuật toán K-Maximum Likelihood Neighbor ................................................................ 96
Hình 4.21: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sai số khoảng cách trong dự báo sử dụng
thuật toán K-Maximum Likelihood Constraint Tracking Neighbor ............................... 97
Hình 4.22: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sai số khoảng cách trong dự báo sử dụng
thuật toán KMLCTN tại các vò trí (khoảng tin cậy 95%) ............................................... 98
Hình 4.23: Minh họa bản đồ khi vò trí người dùng nằm ngoài vùng bao phủ của các
điểm tham chiếu ............................................................................................................. 99
Hình 4.24: Biểu đồ thực nghiệm minh họa sai số khoảng cách trong dự báo giữa các

thiết bò di động khác nhau ............................................................................................ 101


vi

Lời Cảm Ơn
Trước hết, xin được gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn luận văn của
tôi là tiến só khoa học Lê Đình Tuấn, người đã giúp đỡ, hướng dẫn tôi rất tận tình
trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn cùng khóa đào tạo thạc só chuyên
ngành khoa học máy tính 2011-2013 đã cung cấp các tài liệu cần thiết trong quá
trình nghiên cứu và đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập, chuẩn bò
luận án.
Xin cảm ơn khoa công nghệ thông tin và phòng sau đại học đã tạo điều
kiện cho tôi học tập và nghiên cứu trong suốt khóa học.
Cuối cùng cho phép tôi cảm ơn các bạn bè, gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ tôi
rất nhiều trong toàn bộ quá trình học tập cũng như nghiên cứu hoàn thành luận
văn này.


1

Chương 1: Giới thiệu và đặt vấn đề

Tóm tắt nội dung:
Chương này trình bày về lý do chọn đề tài, mục tiêu chính của đề tài và
nêu rõ phạm vi nghiên cứu của đề tài. Đồng thời đưa ra phương pháp tiếp cận và
cấu trúc của toàn bộ luận văn này.

1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài

Cùng với sự phát triển của mạng không dây, các dòch vụ dựa trên vò trí
LBSs (Location-based services) đã được ứng dụng trên các thiết bò di động như
laptop, điện thoại thông minh hay PDAs(Personal Digital Assistants) để theo dõi
người dùng và phản ứng khi người dùng gặp sự cố khẩn cấp. Những ứng dụng
này đòi hỏi phải xác đònh vò trí hiện tại của người dùng để phát đi thông điệp
khẩn cấp đồng thời cung cấp vò trí của người dùng đang bò sự cố. Vì vậy vấn đề
xây dựng một hệ thống đònh vò và theo dõi người dùng đang được mọi người
quan tâm.
Đối với môi trường ngoài trời, hiện nay hệ thống đònh vò toàn cầu
GPS(Global Position System) đang ngày càng phát triển và được sử dụng rộng
rãi. Nó có độ chính xác khoảng 10 mét, nhưng GPS thật sự bò hạn chế và không
thể hoạt động hiệu quả khi đònh vò mục tiêu trong các tòa nhà có nhiều vật cản
như những bức tường, trần nhà do tín hiệu của các vệ tinh bò suy yếu. Các khu
vực đô thò và những tòa nhà cao tầng là những vật cản làm suy yếu tín hiệu vệ
tinh khiến cho các hệ thống đònh vò dựa trên GPS hoạt động kém hiệu quả . Vì
vậy đề tài nghiên cứu về một hệ thống đònh vò trong nhà trở thành một lónh vực
đang được nhiều người nghiên cứu trong những năm gần đây.


2

Hiện nay có một số phương pháp xây dựng trên những thiết bò di động được
cài đặt chức năng GPS để cung cấp dòch vụ đònh vò trong nhà , đó là kỹ thuật AGPS(Assited GPS)[23]. Kỹ thuật A-GPS cần kết nối đến một máy chủ và đạt độ
chính xác trong phạm vi 5m đến 50m. Một kỹ thuật khác là Calibree[14], kỹ
thuật này dò tìm cường độ sóng GSM để xác đònh vò trí của người dùng nếu thiết
bò di động của họ có trang bò thiết bò thu GPS. Tuy nhiên kỹ thuật Calibree có sai
số dự báo trung bình lên đến 147m đối với trường hợp sử dụng 25 thiết bò có
trang bò thiết bò thu tín hiệu GPS trong khu vực có diện tích 1km2.
Ngoài GPS, các loại công nghệ không dây và cảm ứng khác cũng được sử
dụng để xây dựng hệ thống đònh vò trong nhà. Ví dụ hệ thống đònh vò sử dụng

