Nghiên cứu các phương pháp định vị trong manet cải tiến phương pháp dv hop

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

ĐỖ NGUYỄN MINH TUẤN

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐỊNH VỊ TRONG MANET - CẢI TIẾN
PHƯƠNG PHÁP DV-HOP
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014


1

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Minh Hoàng .....................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
...............................................................................................................
...............................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày . . . . . tháng . . . . năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

……………………………

……………………………


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Nguyễn Minh Tuấn

MSHV: 12140055

Ngày, tháng, năm sinh: 30/01/1989

Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 605270

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ TRONG MANET - CẢI TIẾN
PHƯƠNG PHÁP DV-HOP”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Minh Hoàng

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

……………………………….

……………………………….

TRƯỞNG KHOA

……………………………….


3

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi đến Thầy, TS. Nguyễn Minh Hồng lời cảm ơn chân thành.
Nhờ có sự hướng dẫn của Thầy trong suốt thời gian qua, em đã có thể thực hiện hồn
thành Luận Văn Tốt Nghiệp. Những lời nhận xét, góp ý và hướng dẫn tận tình của
Thầy đã giúp em có một định hướng đúng đắn trong suốt quá trình thực hiện Đề tài,
giúp em nhìn nhận được những ưu và khuyết điểm của Đề tài và từng bước hoàn thiện
hơn.
Đồng thời, chúng em xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô của Trường Đại Học Bách
Khoa nói chung và của khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã giúp em trang bị, bổ sung
thêm kiến thức để phục vụ cho quá trình thực hiện luận văn.

Hồ Chí Minh, ngày … tháng 6 năm 2014

ĐỖ NGUYỄN MINH TUẤN


4

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mạng Ad hoc là một mạng cục bộ được thiết lập khi các thiết bị kết nối với nhau mà
không cần thông qua một trạm trung tâm nào để điều khiển luồng dữ liệu. Khi các thiết
bị di động cấu thành một mạng Ad hoc thông qua kết nối không dây, chúng tạo thành

một MANET (Mobile Ad hoc NETwork). Rất nhiều giao thức mạng và ứng dụng trong
mạng MANET nói chung giả định rằng vị trí của các node di động có thể dễ dàng lấy
được thơng qua hệ thống GPS. Mặc dù trong nhiều tình huống thực tế, giả thuyết này là
đúng, vẫn còn một số trường hợp, việc sử dụng hệ thống định vị GPS cho mọi thiết bị là
không khả thi. Vấn đề này đã mở ra hướng nghiên cứu về định vị trong MANET.
Trong luận văn này, một số vấn đề lý thuyết liên quan đến định vị trong MANET
được nghiên cứu, hai phương pháp định vị [6] [11] được thực hiện lại để kiểm chứng,
trong đó, phương pháp DV-Hop [6], một phương pháp định vị chủ đạo sử dụng thông số
khoảng cách Hop được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn. Bên cạnh đó, tác giả đề xuất
phương pháp ISCIMP (Ignoring Sudden Coordinates In Moving Process) để cải tiến kết
quả của phương pháp định vị DV-Hop sử dụng tính di động [7] của các cột mốc. Bài
tốn đặt ra là làm sao có thể cải thiện kết quả định vị của DV-Hop trong điều kiện mạng
phân bố đều, ngẫu nhiên, khơng có vật cản, một số nút trong mạng đã có tọa độ nhờ GPS.
Kết quả đạt được là sai số định vị đã được cải thiện.


