Nghiên cứu và đánh giá một số kỹ thuật xác định vị trí trong mạng cảm biến

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. 9
TÓM TẮT LUẬN VĂN .................................................................................................... 10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................ 13
1.1

Giới thiệu chung ................................................................................................... 13

1.2

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ............................................................ 13

1.3

Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu ......................................................................... 15

1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ........................................................ 16
1.5

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ......................................................... 17

1.6

Kết luận ................................................................................................................ 18

CHƯƠNG II: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY................................................................................................................................... 19
2.1

Các kỹ thuật xác định khoảng cách...................................................................... 19

2.1.1

Xác định khoảng cách dựa vào thời gian đến ............................................... 19

2.1.2

Xác định khoảng cách dựa vào sự sai khác thời gian đến............................. 20

2.1.3

Xác định khoảng cách dựa vào góc đến ....................................................... 21

2.1.4

Xác định khoảng cách dựa vào mức năng lượng tín hiệu ............................. 21

2.2

Định vị dựa vào khoảng cách (Range-based localization)................................... 22

2.2.1 Phương pháp tam giác ..................................................................................... 22
2.2.2

Phép đo 3 cạnh tam giác............................................................................... 23

2.2.3

Kỹ thuật lặp và Multilateration ..................................................................... 25

2.2.4

Định vị trên cơ sở GPS................................................................................. 26

2.3

Định vị không dựa vào khoảng cách (Range-free localization) .......................... 30

2.3.1

Hệ thống định vị Ad Hoc (APS) .................................................................. 30

2.3.2

Điểm ước tính trong tam giác ........................................................................ 32
1


2.3.3
2.4

Xác định vị trí dựa trên MDS( Multidimensional scaling) .......................... 33

Xác định vị trí theo sự kiện .................................................................................. 35

2.4.1

Phương pháp tiếp cận nguồn sáng................................................................ 35

2.4.2

Định vị đa trình tự (MSP) ............................................................................ 37

2.5

Xác định khoảng cách dựa vào ước lượng ........................................................... 38

2.5.1

Bayesian filtering .......................................................................................... 38

2.5.2

Extended Kalman Filter ............................................................................. 39

2.6

Kết luận ................................................................................................................... 40

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ MỤC TIÊU DÙNG PHƯƠNG PHÁP
LATERATION .................................................................................................................. 42
3.1

Tổng quan ............................................................................................................ 42

3.2

Yêu cầu ................................................................................................................ 43

3.3

VigilNet ................................................................................................................ 45

3.4

CTTA ................................................................................................................... 47

3.5

Lateration ............................................................................................................. 48

3.5.1

Mô hình đo lường cảm biến ......................................................................... 48

3.5.2

Xác định vị trí mục tiêu ................................................................................. 49

3.5.3

Thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc ................................................... 53

3.6

Kết luận ................................................................................................................ 57

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................... 58

4.1

Phát biểu bài toán ................................................................................................. 58

4.2

Giới thiệu chương trình mô phỏng OMNeT++ ................................................... 59

4.2.1

Mô hình mô phỏng trong OMNeT++ ........................................................... 60

4.2.2

Xây dựng và chạy thử mô hình mô phỏng .................................................... 62

4.3

Mô phỏng và cách đánh giá ................................................................................. 65

4.3.1

Cấu hình mô phỏng trên OMNeT++ ............................................................. 65

4.3.2

Phân tích kết quả mô phỏng .......................................................................... 67

4.4

Kết luận ................................................................................................................ 77

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN ................................................................................................ 79
2


PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 106

3


LỜI MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (WSNs) và các ứng dụng của nó đang phát triển một
cách nhanh chóng nhờ sự hội tụ các công nghệ khác nhau như truyền thông không dây,
các thuật toán xử lý dữ liệu, thiết bị tính toán, lưu trữ, và khả năng cảm biến. Mạng cảm
biến không dây thường bao gồm hàng trăm hoặc hàng ngàn các nút cảm biến, được triển
khai trong một khu vực cần quan sát. Việc thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến, đặc biệt
trong môi trường truyền thông không dây, đòi hỏi sự đồng bộ về mặt thời gian. Vấn đề
đồng bộ thời gian còn trở lên đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu thời gian
thực hoặc yêu cầu có sự kết hợp giữa dữ liệu thu thập được từ các nút cảm biến và thông
tin thời gian như các ứng dụng theo dõi mục tiêu (object tracking), giám sát
(surveillance), vv.
Trong luận văn này em xin giới thiệu khái quát về WSNs và các phương pháp định
vị thường dùng trong mạng. Đồng thời em xin giới thiệu khái quát về vấn đề xác định vị
trí trong WSNs và em đã lựa chọn tìm hiểu và mô phỏng phương pháp Lateration để xác
định vị trí.
Để có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những
kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong quá
trình học tập. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong

thời gian học tập này.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Quang Vinh, Viện Điện tử - Viên thông,
trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu
đề tài này. Thầy đã cho em nhiều lời khuyên quan trọng trong quá trình hoàn thành luận
văn.
Hà Nội, tháng 3 năm 2015
Sinh viên
Đào Minh Sang
4


Tên viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Nghĩa Tiếng Anh
Nghĩa Tiếng Việt