hồng ngoại, sóng vô tuyến như hệ thống cảm biến, siêu âm … cũng có thể đònh vò
người dùng với độ chính xác cao. Tuy nhiên hệ thống này đòi hỏi phải có những
thiết bò cơ sở hạ tầng và các thiết bò cảm ứng nên tốn chi phí cao dẫn đến khó
khăn khi triển khai với quy mô lớn.
Trong bài luận văn này đề xuất một hệ thống đònh vò trong nhà Indoor
Position System dựa trên mạng không dây nội bộ WLAN(Wireless Local Area
Network) sử dụng chuẩn IEEE 802.11b/g, đây là một giải pháp triển khai hệ
thống đònh vò trong nhà dựa trên các thiết bò phát sóng WiFi có sẵn trong các tòa
nhà như là các thiết bò AP(Access Point) nhằm tận dụng các cơ sở hạ tầng có sẵn
đem lại hiệu quả về chi phí triển khai. Hệ thống của chúng ta sử dụng giá trò
cường độ tín hiệu RSS(Received Signal Strength) kết hợp với thông tin vò trí của
người dùng trong quá khứ để xác đònh vò trí hiện tại của một người đang sử dụng
thiết bò di động.
1.2 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu các thuật toán đònh vò trong nhà
(Indoor Localization Algorithms) và xây dựng hệ thống đònh vò trong các tòa nhà


3

IPS(Indoor Positioning System) sử dụng điện thoại thông minh gồm những mục
tiêu cụ thể sau:
-

Nghiên cứu thuật toán đònh vò trong nhà sử dụng kỹ thuật Fingerprinting
để dự đoán vò trí của mục tiêu dựa vào ước lượng xác suất Bayes,
khoảng cách Euclide và thuật toán K-Maximum Likelihood Neighbor
(KMLN)
o Tìm hiểu giải pháp đònh vò mục tiêu bằng sóng Wifi sử dụng
RSS (Received Signal Strength).

o Tìm hiểu phương pháp ước lượng xác suất Bayes, khoảng cách
Euclide và thuật toán K-Maximum Likelihood Neighbor
(KMLN) trong đònh vò trong nhà.
o Tìm hiểu kỹ thuật Fingerprinting tạo bản đồ sóng Wifi dựa trên
việc thu thập dữ liệu RSS, tạo ra phân phối xác suất của các giá
trò RSS tại mỗi vò trí tọa độ (x,y), đây chính là dữ liệu
Fingerprinting.
o Đề ra thuật toán cải tiến K-Maximum Likelihood Constraint
Tracking Neighbor sử dụng thông tin vò trí trong quá khứ của
người dùng vào trong thuật giải để cải thiện thuật toán KMaximum Likelihood Neighbor.

-

Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá thuật toán đònh vò trong nhà
trên.
o Xây dựng chương trình mô phỏng việc đònh vò trong nhà sử dụng
thuật toán trên bộ dữ liệu thử nghiệm
o Đánh giá hiệu quả của thuật toán và chạy thử để đánh giá hiệu
quả của thuật toán đònh vò trong nhà.


4

-

Xây dựng chương trình đònh vò trong nhà trên thiết bò di động và đánh
giá thuật toán trên thực tế
o Xây dựng hệ thống đònh vò trong nhà trên laptop, điện thoại.
o Tiến hành thu thập, đo đạc RSS tại mỗi vò trí tham chiếu nhận
được từ các thiết bò phát sóng Wifi để tạo ra bộ dữ liệu huấn

luyện để thực nghiệm bài toán.
o Đánh giá kết quả.

Phương pháp tiếp cận :
-

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn để lựa chọn giải pháp, mô hình thích hợp
cho ứng dụng thực tế, đồng thời trên cơ sở thực tiễn phát triển các lý
luận khoa học để lý luận gắn với thực tiễn.