5

ABSTRACT
An ad-hoc network is a local area network (LAN) that is built spontaneously as
devices connect. Instead of relying on a base station to coordinate the flow of messages
to each node in the network, the individual network nodes forward packets to and from
each other. When a collection of mobile nodes etablish an Ad hoc network, they actually
created a MANET (Mobile Ad hoc NETwork). Many MANET network protocols and
applications assume that the location of mobile nodes can be obtained by the GPS
system. Although this is usually true, there are still cases where the GPS signal is not
accessible. This issue has opened up a research trend for positioning in MANET.
In this thesis, main theoretical knowledges are discussed. Two positioning methods
[6] [11] are re-implemented, one of them is DV-Hop [6], a very important positioning
method utilizing hop count information. Based on DV-Hop, a new positioning method

named ISCIMP (Ignoring Sudden Coordinates In Moving Process) is proposed, which
aim to low down location error ratio by utilizing mobility [7] of nodes in the network.
Scope of this thesis examines outdoor network, nodes are isotropic randomly distributed,
some nodes in the network are assumed to have already known precise coordinates, node
mobility is concerned.


6

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi tên Đỗ Nguyễn Minh Tuấn, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện tử,
khóa 2012, tại Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Tơi xin cam đoan:
-

Cơng trình nghiên cứu này do chính tơi thực hiện, khơng được sao chép từ bất kỳ
một nghiên cứu khoa học nào khác.

-

Các số liệu mơ phỏng, tính tốn trong luận văn là hồn tồn trung thực.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong Luận văn tốt nghiệp

của mình.

TP. HCM, tháng 6 năm 2014
Tác giả luận văn

Đỗ Nguyễn Minh Tuấn

7

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 3
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... 4
ABSTRACT ................................................................................................................. 5
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN .......................................................... 6
MỤC LỤC ................................................................................................................... 7
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... 11
DANH SÁCH HÌNH ẢNH......................................................................................... 13
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 16
CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU ......................................................................................... 17

1.1. GIỚI THIỆU MANET ..................................................................................... 17
1.2. ĐỊNH VỊ TRONG MANET ............................................................................. 17
1.3. ỨNG DỤNG .................................................................................................... 18
1.4. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 19
1.5. MỤC ĐÍCH LUẬN VĂN ................................................................................. 19
CHƯƠNG 2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY ....................................... 20

2.1. PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO ĐO ĐẠC ........................................................... 21
2.2. PHƯƠNG PHÁP KHÔNG DỰA VÀO ĐO ĐẠC ............................................ 22
2.3. ĐỊNH VỊ TRONG MANET ............................................................................. 23
2.4. TÓM TẮT ........................................................................................................ 24
CHƯƠNG 3.

CÁC VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT ........................................................... 25

3.1. CÁC KHÁI NIỆM HAY DÙNG ...................................................................... 25


8

3.2. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ .............................................................................. 25
3.2.1. Giới thiệu sơ lược về GPS .......................................................................... 25
3.2.2. Phương pháp Trilateration .......................................................................... 27
3.2.3. Phương pháp Triangulation ........................................................................ 28
3.3. PHƯƠNG PHÁP GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH LEAST SQUARE METHOD . 29
3.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH HOP GIỮA HAI NÚT ........ 31
3.5. SƠ ĐỒ KẾT NỐI ............................................................................................. 33
3.6. MƠ HÌNH DI CHUYỂN .................................................................................. 34
3.7. CÁCH THỨC ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ............................................................. 34
CHƯƠNG 4.

KHẢO SÁT MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ ......................... 36

4.1. PHƯƠNG PHÁP DV-HOP .............................................................................. 36
4.1.1. Nguyên lý .................................................................................................. 36
4.1.2. Nguồn gốc của lỗi định vị .......................................................................... 40
4.2. PHƯƠNG PHÁP DV-DISTANCE ................................................................... 41
4.3. CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP DV-HOP BẰNG CÁCH THAY ĐỔI CƠNG THỨC
TÍNH KÍCH THƯỚC HOP TRUNG BÌNH ............................................................ 42
CHƯƠNG 5.