CH

Cluster Head

Nhóm trưởng

ToA

Time of Arrival

Thời gian đến

BS

Base Station

Trạm gốc

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

ARPEES

Adaptive Routing Protocol Giao thức định tuyến dựa
with Energy Efficiency and trên năng lượng và sự kiện
Event

Clustering

for cho mạng cảm biến không

Wireless Sensor Networks
LEACH

Low

Adaptive Giao thức định tuyến phân

Energy

Clustering Hierarchy
EMRP

cấp thích nghi
Meshed Giao thức định tuyến dựa

Energy-Awared

trên mức năng lượng

Routing Protocol
CTTA

A

Collaborative

Tracking

dây

Target Thuật

toán

phối

hợp

Algorithm tracking mục tiêu có xét

Energy đến giới hạn năng lượng

Considering
Constraint in WSNs

cho mạng cảm biến không
dây

PF

Particle Filter

Bộ lọc chất điểm

BF

Bayesian Filter

Bộ lọc Bayesian

KF

Kalman Filter

Bộ lọc Kalman

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

UKF

Unscented Kalman Filter

Bộ lọc Kalman không tập
trung

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

TDoA

Time Difference of Arrival

Sai khác thời gian đến

5


IFS

InterFrame Spacing

Khoảng cách niên khung

LIFS

Long InterFrame Spacing

Khoảng cách niên khung
dài

SIFS

Short InterFrame Spacing

Khoảng cách niên khung
ngắn

CCA

Clean Channel Assignment

Gán kênh

OMNeT++

Objective Modular Network Công cụ mô phỏng mạng
Testbed in C++

theo modul viết trên C++

AoA

Angle of Arrival

Góc đến

RSS

Received Signal Strength

Mức năng lượng tín hiệu
nhận được

RSSI

GNSS

Received Signal Strength

Chỉ số báo mức năng

Indicator

lượng tín hiệu nhận được

Global Navigation Satellite Hệ thống vệ tinh dẫn
đường toàn cầu

System
SPS

Standard Positioning Service Dịch vụ định vị tiêu chuẩn

PPS

Precise Positioning Service

Dịch vụ định vị chính xác

MDS

Multidimensional Scaling

Mở rộng quy mô đa chiều

MSP

Multi-Sequence Positioning

Định vị đa trình tự

PIT

Point In Triangulation

Điểm trong tam giác

APIT

Approximate
Triangulation

6

Point

In Điểm ước tính trong tam
giác


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1– Cấu trúc mạng cảm biến................................................................................... 14
Hình 2.2. So sánh các phương án khác nhau (một chiều ToA, hai chiều ToA, và TDoA). 19
Hình 2.3 Phương pháp tam giác (a) và phép đo 3 cạnh tam giác (b) ............................... 22
Hình 2.3 (a) Kỹ thuật lặp Multilateration và (b) hợp tác Multilateration. ....................... 26
Hình 2.4 Nguyên tắc định vị GPS ...................................................................................... 29
Hình 2.5 Ví dụ về xác định vị trí DV-hop. ......................................................................... 31
Hình 2.7 Ước tính dựa trên điểm giao nhau của tam giác neo. ........................................ 33
Hình 2.8 Ví dụ về các khả năng thử nghiệm APIT. .......................................................... 34
Hình 2.9 Các phương pháp xác định vị trí tiếp cận nguồn sáng(xem trên). ..................... 37
Hình 2.10 Khái niệm cơ bản của MSP. ............................................................................. 38
Hình 3.1 Hệ thống theo dõi mục tiêu ................................................................................. 44
Hình 3.2 Một ví dụ của hợp tác theo dõi và xác định vùng đánh thức sử dụng EKF ....... 48
Hình 3.3 Sử dụng 3 cảm biến để xác định vị trí mục tiêu.................................................. 50
Hình 3.4 Sử dụng nhiều cảm biến để xác định vị trí mục tiêu........................................... 52
Hình 3.5 Quá trình lựa chọn nút chuyển tiếp .................................................................... 54
Hình 3.6 Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP ..................................................... 55
Hình 4.1 Cấu trúc module NED ........................................................................................ 61
Hình 4.2 Mô hình mạng đang hoạt động của hệ thống ..................................................... 67
Hình 4.3 So sánh quỹ đạo thực của mục tiêu với quỹ đạo được ước lượng bằng
Lateration và EKF ............................................................................................................. 69
Hình 4.4 So sánh sai số ước lượng giữa 2 phương pháp Lateration và EKF ................... 70
Hình 4.5 Sai số giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo ước lượng khi khoảng thời gian lấy mẫu là

1s ........................................................................................................................................ 71
Hình 4.6 Biến thiên năng lượng trung bình theo thời gian ............................................... 72
Hình 4.7 Phân bố năng lượng giữa các nút sau thời gian 1300s...................................... 73
Hình 4.8 Độ trễ end-to-end ............................................................................................... 74
Hình 4.9 So sánh sự thay đổi độ trễ end-to-end khi thay đổi khoảng cảm biến ............... 74
Hình 4.10 Tỷ lệ mất mục tiêu khi thay đổi khoảng cảm biến ............................................ 75
7