-

Nghiên cứu, tìm hiểu các loại thiết bò cảm ứng tích hợp trên Smart
Phone được sử dụng trong mô hình nghiên cứu.

-

Tìm hiểu các phương pháp, thuật toán xác đònh vò trí người dùng thiết bò
Smart phone và vò trí của nơi quan tâm.

-

So sánh, đánh giá các thuật toán đònh vò, lựa chọn thuật toán phù hợp.

-

Xây dựng chương trình và cài đặt thử nghiệm trên laptop, thiết bò di
động và đánh giá kết quả thực hiện.

Trong luận án này trình bày một mạng hệ thống đònh vò dựa trên kỹ thuật

Received Signal Strength Fingerprinting, đây là một kỹ thuật đònh vò trong nhà
chính xác và hiệu quả. Trước hết ta sử dụng thuật toán K-Maximum Likelihood
Neighbor để xác đònh vò trí của một người sử dụng điện thoại di động, và sau đó
đề xuất một thuật toán K-Maximum Likelihood Constraint Tracking Neighbor
theo dõi vò trí quá khứ trước đó của người dùng để nâng cao độ chính xác của
thuật toán đònh vò.


5

1.3 Phạm vi của đề tài
Trong luận án này, việc nghiên cứu chỉ giới hạn trong các vấn đề sau:
-

Đề tài chỉ nghiên cứu các thuật toán đònh vò trong nhà và thể hiện thông
tin đònh vò trong không gian 2 chiều.

-

Đề tài không nghiên cứu số lượng Access Point tối ưu cần lắp đặt phù hợp
với diện tích tòa nhà để thuật giải xác đònh vò trí tốt nhất.

Các giả đònh trong đề tài:
-

Sự phân bố của giá trò RSS tại mỗi vò trí đo đạc sóng (vò trí tham chiếu) là
xấp xỉ phân phối chuẩn

-

Có ít nhất 3 Access Point phủ sóng tại mỗi vò trí tham chiếu

-

Giá trò RSS trung bình tại các vò trí trung tâm của các khu vực là chênh
lệch rõ ràng

1.4 Cấu trúc của luận văn
Luận án được chia thành 5 chương với các nội dung chính sau:
-

Chương 1: Tổng quan những vấn đề cơ bản sẽ được trình bày trong đề tài,
lý do lựa chọn đề tài và trình bày sơ lược về cấu trúc luận án.

-

Chương 2: Trình bày những vấn đề cơ bản sự phát triển của mạng không
dây, đặc điểm của sóng vô tuyến, các nhóm phương pháp đònh vò, ước
lượng xác suất Bayes, khoảng cách Euclide.

-

Chương 3: Trình bày giải pháp đònh vò dựa trên kỹ thuật Fingerprinting.
Các vấn đề được trình bày ở đây là kiến trúc và mô tả mô hình WLAN
RSS Fingerprinting, quá trình xử lý tín hiệu sóng vô tuyến và chuyển
thành thông tin vò trí. Trong chương này cũng sẽ trình bày một số thuật
toán đònh vò như là: Nearest Neighbor, K-Maximum Likelihood Neighbor,
K-Maximum Likelihood Constraint Tracking Neighbor.

6

-

Chương 4: Trình bày quá trình triển khai hệ thống đònh vò vào thực tiễn,
bao gồm cách triển khai các thiết bò phần cứng như các thiết bò Access
Point, IPS Server, các thiết bò di động thông minh. Chương này cũng sẽ
trình bày quá trình thu thập tín hiệu RSS và lọc dữ liệu nhiễu, đồng thời
xây dựng bản đồ Fingerprinting phục vụ cho quá trình đònh vò. Ngoài ra
cũng trình bày cách triển khai chương trình đònh vò trên thiết bò điện thoại
thông minh Iphone và xây dựng chương trình giả lập Simulator để đánh
giá hiệu suất của chương trình định vị.

-

Chương 5: Trình bày những kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu,
những hạn chế của đề tài và đề ra hướng nghiên cứu trong tương lai.