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP DV-HOP SỬ DỤNG TÍNH

DI ĐỘNG CỦA CÁC CỘT MỐC ............................................................................. 44
5.1. LÍ DO ĐỀ XUẤT ............................................................................................. 44
5.2. PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN ĐỀ XUẤT .......................................................... 45
5.3. ĐỀ XUẤT CÁC MƠ HÌNH DI CHUYỂN CỦA CỘT MỐC............................ 51
5.3.1. Di chuyển hỗn loạn (Chaos Move) ............................................................. 51
5.3.2. Đi thẳng theo một hướng ngẫu nhiên (RDW - Random Direction Walk) .... 52


9

5.3.3. Di chuyển đều dọc theo cạnh (Edge move) ................................................. 53
5.3.4. Di chuyển đều dọc theo cạnh lặp lại (Tile Move) ....................................... 54
CHƯƠNG 6.

MÔ PHỎNG .................................................................................... 56

6.1. CÁCH THỨC MÔ PHỎNG ............................................................................. 56
6.2. ĐIỀU KIỆN BÀI TỐN MƠ PHỎNG ............................................................. 57
6.2.1. Các điều kiện chung ................................................................................... 57
6.2.2. Các điều kiện trong trường hợp cột mốc di động ........................................ 58
6.3. TRÌNH BÀY KẾT QUẢ .................................................................................. 58
6.4. CHI TIẾT CÁC MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .................................................. 59
6.4.1. Giải thuật DV-Distance .............................................................................. 59
6.4.2. Giải thuật DV-Hop cơ bản.......................................................................... 62
6.4.3. Khảo sát ảnh hưởng lên giải thuật DV-Hop khi thay đổi về số cột mốc sử dụng
để định vị mỗi thiết bị .......................................................................................... 64
6.4.4. Khảo sát ảnh hưởng lên giải thuật dv-hop khi thay đổi mật độ số thiết bị có
gps trong mạng .................................................................................................... 66
6.4.5. Cải tiến DV-Hop bằng cách thay đổi công thức tính kích thước Hop trung bình
............................................................................................................................ 68

6.4.6. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: các cột mốc di chuyển hỗn loạn ........ 69
6.4.7. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: các cột mốc đi thẳng hướng ngẫu nhiên
............................................................................................................................ 72
6.4.8. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: các cột mốc di chuyển tuyến tính dọc
biên ...................................................................................................................... 76
6.4.9. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: các cột mốc di chuyển tuyến tính dọc
biên lặp lại (Tile Move) ....................................................................................... 79


10

6.4.10. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: tất cả thiết bị di chuyển hỗn loạn .... 83
6.4.11. Cải tiến bằng phương pháp ISCIMP: tất cả các thiết bị đi theo hướng ngẫu
nhiên (randomwalk) ............................................................................................. 87
6.5. ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN ................................................ 91
CHƯƠNG 7.

TỔNG KẾT...................................................................................... 94

7.1. ĐẠT ĐƯỢC ..................................................................................................... 94
7.2. HẠN CHẾ ........................................................................................................ 94
7.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 96
PHỤ LỤC................................................................................................................... 98
MÃ NGUỒN MATLAB CỦA MƠ PHỎNG .......................................................... 98
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...................................................................................... 118