Hình 4.11 Tỷ lệ mất mục tiêu khi vận tốc thay đổi ............................................................ 76
Hình 4.12 Thời gian sống của toàn mạng ......................................................................... 77

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Các tham số mô phỏng ..................................................................................... 92

9


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin cùng với
những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới ra đời
với chất lượng tốt và giá thành ngày càng thấp. Cùng với khả năng lắp đặt dễ dàng, dễ sử
dụng đã giúp mạng cảm biến không dây(WSNs) ngày càng phát triển mạnh mẽ trong
nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Mạng cũng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích
sử dụng, bằng cách thêm vào các thiết bị, modul mà không cần thao tác phức tạp. Mạng
cảm biến không dây có nhiều ứng dụng trong dân sự và quân sự đáng chú ý bao gồm

chăm sóc sức khỏe, theo dõi mục tiêu, giám sát, nhận thức tình huống trên chiến trường
và thăm dò không gian. Theo dõi mục tiêu hay bắt mục tiêu trong mạng cảm biến không
dây là một trong những ứng dụng quan trọng của mạng cảm biến không dây, trong đó các
bộ cảm biến theo dõi và báo cáo thông tin về vị trí mục tiêu tới trạm gốc. Hệ thống theo
dõi mục tiêu trong mạng cảm biến không dây thường gồm ba giai đoạn: (1) phát hiện
mục tiêu, (2) xác định vị trí mục tiêu, (3) thông báo và báo cáo kết quả về trạm gốc.
Trong giai đoạn đầu các nút cảm biến phát hiện được mục tiêu sẽ được kích hoạt để theo
dõi và thu thập thông tin liên quan đến vị trí của mục tiêu di động sử dụng tín hiệu âm
thanh, hình ảnh của mục tiêu. Những cảm cảm biến này sẽ tập hợp thành một nhóm và
bầu ra một nhóm trưởng. Các thành viên sẽ truyền thông tin về mục tiêu về nhóm trưởng
theo lịch TDMA được cấp. Ở giai đoạn hai, nhóm trưởng sử dụng các thuật toán ước
lượng để xác định vị trí của mục tiêu. Ở giai đoạn ba, nhóm trưởng sẽ thông báo sự xuất
hiện của mục tiêu để đánh thức trước những nút trong vùng mục tiêu có thể xuất hiện
giúp giảm độ trễ phát hiện mục tiêu và tăng chất lượng của hệ thống theo dõi. Cuối cùng
nhóm trưởng thực hiện quá trình truyền dữ liệu về trạm gốc sử dụng các giao thức định
tuyến. Để ước lượng quỹ đạo của mục tiêu di động, hệ thống phải cài đặt các giải thuật
cho phép ước lượng vị trí mục tiêu như Particle Filter (PF) [2,3], Bayesian filter (BF),
Kalman Filter (KF), Extended Kalman Filter (EKF), ... Tuy nhiên do đặc thù chung nên
khi hệ thống cài đặt những giải thuật này, độ chính xác phụ thuộc vào thông tin ước
lượng tại thời điểm trước. Do đó sau khi ước lượng phải quảng bá thông tin tới những
cảm biến sẽ tham gia theo dõi mục tiêu tại thời điểm tiếp theo. Điều này làm hệ thống
10


tiêu thụ nhiều năng lượng, cũng như làm giảm độ chính xác trong trường hợp không có
thông tin về mục tiêu tại thời điểm trước. Chính vì vậy, đề tài này em tập trung xây dựng
một hệ thống theo dõi mục tiêu mới trong thời gian thực với mục đích giải quyết những
hạn chế của các giải thuật trên, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ trong mạng và giảm thời
gian truyền dữ liệu về trạm gốc nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất theo dõi hợp lý.
Nội dung của luận văn được tổ chức như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
-

Đặc điểm, cấu trúc của mạng cảm biến không dây.

-

Các vấn đề định tuyến, xác định vị trí, bảo mật.

-

Tầm quan trọng của việc xác định vị trí.

Chương 2: Định vị trong mạng cảm biến không dây
-

Sử dụng các kỹ thuật để xác định vị trí như thời gian đến, góc đến, mức
năng lượng tín hiệu.

-

Các kỹ thuật dựa vào khoảng cách như phương pháp tam giác, kỹ thuật
lặp, Multilateration, GPS.

-

Các kỹ thuật không dựa vào khoảng cách như Ad Hoc, APIT, MDS và
MSP

-

Sử dụng phương pháp ước lượng BF và EKF.

-

Dựa vào những kiến thức trên sử dụng để định hình bài toán về phương
pháp Lateration

Chương 3: Hệ thống xác định vị trí mục tiêu dùng phương pháp Lateration
-

Đưa ra vấn đề xác định vị trí, các tiêu chí cần đạt được(thời gian, năng
lượng, độ tin cậy, độ chính xác).

-

Nêu ra phương pháp VigiNet và CTTA đã được sử dụng.

-

Phát biểu phương pháp Lateration và chứng minh bằng toán học là nó
hợp lý, có thể sử dụng được.

Chương4: Mô phỏng và đánh giá
11


-

Phát biểu bài toán.

-

Giới thiệu về OMNet++.

-

Sử dụng OMNet++ để giải quyết bài toán và đưa ra kết quả.

-

So sánh với các phương pháp đã được sử dụng.

Chương 5: Kết luận.
Do thời gian có hạn, đề tài nghiên cứu về một vấn đề mới do đó chắc chắn còn rất
nhiều thiết sót cần được sửa chữa và bổ sung. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ cùng
những ý kiến quý báu của các thầy cô và bạn bè để em tiếp tục hoàn thiện đề tài này.

12


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1

Giới thiệu chung
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng bao

gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn
nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và truyền thông với các thiết bị khác nhằm mục
đích hợp tác thu thập thông tin để đưa ra các thông số về môi trường, đối tượng và sự vật

mà mạng quan sát.
Các nút cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp
với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến. Các thành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ
vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn
năng lượng. Kích thước của các nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi
trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học,
chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị…để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các
phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao
tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến…đã tạo ra những cảm
biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm
tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
1.2

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây được phân bố trong một khu

vực như Hình 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữ liệu về
trạm gốc.

13


Hình 1.1– Cấu trúc mạng cảm biến
Dữ liệu cảm biến được tập hợp và định tuyến đến trạm gốc bởi một cấu trúc đa
điểm. Trạm gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.
Trạm gốc là một thiết bị có nhiệm vụ yêu cầu, tổng hợp, xử lý thông tin từ các nút
cảm biến. Trạm gốc có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài

mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực như máy tính xách tay tương tác
với mạng cảm biến, hoặc một cầu nối để nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà
các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng.
Mạng cảm biến có đặc điểm rất khác so với mạng truyền thống. Một số đặc điểm
nổi bật cần lưu ý đến trong quá trình nghiên cứu mạng cảm biến:
 Dễ triển khai.
 Môi trường hoạt động thường là các khu vực đặc biệt như khu vực địa hình hiểm
trở, khu vực ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với môi trường… do đó lỗi vật lý hay việc
hết năng lượng có khả năng xuất hiện trên các nút mạng.
 Số lượng cảm biến trong mạng là rất lớn có thể tới hàng trăm hàng nghìn, vì vậy
hệ thống cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút mạng phân bố trên
một diện tích rộng.
 Mạng cảm biến có khả năng tự cấu hình lại các liên kết khi xảy ra lỗi hay khi vị trí
các nút mạng thay đổi và hoạt động không cần sự giám sát của con người.
14


 Các nút cảm biến có tính chất vật lý đồng nhất, kích thước nhỏ, khoảng cách
truyền tín hiệu giới hạn, mức năng lượng thấp, hoạt động độc lập…
 Mạng cảm biến thường được cài đặt trên các khu vực địa hình hiểm trở, khu vực ô
nhiễm, khu vực quân sự, … do đó khả năng bảo trì và sửa chữa bị hạn chế.
 Giao tiếp trong mạng cảm biến là giao tiếp không dây, do đó các vấn đề truyền
dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cách truyền, độ suy hao tín hiệu, năng lượng truyền
dẫn…
 Năng lượng của các nút cảm biến là yếu tố được quan tâm hàng đầu trong hoạt
động cảm biến và truyền dữ liệu do nó ảnh hưởng đến thời gian sống toàn mạng.

1.3

Quá trình phối hợp xử lý tín hiệu

Năng lượng tiêu thụ là một vấn đề quan trọng của mạng cảm biến không dây.

Năng lượng hạn chế được lưu trữ tại mỗi nút phải hỗ trợ nhiều chức năng, bao gồm hoạt
động cảm biến, quá trình xử lý tín hiệu và truyền thông với các nút hàng xóm. Vì vậy
phải xem xét những phương thức sử dụng năng lượng hiệu quả của các cảm biến, giảm
tốc độ lấy mẫu, các giải thuật giảm năng lượng quá trình xử lý tín hiệu và các giao thức
truyền thông hiệu quả để trao đổi thông tin giữa các nút. Để tạo điều kiện thuận lợi cho
việc giám sát của các cảm biến, bao gồm phát hiện, phân loại, xác định và theo dõi mục
tiêu, thông tin tổng thể trong cả không gian và thời gian phải được thu thập và phân tích
trên một vùng không gian và thời gian xác định. Tuy nhiên cá nhân các nút chỉ cung cấp
thông tin không gian cục bộ. Hơn nữa, do giới hạn về năng lượng, thời gian xử lý chỉ khả
thi trong thời gian hạn chế. Điều này đòi hỏi phải phối hợp xử lý tín hiệu, hợp tác giữa
các nút để xử lý dữ liệu. Một giải thuật phối hợp xử lý tín hiệu phải có những ưu điểm
sau đây:


Xử lý phân tán: Những tín hiệu chưa xử lý được lấy mẫu và xử lý tại mỗi nút
nhưng không trực tiếp truyền thông qua các kênh không dây. Thay vào đó, mỗi
nút sẽ lọc ra các số liệu thống kê tóm tắt từ tín hiệu gốc, thường có kích thước

15


nhỏ hơn. Các số liệu thống kê tóm tắt được lưu cục bộ tại riêng mỗi nút và có thể
được truyền tới các nút khác theo yêu cầu.