7

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Tóm tắt nội dung:
Trong chương 2 này sẽ trình bày tổng quan về sự phát triển của mạng
không dây, và các đặc tính của sóng vô tuyến ảnh hưởng đến quá trình đo đạc
cường độ tín hiệu sóng vô tuyến RSS trong giai đoạ n thu thập và tạo bộ dữ liệu
huấn luyện. Trong chương này cũng đề cập đến một số phương pháp đònh vò
trong nhà:
 Phương pháp thời gian đến (Time Of Arrival)
 Phương pháp góc đến (Angel Of Arrival hay Direction Of Arrival)

 Phương pháp Fingerprinting

Do có những ưu điểm về chi phí và dễ dàng triển khai của phương pháp
Fingerprinting, nên luận văn này đề xuất sử dụng phương pháp Fingerprinting để
xây dựng hệ thống đònh vò trong nhà. Trong chương này cũng sẽ giới thiệu các
thuật toán đònh vò sử dụng cho kỹ thuật Fingerprinting hiện nay:
 Thuật toán láng giềng gần nhất
 Thuật toán dựa trên xác suất
 Thuật toán dựa trên Neural Network
 Thuật toán dựa trên Support Vector Machine


8

2.1 Sự phát triển của mạng không dây
Trong những năm gần đây, thò trường di động thế giới có những biến động
mạnh mẽ, kết quả là các phương thức mạng truyền thống đã tỏ ra không theo kòp
những thách thức được đặt ra bởi nhu cầu hiện đại. Nếu người sử dụng kết nối
vào một mạng bằng cáp vật lý, dẫn đến việc di chuyển của họ bò hạn chế. Trong
khi đó kết nối không dây không hạn chế việc di chuyển của người dùng, họ có
thể di chuyển tự do từ nơi này đến nơi khác mà vẫn sử dụng được các dòch vụ
mạng. Chính điều này dẫn đến kỹ thuật không dây bắt đầu lấn sân sang lónh vực
mạng cố đònh hay mạng có dây.
Kỹ thuật không dây là phương thức truyền dữ liệu từ điểm này đến điểm
khác không sử dụng đường truyền vật lý, mà có thể sử dụng sóng vô tuyến, tế
bào, hồng ngoại hay qua vệ tinh.
Kết nối không dây trong mạng điện thoại đã tạo nên một ngành công
nghiệp mới, việc thêm kết nối di động vào mạng điện thoại đã tạo nên những
ảnh hưởng sâu sắc đến ngành kinh doanh truyền thông vì từ đây người gọi có thể
kết nối đến mọi người mà có không cần đến cáp. Hiện nay chúng ta đang đứng

trước đỉnh điểm những thay đổi to lớn trong kỹ thuật mạng máy tính, kỹ thuật
không dây thành công vì nó cho phép người dùng kết nối với nhau mà không
quan tâm đến vò trí của họ. Kỹ thuật mạng dữ liệu không dây thành công nhất
đến nay là 802.11.
2.2 Tổng quan về mạng không dây
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bò được nhóm lại với nhau, có
khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng
dây. Nói một cách đơn giản mạng không dây là mạng sử dụng công nghệ mà
cho phép hai hay nhiều thiết bò kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao


9

thức chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay chính xác là không cần sử dụ ng
dây mạng.
Vì đây là mạng dựa trên công nghệ 802.11 nên đôi khi còn được gọi là
802.11 mạng Ethernet, để nhấn mạnh rằng mạng này có gốc từ mạng Ethernet
802.3 truyền thống. Và hiện tại còn được gọi là mạng Wireless Ethernet hoặc
Wi-Fi (Wireless Fidelity). Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) Viện kỹ thuật điện và điện tử Mỹ. Viện
này đưa ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng
một hệ thống số nhằm phân loại chúng.
Mạng WLANs hoạt động dựa trên chuẩn 802.11 (802.11 được phát triển từ
năm 1997 bởi nhóm Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này
được xem là chuẩn dùng cho các thiết bò di động có hỗ trợ Wireless, phục vụ cho
các thiết bò có phạm vi hoạt động tầm trung bình.
Cho đến hiện tại IEEE 802.11 gồm có 4 chuẩn trong họ 802.11 và 1 chuẩn
đang thử nghiệm:
-

802.11 - là chuẩn IEEE gốc của mạng không dây (hoạt động ở tần số
2.4GHz, tốc độ 1 Mbps – 2Mbps).