11

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 – Các khái niệm hay dùng............................................................................ 25
Bảng 4.1 – Ví dụ các bước tính tốn trong phương pháp DV-Hop .............................. 39
Bảng 5.1 – Các khái niệm sử dụng trong định vị trong MANET ................................. 47
Bảng 5.2 - Tọa độ x định vị tức thời độc lập ............................................................... 48
Bảng 5.3 – Q trình tính tốn ISCIMP ...................................................................... 50
Bảng 6.1 – Các điều kiện mô phỏng dùng chung trong các mô phỏng ........................ 57
Bảng 6.2 – Các điều kiện mơ phỏng có thể dùng trong trường hợp cột mốc di chuyển 58
Bảng 6.3 – Thông số mô phỏng phương pháp DV-Distance ....................................... 60
Bảng 6.4 – Thông số mô phỏng DV-Hop cơ bản ........................................................ 63
Bảng 6.5 – Thông số mô phỏng khi thay đổi số cột mốc mỗi thiết bị .......................... 65
Bảng 6.6 – Thông số mô phỏng khi thay đổi mật độ cột mốc ...................................... 66
Bảng 6.7 – Kết quả định vị khi mật độ cột mốc thay đổi ............................................. 67
Bảng 6.8 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển hỗn loạn ............ 70
Bảng 6.9 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển hỗn
loạn ............................................................................................................................ 72
Bảng 6.10 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc đi thẳng theo hướng ngẫu
nhiên .......................................................................................................................... 73
Bảng 6.11 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc đi thẳng theo
hướng ngẫu nhiên ....................................................................................................... 75
Bảng 6.12 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển dọc biên........... 76
Bảng 6.13 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển
dọc biên ...................................................................................................................... 79
Bảng 6.14 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển dọc biên lặp lại 80
Bảng 6.15 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ISCIMP khi các cột mốc di chuyển
dọc biên lặp lại ........................................................................................................... 82
Bảng 6.16 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi tất cả nút di chuyển hỗn loạn ............... 84


12

Bảng 6.17 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ...................................................... 86
Bảng 6.18 – Thông số mô phỏng ISCIMP khi tất cả nút đi thẳng theo hướng ngẫu nhiên
................................................................................................................................... 88
Bảng 6.19 – Bảng thông số kết quả của mô phỏng ISCIMP khi tất cả nút đi thẳng theo
hướng ngẫu nhiên ....................................................................................................... 90
Bảng 6.20 – So sánh các phương pháp cải thiện sai số định vị sử dụng phương pháp
ISCIMP ...................................................................................................................... 92


13

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 2.1 – Hiệu ứng fading khiến cho việc đo đạc khoảng cách bị sai ........................ 21
Hình 2.2 – Định vị range-based ở mạng điện thoại ..................................................... 22
Hình 3.1 - 4 mặt cầu tạo ra từ 4 vệ tinh giao nhau tại 1 điểm xác định tọa độ của thiết bị
................................................................................................................................... 26
Hình 3.2 – Giao điểm các đường trịn ......................................................................... 28
Hình 3.3 – Phép tính Triangulation ............................................................................. 29
Hình 3.4 – Điểm hình sao thể hiện nghiệm Least Square tối ưu cho || r || nhỏ nhất. ..... 30
Hình 3.5 –Tình huống định vị khi biết thơng tin về các cột mốc xung quanh .............. 31
Hình 3.6 – Minh hoạt cách thức hoạt động của phương pháp xác định hop-count bằng
các gói tìm đường. ...................................................................................................... 32
Hình 3.7 – (a) khởi tạo tọa độ đầu của các thiết bị, (b) thể hiện kết nối giữa các thiết bị
................................................................................................................................... 33
Hình 3.8 - Các mơ hình di chuyển được đề xuất bởi Sabrina....................................... 34
Hình 4.1 – Lược đồ giải thuật DV-Hop....................................................................... 37
Hình 4.2: Ví dụ topo mạng để tính tốn tọa độ node dùng phương pháp DV-Hop ...... 38
Hình 4.3: Thể hiện hình học của phương pháp Trilateration trong DV-Hop ................ 40
Hình 4.4 –Trường hợp gây sai số do phân bố mạng khơng đều ................................... 40

Hình 4.5 - Trường hợp gây sai số do đường đi bị bẻ gập............................................. 41
Hình 4.6: Sai số định vị của phương pháp DV-Distance ............................................. 42
Hình 5.1 –Sự không ổn định của tọa độ x các nút khi định vị bằng phương pháp DVHop ............................................................................................................................ 45
Hình 5.2 – Sự không ổn định của tỉ số sai số định vị trung bình trên tồn mạng thay đổi
theo thời gian.............................................................................................................. 45
Hình 5.3 – Lược đồ hoạt động của các nút khơng có GPS trong giải thuật ISCIMP .... 47
Hình 5.4 – Tọa độ x tức thời ....................................................................................... 48
Hình 5.5 – Tọa độ tức thời sau khi đã xử lý ................................................................ 51