Định hướng mục tiêu dựa trên nhu cầu xử lý: Để bảo tồn năng lượng, mỗi nút
chỉ thực hiện xử lý tín hiệu liên quan đến vận hành truy vấn. Trong sự vắng mặt
của một truy vấn, mỗi nút chuyển sang chế độ chờ để giảm thiểu năng lượng tiêu

thụ. Tương tự như vậy, một nút cảm biến không tự động quảng bá thông tin đã
rút gọn; nó sẽ chuyển tiếp thông tin khi cần thiết.



Tập hợp thông tin: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các gói
tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp cho số lượng các giao
tiếp có thể giảm xuống.



Xử lý độ chính xác cao: Tùy thuộc vào tính chuất của các truy vấn, môt số
nhiệm vụ của quá trình xử lý tập trung có thể yêu cầu độ chính xác không gian
cao hơn liên quan đến lấy mẫu tốt hơn của nút cảm biến hay độ chính xác thời
gian cao hơn dựa vào tốc độ lấy mẫu cao hơn. Quá trình xử lý không gian-thời
gian với độ chính xác cao sử dụng Wavelets có thể được khai thác hiệu quả trong
ngữ cảnh này.

1.4 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Một trong những nhiệm vụ quan trọng của hệ thống theo dõi mục tiêu trong WSNs
nhằm không mất thông tin mục tiêu là việc truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng
lượng hoạt động hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng
công nghệ quản lý năng lượng linh hoạt. Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng
cảm biến chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra. Các thách thức này cần phải vượt qua
trước khi có thể đạt được một mạng lưới truyền thông hiệu quả trong mạng cảm biến.
Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có ảnh hưởng tới quá trình định tuyến trong
mạng cảm biến:


Sự phân bố các nút mạng



Định tuyến chính xác khi mức năng lượng giảm thấp



Mô hình báo cáo dữ liệu: theo thời gian, theo sự kiện, theo truy vấn hay lai hóa.
16




Tính không đồng nhất giữa nút và liên kết.



Tính chịu lỗi.



Khả năng thích ứng với số lượng nút lớn.



Thiết bị truyền tải.



Chất lượng dịch vụ: đảm bảo dữ liệu cần được chuyển tới trong một khoảng thời

gian xác định kể từ khi thu nhận được nếu không dữ liệu đó sẽ là vô nghĩa. Do
vậy độ trễ giới hạn cho việc truyền tải dữ liệu có thể trở thành một tham số trong
bài toán theo dõi mục tiêu.
Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.5

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát triển
mạnh mẽ và có nhiều ứng cho thực tế:
 Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên tử và
sinh hóa, ...
 Môi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt, ...
 Y tế, sức khỏe: giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từ xa,
...
 Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm,...
 Thương mại: điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phòng, giám sát xe
cộ, giao thông, ...
Một trong những ứng dụng quan trọng được đầu tư nghiên cứu và phát triển
trong thời gian gần đây là ứng dụng theo dõi mục tiêu di chuyển.
 Quân sự: giám sát chiến trường, theo dõi phương tiện địch, phát hiện tấn công
khủng bố
 Dân sự: giám sát giao thông, điều khiển giao thông trên không, theo dõi sự di
chuyển của động vật hoang dã.

17


1.6

Kết luận

Trong chương I chúng ta đã đi qua về các định nghĩa, khái niệm cơ bản của
mạng cảm biến không dây. Hiểu về sơ đồ mạng, các thành phần cơ bản cấu thành
mạng, các giao thức truy nhập, định tuyến. Đây là những kiên thức chung tạo tiền
đề cho chương II sẽ bắt đầu đi sâu vào tìm hiểu vấn đề xác định vị trí trong mạng.

18


CHƯƠNG II: MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
2.1

Các kỹ thuật xác định khoảng cách
Nền tảng của nhiều kỹ thuật định vị là việc ước lượng khoảng cách vật lý giữa hai

nút cảm biến. Các ước tính này thu được thông qua các phép đo một số đặc tính giữa các
tín hiệu trao đổi của các bộ cảm biến, bao gồm thời gian truyền tín hiệu, độ mạnh tín
hiệu, hoặc góc đến.
2.1.1 Xác định khoảng cách dựa vào thời gian đến
Khái niệm phương pháp thời gian đến (TOA) (còn gọi là phương pháp thời gian
bay) là khoảng cách giữa bên gửi và bên nhận của một tín hiệu, có thể được xác định
bằng cách sử dụng thời gian truyền tín hiệu đo được và vận tốc tín hiệu được biết đến. Ví
dụ, các sóng âm thanh đi 343m/s ( ở 20 độ C), do đó một tín hiệu âm thanh mất khoảng
30 ms để đi đến một khoảng cách 10m. Ngược lại, một tín hiệu vô tuyến truyền đi với tốc
độ của ánh sáng (khoảng 300 km/s), do đó các tín hiệu gửi đi chỉ mất khoảng 30 ns để đi
được 10m. Sự khác biệt giữa thời gian gửi và thời gian đến của tín hiệu (Hình 2.2 (a)) đòi
hỏi phải đồng bộ hóa chính xác cao các bộ đếm thời gian của bên gửi và bên nhận. Bằng
phép đo một chiều, khoảng cách giữa hai nút i và j có thể được xác định như sau:
𝑑𝑖𝑠𝑡𝑖𝑗 = (𝑡2 − 𝑡1 ) 𝑥 𝑣

Hình 2.2. So sánh các phương án khác nhau (một chiều ToA, hai chiều
ToA, và TDoA).
19

(2.1)


Khi 𝑡1 và 𝑡2 là thời gian gửi và thời gian nhận của tín hiệu (đo tại nút gửi và nút
nhận tương ứng) và v là vận tốc tín hiệu. Tương tự, với cách tiếp cận hai chiều, khoảng
cách được tính như sau:
𝑑𝑖𝑠𝑡𝑖𝑗 =

(𝑡4 −𝑡1 )−(𝑡3 −𝑡2 )
2

𝑥𝑣

(2.2)

Khi 𝑡3 và 𝑡4 là thời gian gửi và nhận của tín hiệu phản hồi. Lưu ý rằng với việc
xác định vị trí một chiều nút nhận sẽ tính toán được vị trí của nó, trong khi ở cách tiếp
cận hai chiều nút gửi tính toán vị trí của nút nhận. Vì vậy, một tin nhắn thứ ba sẽ là cần
thiết trong cách tiếp cận hai chiều để thông báo cho nút nhận về vị trí của nó.
2.1.2 Xác định khoảng cách dựa vào sự sai khác thời gian đến
Sự sai khác thời gian đến (TDoA) là phương pháp sử dụng hai tín hiệu đi với vận
tốc khác nhau (Hình 2.2 (c)). Nút nhận sau đó có thể xác định vị trí tương tự như phương
pháp tiếp cận ToA. Ví dụ, tín hiệu đầu tiên fi có thể là một tín hiệu vô tuyến (bắt đầu tại
thời điểm 𝑡1 và nhận được tại 𝑡2 ), tiếp theo là một tín hiệu âm thanh (ngay lập tức hoặc
sau một khoảng thời gian cố định 𝑡𝑤𝑎𝑖𝑡 = 𝑡3 - 𝑡1 ). Vì vậy, người nhận có thể xác định
khoảng cách như sau:

𝑑𝑖𝑠𝑡 = (𝑣1 − 𝑣2 ) 𝑥 (𝑡4 − 𝑡2 − 𝑡𝑤𝑎𝑖𝑡 )

(2.3)

Phương pháp tiếp cận dựa trên TDoA không yêu cầu các bộ đếm thời gian của
người gửi và người nhận phải được đồng bộ và có thể có được các phép đo rất chính xác.
Những bất lợi của phương pháp tiếp cận TDoA là sự cần thiết bổ sung phần cứng, ví dụ
một microphone và speaker cho ví dụ trên.
Một biến thể của phương pháp này sử dụng các phép đo TDoA của một tín hiệu
duy nhất để ước tính vị trí của nút gửi sử dụng nhiều máy thu với các điểm chủ chốt. Các
sóng truyền trễ cho các tín hiệu đến người nhận phụ thuộc vào khoảng cách giữa nút gửi
và nút nhận nó. Sau đó phân tích mối tương quan có thể cung cấp một thời gian trễ δ = di

20


- dj tương ứng với sự khác biệt về chiều dài đường dẫn đến thu i và j. Nhược điểm chính
của phương pháp này là các bộ đếm thời gian của nút nhận phải được đồng bộ chặt chẽ.
2.1.3

Xác định khoảng cách dựa vào góc đến

Một kỹ thuật nữa cũng được sử dụng cho việc xác định vị trí là xác định hướng
truyền tín hiệu, thường sử dụng một phần của ăng-ten hoặc micro. Sau đó góc đến (AoA)
sẽ là góc giữa hướng truyền và một số hướng đi chuẩn được gọi là định hướng. Ví dụ, để
đo âm thanh, một số micro tách biệt không gian được sử dụng để nhận được một tín hiệu
duy nhất và có sự khác biệt trong thời gian đến, biên độ và được sử dụng để ước tính xác
định góc đến, do đó có thể được sử dụng để xác định vị trí của một nút. Trong đó phần
cứng thích hợp có thể có đo được chính xác trong vòng một vài độ.
2.1.4 Xác định khoảng cách dựa vào mức năng lượng tín hiệu

Mức năng lượng tín hiệu nhận được (RSS) là phương pháp dùng một tín hiệu phân
rã với quãng đường đi. Một đặc điểm thường thấy trong các thiết bị không dây là một chỉ
số báo mức năng lượng tín hiệu nhận được (RSSI), có thể được sử dụng để đo biên độ
của tín hiệu vô tuyến đến. Nhiều trình điều khiển card mạng không dây dễ dàng xuất ra
các giá trị RSSI, nhưng ý nghĩa của chúng có thể khác do các nhà cung cấp khác nhau và
không có mối quan hệ giữa các giá trị RSSI và các mức công suất tín hiệu. Thông
thường, giá trị RSSI nằm trong khoảng từ 0 ... RSSI Max, những giá trị chung cho RSSI
Max r 100, 128, và 256. Cụ thể hơn, phương trình truyền Friis thể hiện tỷ số giữa công
suất thu được Pr để truyền Pt như sau:
𝑃𝑟
𝑃𝑡

= 𝐺𝑡 𝐺𝑟

𝜋2
(4𝜋)2 𝑅2

(2.4)

Lúc Gt đạt được giá trị của ăng ten phát và Gr đạt được giá trị của ăng ten tiếp
nhận. Tuy nhiên trong thực tế, sự suy giảm thực tế phụ thuộc vào hiệu ứng đa lan truyền,
nhiễu vv.., do đó một mô hình thực tế hơn thay thế R2 trong phương trình (2.4) với R-n
với n thường trong khoảng từ 3 đến 5.

21


2.2

Định vị dựa vào khoảng cách (Range-based localization)

2.2.1 Phương pháp tam giác
Phương pháp tam giác sử dụng các tính chất hình học của hình tam giác để ước

tính vị trí cảm biến. Cụ thể, phương pháp tam giác dựa vào việc thu thập các góc (hoặc
góc phương vị) đo được như mô tả trong phần trước. Có ít nhất hai đường góc phương vị
(vị trí của các nút neo hoặc khoảng cách giữa chúng) cần thiết để xác định vị trí của một
nút cảm biến trong không gian hai chiều. Hình 2.3 (a) minh họa các khái niệm về phương
pháp tam giác bằng cách sử dụng ba nút neo với các điểm đã biết (xi, yi) và góc đo αi (thể
hiện một đường cơ sở cổ định trong hệ thống phối hợp, ví dụ các đường thẳng đứng
trong hình). Nếu có nhiều hơn hai góc phương vị được xác định, sự xuất hiện của nhiễu
trong các phép đo có thể ngăn cản chúng nó giao nhau tại một điểm duy nhất. Vì vậy các
thuật toán thống kê hoặc các phương pháp cố định đã được phát triển để có được một
điểm giao duy nhất [18].

Hình 2.3 Phương pháp tam giác (a) và phép đo 3 cạnh tam giác (b)
Giả sử rằng vị trí máy thu không rõ là Xr = [xr, yr] T, các phép đo mang từ N nút
neo được thể hiện như β = [β1, ..., βN] T, và các địa điểm neo được biết đến là Xi = [xi, yi
]T. Các góc phương vị đo phản lại không hoàn hảo, thực tế góc phương vị θ(x) = [θ1(x),
..., θN(x)] N do một số nhiễu, mối quan hệ giữa phương vị đo và thực tế là:
22


β = θ(xr) + δθ

(2.5)

Khi δθ = [δθ1, ..., δθN]N là nhiễu Gauss có trị trung bình và N × N ma trận hiệp
phương sai S = diag (σ12, ..., σN2)[19]. Trong không gian hai chiều, mối quan hệ giữa các
góc phương vị giữ N và vị trí của nó có thể được thể hiện như sau:
𝑡𝑎𝑛𝜃𝑖 (𝑥) =

𝑦𝑖 −𝑦𝑟

(2.6)

𝑥𝑖 −𝑥𝑟

Phương pháp sử dụng các thống kê khác nhau đã được áp dụng để ước tính vị trí
của cảm biến. Ví dụ, khả năng tối đa ước tính vị trí máy thu là:
1

1

2

2

𝑥̂𝑟 = arg min [𝜃(𝑥̂𝑟 ) − 𝛽]𝑇 𝑆 −1 [𝜃(𝑥̂𝑟 ) − 𝛽] = arg min ∑𝑁
𝑖=1

(𝜃(𝑥̂𝑟 )−𝛽𝑖 )2
𝜎𝑖2

(2.7)

Có thể giảm thiểu được ma trận vuông tuyến tính, bằng cách thực hiện NewtonGauss lặp đi lặp lại:
𝑥̂𝑟,𝑖+1 = 𝑥̂𝑟,𝑖 + (𝜃𝑥 (𝑥̂𝑟,𝑖 )𝑇 𝑆 −1 𝜃𝑥 (𝑥̂𝑟,𝑖 ))−1 (𝜃𝑥 (𝑥̂𝑟,𝑖 )𝑇 𝑆 −1 [𝛽 − 𝜃𝑥 𝑥̂𝑟,𝑖 ]

(2.8)

Khi 𝜃𝑥 (𝑥̂𝑟,𝑖 ) là đạo hàm một phần của θ đối với x đánh giá tại 𝜃𝑥 (𝑥̂𝑟,𝑖 ) câu hỏi với
(2.9) đòi hỏi một ước tính ban đầu (ví dụ, thông tin thu được từ trước) là đủ gần đến mức
tối thiểu của hàm cost.
2.2.2

Phép đo 3 cạnh tam giác
Phép đo 3 cạnh tam giác đề cập đến quá trình tính toán vị trí của một nút dựa trên

khoảng cách đo giữa bản thân và một số điểm neo đã biết. Căn cứ vào vị trí của một neo
và khoảng cách của nút cảm biến đến neo (ví dụ, ước tính thông qua các phép đo RSS),
có nghĩa là bên gửi phải được đặt ở đâu đó dọc theo chu vi của một vòng tròn trung tâm
tại vị trí của neo với một bán kính bằng khoảng cách với nút neo. Trong không gian hai
chiều, đo khoảng cách từ ít nhất ba nút neo không đồng phẳng được yêu cầu để có được
một vị trí hợp lý (ví dụ, các giao điểm của ba vòng tròn). Hình 2.3 (b) minh họa một ví dụ
cho trường hợp hai chiều. Trong ba chiều, đo khoảng cách cần được yêu cầu ít nhất là
bốn neo không đồng phẳng.
23