-

802.11b - (phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tần số 2.4-2.48GHz,
tốc độ từ 1Mpbs - 11Mbps).

-

802.11a - (phát triển vào năm 1999, hoạt động ở tần số 5GHz – 6GHz,
tốc độ 54Mbps).

-

802.11g - (một chuẩn tương tự như chuẩn b nhưng có tốc độ cao hơn từ
20Mbps - 54Mbps, hiện đang phổ biến nhất).

-

802.11e - là 1 chuẩn đang thử nghiệm: đây chỉ mới là phiên bản thử
nghiệm cung cấp đặc tính QoS(Quality of Service) và hỗ trợ
Multimedia cho gia đình và doanh nghiệp có môi trường mạng không
dây.


10

-

Thực tế còn một vài chuẩn khác thuộc họ 802.11 là: 802.11F, IEEE
802.11h, IEEE 802.11j, IEEE 802.11d, IEEE 802.11s. Mỗi chuẩn được
bổ sung nhiều tính năng khác nhau.

Các đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.11

Năm

phê

chuẩn
Tốc độ tối đa
Dải

tần

số

trung tần (RF)
Độ rộng băng
thông

802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

Tháng 7/1999

Tháng 7/1999

Tháng 6/2003

Tháng 9/2009

54Mbps

11Mbps

54Mbps

5GHz

2,4GHZ

2,4GHZ

20MHz

20MHz

20MHz

300Mbps hay
cao hơn
2,4GHz

hay

5GHz
20 MHz hay
40 MHz

Ưu điểm:
Tính dễ dàng kết nối và thuận tiện trong sử dụng đã làm cho mạng
Wireless nhanh chóng ngày càng phổ biến trong cuộc sống chúng ta, hỗ trợ tích
cực trong công việc của chúng ta.
- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần người sử dụng.
- Công nghệ không dây đã được tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lý dành
cho máy tính xách tay của INTEL và AMD, do đó tất cả người dùng máy
tính xách tay đều có sẵn tính năng kết nối mạng không dây.


11

- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN
như Ethernet và Token Ring mà không bò giới hạn về kết nối vật lý (giới
hạn về dây cáp mạng).
- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các
thiết bò có hỗ trợ mà không có sự ràng buột về khoảng cách và không gian
như mạng có dây thông thường. Người dùng mạng Wireless có thể kết nối
vào mạng trong khi di chuyển bất cứ nơi nào trong phạm vi phủ sóng của
thiết bò tập trung (Access Point).
- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio
(Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu. Thông thường thì sóng Radio
được dùng phổ biến hơn vì nó truyền xa hơn, lâu hơn, rộng hơn, băng
thông cao hơn.

- Công nghệ Wireless bao gồm các thiết bò và hệ thống phức tạp như hệ
thống WLAN, điện thoại di động (Mobile Phone) cho đến các thiết bò đơn
giản như tai nghe không dây, microphone không dây và nhiều thiết bò
khác có khả năng truyền nhận và lưu trữ thông tin từ mạng. Ngoài ra cũng
bao gồm cả những thiết bò hỗ trợ hồng ngoại như Remote, điện thoại …
truyền dữ liệu trực diện giữa 2 thiết bò.
Nhược điểm:
Bên cạnh những ưu điểm của mạng Wireless như là tính linh động, tiện lợi,
thoải mái…thì mạng Wireless vẫn không thể thay thế được mạng có dây truyền
thống. Thuận lợi chính của sự linh động đó là người dùng có thể di chuyển. Các
Server và máy chủ cơ sở dữ liệu phải truy xuất dữ liệu, về vò trí vật lý thì không
phù hợp (vì máy chủ không di chuyển thường xuyên được).