14

Hình 5.6 – Mơ hình di chuyển hỗn loạn ...................................................................... 52
Hình 5.7 – Mơ hình đi thẳng theo một hướng ngẫu nhiên ........................................... 53
Hình 5.8 – Mơ hình di chuyển đều dọc theo cạnh ....................................................... 53
Hình 5.9 –Bố trí cột mộc thành 2 tile, sử dụng 7 cột mốc ........................................... 54
Hình 5.10 – Bố trí cột mộc thành 4 tile, sử dụng 12 cột mốc ....................................... 55
Hình 6.1 – Degree của mạng qua các lần thử .............................................................. 60
Hình 6.2 – Kết quả định vị dùng DV-Distance với các mật độ cột mốc và sai số đo đạc
khác nhau ................................................................................................................... 61
Hình 6.3 – Tỉ số sai số định vị sử dụng phương pháp DV-Distance, ........................... 61
Hình 6.4 – Kết quả tỉ số sai số định vị phương pháp DV-Distance do tác giả Niculescu
thực hiện..................................................................................................................... 62
Hình 6.5 –Degree của mạng qua các lần thử ............................................................... 63
Hình 6.6 – Thể hiện tọa độ định vị được của các nút trong một lần thử....................... 63
Hình 6.7 – Tỉ số sai số định vị qua các lần thử, trung bình LER = 0.55 ....................... 64
Hình 6.8 – Tỉ lệ sai số định vị khi tăng số cột mốc dùng để tính cho mỗi nút .............. 65
Hình 6.9 - Ảnh hưởng của mật độ cột mốc lên LER ................................................... 67
Hình 6.10 – Sai số định vị DV-Hop thực hiện bởi tác giả Niculescu ........................... 68
Hình 6.11 – Kết quả cải thiện DV-Hop bằng cách đổi phương pháp tính AHS ........... 68

Hình 6.12 – Kết quả cải thiện DV-Hop bằng cách đổi phương pháp tính AHS, tập dữ
liệu 100 lần thử........................................................................................................... 69
Hình 6.13 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gianMỗi đường thể hiện tương ứng với một lần thử ............................................. 70
Hình 6.14 – Kết quả định vị tại một số thời điểm ........................................................ 70
Hình 6.15 – So sánh tọa độ khi có và khơng loại bỏ đỉnh nhọn ................................... 71
Hình 6.16 – Sai số định vị .......................................................................................... 72
Hình 6.17 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gian ..................................................................................................................... 73
Hình 6.18 – Kết quả định vị của mạng tại một số thời điểm ........................................ 74


15

Hình 6.19 – Tọa độ x, y trước và sau khi áp dụng ISCIMP ......................................... 74
Hình 6.20 – Các khảo sát về tỉ số sai số định vị .......................................................... 75
Hình 6.21 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gian ..................................................................................................................... 77
Hình 6.22 – Tọa độ x, y trước và sau khi áp dụng ISCIMP ......................................... 77
Hình 6.23 – Kết quả định vị của mạng tại một số thời điểm ........................................ 78
Hình 6.24 – Các khảo sát về tỉ số sai số định vị .......................................................... 78
Hình 6.25 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gian ..................................................................................................................... 80
Hình 6.26 – Kết quả định vị của mạng tại một số thời điểm ........................................ 81
Hình 6.27 – Tọa độ x, y trước và sau khi áp dụng ISCIMP ......................................... 82
Hình 6.28 – Các khảo sát về tỉ số sai số định vị .......................................................... 83
Hình 6.29 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gian ..................................................................................................................... 84
Hình 6.30 – Kết quả định vị của mạng tại một số thời điểm ........................................ 85
Hình 6.31 – Tọa độ x, y trước và sau khi áp dụng ISCIMP ......................................... 85

Hình 6.32 – Các khảo sát về tỉ số sai số định vị .......................................................... 86
Hình 6.33 – So sánh với trường hợp khơng dùng ISCIMP .......................................... 87
Hình 6.34 – Sự thay đổi Degree trung bình của mạng khi các cột mốc di chuyển theo
thời gian ..................................................................................................................... 88
Hình 6.35 – Kết quả định vị của mạng tại một số thời điểm ........................................ 89
Hình 6.36 – Các khảo sát về tỉ số sai số định vị .......................................................... 89
Hình 6.37 – So sánh với trường hợp khơng dùng ISCIMP .......................................... 90
Hình 6.38 – So sánh biến đổi tọa độ x, y với trường hợp không dùng ISCIMP ........... 91


16

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ đầy đủ

AHS

Average Hop Size

AOA

Angle Of Arrival

DV
GPS

Distance Vector
Global Positioning System

HC

Hop Count

HS

Hop Size

ISCIMP

Ignoring Sudden Coordinates In Moving Process

LEIRM

Location Error Improvement Ratio by Mobility

LER

Location Error Ratio

LSM

Least Square Method

MANET

Mobile Ad hoc Network

RDW

Random Directional Walk

RSSI

Received Signal Strength Indicator

TDOA

Time Difference Of Arrival

TOA

Time Of Arrival

TTL

Time To Live


17

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Giới thiệu MANET
MANET (Mobile Ad hoc Network) là một tập hợp các thiết bị di động tự hành có thể
liên lạc thơng qua các kết nối khơng dây có băng thơng hạn chế mà khơng cần thơng qua
một trung tâm điều khiển nào. Bởi vì các nút mạng (node) là di động, sơ đồ mạng có thể
thay đổi nhanh chóng và khơng thể dự đốn được theo thời gian. Các hoạt động trong
mạng bao gồm phát hiện (discovering) sơ đồ mạng, chuyển phát (transfering) thông tin
phải được thực hiện bởi chính các nút mạng. Mỗi MANET có thơng số khác nhau và

khơng thể đốn trước về số lượng nút, mật độ, cách thức bố trí, tầm phủ sóng, xu hướng
thay đổi,…
MANET cịn nhiều vấn đề cần giải quyết, có thể kể tới như vấn đề về định tuyến, vấn
đề quản lý broadcast, vấn đề bảo đảm chất lượng dịch vụ mạng, vấn đề stream video,
vấn đề cache dữ liệu trong mạng, vấn đề bảo mật, vấn đề tiết kiệm năng lượng,... Khi
mạng liên tục thay đổi, các vấn đề trên đều gặp nhiều khó khăn hơn, so với mạng hữu
tuyến, hay các mạng vơ tuyến có hạ tầng cố định như mạng 2G, 3G, 4G, mà ở đó, các
thiết bị kết nối đến các BTS cố định.

1.2. Định vị trong MANET
Việc có được thơng tin về vị trí địa lý tuyệt đối gần đúng, hoặc ít nhất là vị trí tương
đối của các thiết bị trong mạng sẽ giúp ích cho cho các giao thức định tuyến dựa trên vị
trí địa lý, cũng như giúp giải quyết các vấn đề kỹ thuật khác của mạng dễ dàng hơn, giúp
nâng cao chất lượng phục vụ của mạng. Về ứng dụng thực tế, việc xác định vị trí địa lý
cịn có thể hỗ trợ các cơng tác cứu nạn, du lịch, bản đồ, tìm đường,…
Mặc dù hệ thống định vị tồn cầu GPS đã có thể giải quyết được hầu hết các vấn đề
về định vị tổng quát, tuy nhiên việc áp dụng GPS ở mọi nơi vẫn gặp một số trở ngại. