Định vị trong xây dựng các tòa nhà cao tầng

1

Mục Lục
Chương 1: Giới thiệu và đặt vấn đề...................................................3
1.1 Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài.............................................3
1.2 Mục tiêu đề tài...............................................................................5
1.3 Phạm vi của đề tài.........................................................................7
1.4 Cấu trúc của luận văn.................................................................8
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.....................................................................10
2.1 Sự phát triển của mạng không dây.........................................11
2.2 Tổng quan về mạng không dây..................................................12
2.3 Đặc điểm sóng vô tuyến...........................................................16
2.4 Các giải pháp đònh vò trong nhà................................................20
2.4.1 Giải pháp đònh vò dựa trên khoảng cách..........................22
2.4.2 Giải pháp đònh vò dựa trên góc đến.................................34
2.4.3 Giải pháp đònh vò dựa trên Fingerprinting............................36
2.5 Các loại thuật toán đònh vò áp dụng cho giải pháp
Fingerprinting...........................................................................................39
2.5.1 Phương pháp K-Nearest Neighbor...............................................39
2.5.2 Phương pháp dựa trên xác suất...........................................41
2.5.3 Phương pháp Neural Network.....................................................44
2.5.4 Phương pháp Support Vector Machine.......................................46
2.6 Các hệ thống đònh vò sử dụng WLAN RSS Fingerprinting hiện
nay...........................................................................................................48
2.7 Thách thức trong việc triển khai hệ thống WLAN RSS
Fingerprinting...........................................................................................49
Chương 3: Giải pháp đònh vò dựa trên kỹ thuật WLAN RSS
Fingerprinting..............................................................................................51
3.1 WLAN RSS Fingerprinting....................................................................51
3.1.1 Kiến trúc...................................................................................51
3.1.2 Mô tả........................................................................................54

3.2 Các giai đoạn chính trong kiến trúc của RSS Wlan Fingerprinting
.................................................................................................................55
3.2.1 Giai đoạn huấn luyện..............................................................55
3.2.2 Giai đoạn hoạt động đònh vò...................................................65
3.3.1 Thuật toán Nearest Neighbor...................................................66
3.3.2 Thuật toán K-Nearest Neighbor................................................69


2

3.3.3 Thuật toán K-Maximum LikeliHood Neighbor............................70
3.3.4 Thuật toán cải tiến K-Maximum LikeliHood Constraint Tracking
Neighbor...............................................................................................73
Chương 4: Triển khai và đánh giá hệ thống đònh vò........................76
4.1 Xây dựng chương trình mô phỏng................................................77
4.1.1 Mục tiêu.....................................................................................77
4.1.2 Mô tả........................................................................................78
4.1.2.1 Xây dựng bản đồ giả lập..............................................78
4.1.2.2 Xây dựng bộ dữ liệu RSS Fingerprinting........................79
4.1.2.3 Phương pháp Box–Muller sinh mẫu phân phối chuẩn
ngẫu nhiên.....................................................................................80
4.1.3 Phương pháp đánh giá...........................................................82
4.1.4 Đánh giá kết quả và phân tích.........................................83
4.2 Triển khai hệ thống đònh vò.........................................................92
4.2.1 Mục tiêu.....................................................................................92
4.2.2 Mô tả........................................................................................92
4.2.2.1 Triển khai các thiết bò, cơ sở hạ tầng..........................92
4.2.2.2 Cài đặt webservice cung cấp dòch vụ đònh vò trên IPS
Server................................................................................................93
4.2.2.3 Triển khai cài đặt chương trình đònh vò trên laptop.......96

4.2.2.4 Triển khai cài đặt chương trình đònh vò trên Iphone......99
4.2.3 Phương pháp đánh giá.........................................................101
4.2.4 Đánh giá kết quả và phân tích.......................................102
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển........................................117


3

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


4

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.
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


5

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 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 KMaximum Likelihood Neighbor (KMLN) trong đònh vò
trong nhà.


6

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.

-

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.


7

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


8

-

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


9

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.
-

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.


10

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 đoạn 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


11

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.


12

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 thức chuẩn, nhưng
không cần kết nối vật lý hay chính xác là không cần
sử dụng 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).


13

- 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.
- 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
802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

Năm phê Tháng
7/1999
chuẩn

Tháng
7/1999

Tháng
6/2003

Tháng
9/2009

Tốc độ
tối đa

11Mbps

54Mbps

300Mbps

hay cao hơn

Dải
tần 5GHz
số
trung
tần (RF)

2,4GHZ

2,4GHZ

2,4GHz hay
5GHz

Độ rộng
băng
thông

20MHz

20MHz

20 MHz hay
40 MHz

Ưu điểm:

54Mbps

20MHz


14

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.
- 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.


15

- 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).
- 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.


16

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.
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


17

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 sóng 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


18

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 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


19

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.
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


20

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.

-

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


21

từng phương pháp. Nhìn chung, các phương pháp đònh vò

hiện nay được chia thành các nhóm sau:
Hệ Thống Đònh
Vò

Hồng
Ngoại

Phương pháp đo
khoảng
cách

Sóng Vô
Tuyến

Fingerprinting

TOA
TDOA
RSS Path
Loss

RSS

Siêu
Âm

Phương
pháp đo
góc

AOA
hay
DOA

Hình 2.1: Các nhóm phương pháp đònh vò
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


22

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


23

bò thu. Kỹ thuật TOA cần thông tin chính xác của thời gian
bắt đầu truyền tín hiệu và phải đảm bảo rằng tất cả
các thiết bò phát sóng cũng như các thiết bò thu
sóng được đồng bộ hóa một cách chính xác với một
nguồn thời gian chính xác.
Từ các thông tin về tốc độ lan truyền và thời gian đo,
chúng ta có thể tính
toán khoảng cách (D) giữa các thiết bò phát sóng
và các thiết bò thu sóng:
(2.1) Trong đó:
•

D: khoảng cách (m)

•

C: tốc độ lan truyền (~300 m/ micro giây)

•

T: thời gian truyền
Trong công thức trên, khoảng cách được sử dụng như

một bán kính của một vòng tròn có tâm là vò trí của
thiết bò phát sóng, vò trí của thiết bò di động cần xác
đònh nằm trên vòng tròn có bán kính D này. Nếu chỉ
có thông tin TOA từ hai bộ thiết bò cảm biến thì có thể
dự đoán được tới hai điểm đối xứng mà tại 2 vò trí đó
đều có thể là vò trí của thiết bò di động. Để giải quyết
vấn đề này ta sử dụng thêm một thiết bò cảm biến
thứ 3, thông tin TOA từ thiết bò phát này kết hợp với
thông tin từ 2 thiết bò cảm biến kia cho phép xác đònh
duy nhất một vò trí của thiết bò di động cần đònh vò, do
đó cải thiện độ chính xác cho phương pháp TOA.


24

X
D2

A

B

D1

X2

Hình 2.2: Phương pháp TOA với 2 thiết bò phát sóng
Hình 2.2 trên minh họa khái niệm TOA sử dụng 2 thiết
bò phát sóng vô tuyến. Với mô hình này ta xác đònh
được đến 2 vò trí X1 và X2 là vò trí của thiết bò di động
cần đònh vò. Để xác đònh duy nhất 1 vò trí của thiết bò di
động, chúng ta cần thêm 1 thiết bò phát sóng thứ 3.

D2

A

B

D1
X
C

D3

Hình 2.3: Phương pháp TOA với 3 thiết bò phát sóng
Hình 2.3 minh họa khái niệm của TOA sử dụng 3 thiết
bò thu sóng vô tuyến. Khoảng thời gian cần để sóng vô
tuyến truyền từ thiết bò di động X đi đến các thiết bò


25

thu sóng A, B, và C được đo chính xác như tA, tB và tC. Với

một vận tốc

truyền sóng được biết trước (~300

m/microsecond), khoảng cách từ thiết bò điện thoại di
động đến mỗi thiết bò thu sóng là D 1, D2, và D3. Mỗi giá
trò khoảng cách được sử dụng làm bán kính để xây dựng
một đường tròn có tâm là vò trí của thiết bò thu sóng
tương ứng. Mỗi thiết bò phát dự báo thiết bò di động đang
nằm trong phạm vi đường tròn của nó. Giao điểm của ba
vòng tròn này xác đònh vò trí của thiết bò di động X như
minh họa trong hình 2.3. Trong một số
trường hợp, có thể có nhiều hơn một dự báo vò trí cho
thiết bò di động X, ngay cả khi sử dụng ba thiết bò cảm
biến để thực hiện phép đo tri-lateration. Trong những
trường hợp này, sử dụng bốn hoặc nhiều hơn các cảm
biến nhận được để thực
hiện TOA Multi-lateration.
Kỹ thuật TOA có khả năng giải quyết các bài toán
đònh vò trong không gian 2 chiều cũng như trong không gian
3 chiều. Giải pháp đònh vò trong không gian 3 chiều có
thể được thực hiện bằng cách xây dựng mô hình hình
cầu thay vì mô hình đường tròn.
Nhược điểm:
-

Một nhược điểm của các phương pháp tiếp cận TOA
là yêu cầu phải đồng bộ hóa thời gian chính xác
tất cả các thiết bò, đặc biệt là các thiết bò di
động (có thể là một thách thức khó khăn đối với

một số thiết bò không dây chuẩn 802.11 của người
dùng). Với tốc độ truyền cao, sự khác biệt rất nhỏ
trong quá trình đồng bộ hóa thời gian có thể gây ra