12

- Tốc độ mạng Wireless bò phụ thuộc vào băng thông. Tốc độ của mạng
Wireless thấp hơn mạng cố đònh, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận
cẩn thận những frame đã nhận để tránh tình trạng mất dữ liệu.
- Trong mạng cố đònh truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có
thể được bảo mật an toàn hơn.
- Bảo mật trên mạng Wireless là mối quan tâm hàng đầu hiện nay. Mạng
Wireless luôn là mối bận tâm vì sự truy cập tự do của các thiết bò di động
trong vùng phủ sóng.
2.3 Đặc điểm sóng vô tuyến
Các tần số sóng vô tuyến là tín hiệu dòng điện xoay chiều tần số cao được
truyền qua dây dẫn đồng và sau đó truyền ra không khí qua anten. Anten chuyển
đổi tín hiệu nối dây thành tín hiệu không dây và ngược lại. Khi tín hiệu dòng
điện xoay chiều tần số cao được truyền ra không khí, nó được thể hiện dưới dạng
sóng vô tuyến. Sóng vô tuyến truyền từ nguồn (anten) theo đường thẳng đến mọi

hướng cùng lúc.
Đặc tính của sóng vô tuyến:
Sóng vô tuyến dường như hoạt động thất thường và không nhất quán trong
một trường hợp cụ thể nào đó. Những vật nhỏ như đầu nối không đủ chặt hoặc
trở kháng các thiết bò không tương thích với nhau cũng có thể gây nên những
biến đổi thất thường và kết quả không như mong đợi.
Độ khuếch đại (gain):
Độ khuếch đại là thuật ngữ được sử dụng để mô tả sự gia tăng biên độ của
tín hiệu sóng vô tuyến. Độ khuếch đại thường là một tiến trình chủ động, nghóa
là một nguồn công suất bên ngoài như bộ khuếch đại sóng vô tuyến được sử
dụng để mở rộng tín hiệu hoặc một anten có độ khuếch đại cao được sử dụng để
tập trung chùm tín hiệu nhằm gia tăng biên độ tín hiệu.


13

Tuy nhiên, các tiến trình thụ động cũng có thể dẫn đến độ khuếch đại. Ví
dụ: tín hiệu sóng vô tuyến bò phản xạ có thể kết hợp với các tín hiệu chính để
gia tăng cường độ của tín hiệu chính. Gia tăng cường độ tín hiệu vô tuyến có thể
mang lại kết quả tích cực hoặc tiêu cực. Thường thì công suất phát càng lớn càng
tốt, nhưng trường hợp trạm truyền phát ra nguồn công suất rất gần với giới hạn
công suất hợp pháp thì việc tăng thêm công suất phát có thể gây ra những hậu
quả không lường.
Sự suy hao (loss):
Sự suy hao miêu tả độ suy giảm cường độ tín hiệu. Có nhiều nguyên nhân
dẫn đến suy hao tín hiệu vô tuyến, cả trong lúc tín hiệu vẫn còn trong cáp như tín
hiệu dòng xoay chiều tần số cao và cả khi tín hiệu được truyền như só ng vô
tuyến qua không khí bởi anten.
Trở kháng của cáp và đầu nối gây nên sự suy hao tín hiệu vì phải chuyển
đổi tín hiệu xoay chiều sang nhiệt. Trở kháng không tương thích giữa cáp và đầu

nối cũng có thể gây nên năng lượng phản xạ ngược trở lại nguồn phát, gây ra
suy giảm tín hiệu.
Các đối tượng nằm trên đường truyền của sóng được phát có thể gây nên
sự hấp thụ, phản xạ hoặc làm mất hoàn toàn tín hiệu vô tuyến. Sự suy hao có thể
bò xen vào mạch một cách chủ động bằng các bộ suy hao tín hiệu. Các bộ làm
suy hao tín hiệu là các điện trở chuyển đổi dòng xoay chiều tần số cao sang
nhiệt nhằm làm suy giảm biên độ tín hiệu tại điểm đó trên mạch điện.
Việc đánh giá và bù đắp tổn hao tín hiệu tại một kết nối vô tuyến hoặc một
mạch là vấn đề quan trọng vì sóng vô tuyến có ngưỡng độ nhạy sóng. Ngưỡng
độ nhạy sóng được đònh nghóa là điểm mà tại đó sóng vô tuyến có thể phân biệt
rõ ràng một tín hiệu từ nhiễu nền. Vì độ nhạy của trạm nhận là có giới hạn, vì
vậy trạm truyền phải truyền một tín hiệu có biên độ đủ lớn để có thể nhận biết


14

được ở nơi nhận. Nếu xảy ra suy hao tín hiệu giữa trạm truyền và trạm nhận, có
thể loại bỏ những đối tượng gây ra suy hao hoặc gia tăng công suất truyền.
Sự phản xạ (reflection):
Sự phản xạ xảy ra khi sóng điện từ đang truyền tác động đến một đối tượng
có kích thước lớn so với bước sóng của sóng được truyền. Sự phản xạ xảy ra từ
bề mặt trái đất, các tòa nhà, tường và từ nhiều vật cản khác. Nếu bề mặt trơn
phẳng thì tín hiệu bò phản xạ vẫn không bò ảnh hưởng mặc dù vẫn bò suy hao do
sự hấp thụ và tán xạ.
Sự phản xạ tín hiệu có thể gây nên nhiều vấn đề nghiêm trọng cho mạng
không dây. Sự phản xạ của tín hiệu chính từ các đối tượng trong khu vực truyền
gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Hiện tượng đa đường có thể gây ra
những ảnh hưởng bất lợi nghiêm trọng cho mạng không dây, như làm suy giảm
hoặc là từ chối tín hiệu chính và gây ra những lỗ hổng (hole) hay khe hở (gap)
trong vùng phủ sóng vô tuyến. Những bề mặt như mặt hồ, mái kim loại, rèm hay

cửa kim loại và các vật cản khác có thể gây ra phản xạ, theo sau đó là hiện
tượng đa đường.
Sự khúc xạ (refraction):
Sự khúc xạ mô tả những đường gấp khúc của sóng vô tuyến khi chúng đi
qua môi trường có chiết suất khác nhau. Khi sóng vô tuyến đi qua môi trường có
chiết suất lớn hơn sóng sẽ bò bẻ gãy như là thay đổi hướng đi. Khi đi qua môi
trường như vậy, sóng có thể bò phản xạ trở lại theo hướng tín hiệu được mong
đợi, hoặc có thể thay đổi sang hướng khác.
Sự khúc xạ có thể trở thành vấn đề lớn đối với các liên kết vô tuyến có
khoảng cách lớn. Khi điều kiện môi trường thay đổi, sóng vô tuyến có thể thay
đổi hướng, đi chệch hướng với đích mong muốn.


15

Sự nhiễu xạ (diffraction):
Sự nhiễu xạ xảy ra khi đường sóng vô tuyến giữa trạm truyền và trạm nhận
bò che khuất bởi bề mặt không bằng phẳng. Với tần số cao, sự nhiễu xạ giống
như khúc xạ, tùy thuộc vào dạng hình học của đối tượng che khuất và biên độ,
pha và độ phân cực của sóng tại điểm xảy ra nhiễu xạ.
Nhiễu xạ thường không rõ ràng và dễ nhầm lẫn với khúc xạ. Nhiễu xạ mô
tả sóng bò uốn cong quanh vật cản trong khi khúc xạ mô tả sóng đổi hướng đi
qua môi trường.
Nhiễu xạ là sự chậm lại của sóng vô tuyến trước điểm mà tại đó sóng gặp
phải chướng ngại vật, trong khi những phần còn lại của sóng không bò cản tiếp
tục duy trì tốc độ như tốc độ truyền sóng. Nhiễu xạ là kết quả của sự xoay chiều
hay uốn cong của sóng quanh vật cản.
Sự tán xạ (scattering):
Sự tán xạ xảy ra khi môi trường truyền dẫn mà sóng đi qua tồn tại các đối
tượng có kích thước nhỏ hơn bước sóng của tín hiệu và số lượng các vật cản trên

một đơn vò thể tích là lớn. Sóng bò tán xạ xuất phát từ các bề mặt gồ ghề, các đối
tượng kích thước nhỏ hoặc các thành phần gây trở ngại trên đường truyền tín
hiệu. Ví dụ: những đối tượng có thể gây phân tán sóng như cây cối, …
Sự tán xạ xảy ra theo hai cách:
-

Sự tán xạ có thể xảy ra khi sóng va phải một bề mặt không phẳng và bò
phản xạ lại đồng thời theo nhiều hướng, tán xạ dạng này tạo ra nhiều tín
hiệu phản xạ biên độ nhỏ dẫn đến tiêu hủy tín hiệu chính ban đầu. Tín
hiệu bò mất có thể xảy ra khi sóng vô tuyến bò phản xạ từ bề mặt đất, đá,
hay các bề mặt răng cưa. Khi bò tán xạ theo dạng này, sẽ xảy ra tình trạng
suy giảm tín hiệu dẫn đến truyền thông gián đoạn và có thể dẫn đến mất
tín hiệu hoàn toàn.


16

-

Sự tán xạ có thể xảy ra khi tín hiệu đi qua môi trường truyền dẫn tỷ trọng
lớn, trong trường hợp này sóng bò phản xạ riêng lẻ trên từng phần tử.

Sự hấp thụ (Absorption):
Sự hấp thụ sóng xảy ra khi tín hiệu sóng gặp phải vật cản và bò hấp thụ do
chất liệu của vật cản nhưng sóng không đi qua cũng không bò phản xạ hay uốn
cong quanh đối tượng.
2.4 Các giải pháp đònh vò trong nhà
Hiện nay có nhiều phương pháp đònh vò, tùy thuộc vào từng lónh vực, ngành
nghề mà các hệ thống đònh vò được thiết kế sao cho phù hợp với đặc điểm của
từng phương pháp. Nhìn chung, các phương pháp đònh vò hiện nay được chia

thành các nhóm sau:
Hệ Thống Đònh Vò

Hồng Ngoại

Sóng Vô Tuyến

Siêu Âm

Phương pháp đo
khoảng cách

Fingerprinting

Phương pháp đo góc

TOA

AOA

TDOA

RSS

RSS Path Loss
Hình 2.1: Các nhóm phương pháp đònh vò

hay
DOA

17

Hồng ngoại, sóng vô tuyến, và siêu âm thanh là những công nghệ chính
được sử dụng cho các hệ thống đònh vò trong nhà. Các loại thiết bò cảm biến khác
nhau được dùng để phát hiện các tín hiệu điện từ, các tín hiệu này có đặc trưng
phụ thuộc vào từng vò trí. Một quá trình xử lý sẽ chuyển đổi các tín hiệu thành
một số liệu đo lường khoảng cách hoặc góc để xác đònh vò trí. Sau đó, các số liệu
đo lường được xử lý bởi một thuật toán đònh vò để ước tính vò trí của thiết bò.
Trong luận án này chúng ta chỉ nghiên cứu các nhóm giải pháp đònh vò dựa
trên sóng vô tuyến, đặc biệt là kỹ thuật Received Signal Strength Fingerprinting.
Đây là phương pháp được đánh giá là khả thi và tiết kiệm chi phí triển khai,
đồng thời cung cấp dòch vụ đònh vò hiệu quả, với sai số trong dự báo là chấp
nhận được. Hệ thống đònh vò trong nhà dựa trên kỹ thuật RSS Fingerprinting thật
sự là một giải pháp tiết kiệm và hiệu quả.
2.4.1 Giải pháp đònh vò dựa trên khoảng cách

2.4.1.1 Time of Arrival (TOA)
Đònh vò bằng phương pháp thời gian đến TOA đo thời gian tín hiệu vô tuyến
đi đến các thiết bò cảm biến. Điều này đòi hỏi phải biết thời gian tín hiệu vô
tuyến bắt đầu được truyền, và giả đònh rằng có sự đồng bộ hóa thời gian chặt
chẽ giữa thiết bò phát và thiết bò thu. Các tín hiệu có một số đặc tính riêng về tốc
độ, chẳng hạn như tốc độ trong không khí tại mực nước biển. Hạn chế chính của
phương pháp này là khó khăn trong việc ghi lại chính xác thời gian đến của tín
hiệu vô tuyến, vì tốc độ của chúng gần bằng tốc độ ánh sáng.
Phương pháp thời gian đến TOA dựa trên các phép đo chính xác về thời
gian đến của tín hiệu truyền từ các thiết bò phát đến các thiết bò thu. Bởi vì các
tín hiệu vô tuyến này được truyền đi với một vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng
(~300 mét mỗi micro giây), khoảng cách giữa các thiết bò phát và mỗi thiết bò
thu có thể được xác đònh bằng thời gian truyền tín hiệu giữa thiết bò phát và thiết