Giả sử rằng vị trí của các nút neo n được cho là Xi = (xi, yi) (i = 1 ... n) và khoảng
cách giữa một vị trí cảm biến không rõ X = (x, y) và các nút neo cũng được biết đến (ri, i
= 1 ... n). Từ đây dẫn đến một ma trận thể hiện các mối quan hệ:
(𝑥1 − 𝑥)2 + (𝑦1 − 𝑦)2
𝑟12
(𝑥2 − 𝑥)2 + (𝑦2 − 𝑦)2
𝑟22
= .
.
..
.

2
2
[(𝑥𝑛 − 𝑥) + (𝑦𝑛 − 𝑦) ] [𝑟𝑛2 ]

(2.9)

Trong khi ví dụ đưa ra ở đây là hai chiều, quá trình này có thể được sử dụng cho
định vị trong hơn hai chiều bằng cách tăng kích thước ma trận. Sau khi sắp xếp lại một số
và trừ đi các phương trình ma trận, cuối cùng ta có dạng tổng quát:
Ax= b

(2.10)

với hệ số ma trận:

𝐴=

2(𝑥𝑛 − 𝑥1 )
2(𝑥𝑛 − 𝑥2 )
[2(𝑥𝑛 − 𝑥𝑛−1 )

.
..

2(𝑦𝑛 −𝑦1 )
2(𝑦𝑛 −𝑦2 )
(2.11)
2(𝑦𝑛 −𝑦𝑛−1 )]

và vector bên phải

𝑟12 − 𝑟𝑛2 − 𝑥12 − 𝑦12 + 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2
𝑟22 − 𝑟𝑛2 − 𝑥22 − 𝑦22 + 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2
𝑏=
.
..
2
2
2
2
[𝑟𝑛−1 − 𝑟𝑛 − 𝑥𝑛−1 − 𝑦𝑛−1
+ 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2 ]

(2.12)

Hệ phương tối thiểu này có thể được sử dụng để ước tính của vị trí (x,y) sử dụng:
X = (𝐴𝑇 𝐴)−1 𝐴𝑇 𝑏

(2.13)

24


Vị trí nút neo và các phép đo khoảng cách ít khi hoàn hảo, do đó nếu các vị trí và
khoảng cách này được dựa trên phân phối Gaussian, mỗi phương trình i có thể có một
lượng:
2
2
𝑤𝑖 = 1/√𝜎𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
+ 𝜎𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑖

𝑖

(2.14)

2
khi khoảng cách 𝜎𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
là phương sai của phép đo khoảng cách giữa x, neo i và
𝑖
2
2
2
𝜎𝑝𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛
= 𝜎𝑥𝑖
+ 𝜎𝑦𝑖
. Bình phương ma trận tối thiểu Ax = b với
𝑖

𝐴=

2(𝑥𝑛 − 𝑥1 ) 𝑤1
2(𝑥𝑛 − 𝑥2 ) 𝑤2
[2(𝑥𝑛 − 𝑥𝑛−1 )𝑤𝑛−1

.
..

2(𝑦𝑛 −𝑦1 ) 𝑤1
2(𝑦𝑛 −𝑦2 ) 𝑤2
(2.15)
2(𝑦𝑛 −𝑦𝑛−1 )𝑤𝑛−1 ]

và
(𝑟12 − 𝑟𝑛2 − 𝑥12 − 𝑦12 + 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2 )𝑤1
(𝑟22 − 𝑟𝑛2 − 𝑥22 − 𝑦22 + 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2 )𝑤2
𝑏=
.
..
2
2
2
2
[(𝑟𝑛−1 − 𝑟𝑛 − 𝑥𝑛−1 − 𝑦𝑛−1
+ 𝑥𝑛2 + 𝑦𝑛2 )𝑤𝑛−1 ]

(2.16)

Ma trận hiệp phương sai của x được cho bởi 𝐶𝑜𝑣𝑥 = (𝐴𝑇 𝐴)−1
2.2.3 Kỹ thuật lặp và Multilateration
Trong khi kỹ thuật định vị ở trên phụ thuộc vào sự hiện diện của ít nhất ba nút neo
đến vị trí một nút thứ tư chưa xác định, kỹ thuật này cho phép mạng mở rộng để xác định
vị trí của các nút mà không cần ba nút neo lân cận. Khi một nút đã xác định vị trí của nó
bằng cách sử dụng thông điệp dẫn đường từ các nút neo, nó trở thành một neo và phát
sóng thông điệp dẫn đường có vị trí ước tính của nó đến các nút lân cận. Quá trình này
lặp đi lặp lại Multilateration [20] lặp cho đến khi tất cả các nút trong một mạng lưới đã
được xác định vị trí. Hình 2.4 (a) hình dung quá trình này: trong phiên đầu tiên, nút màu
xám ước tính vị trí của mình với sự giúp đỡ của ba nút neo màu đen và trong phiên thứ
25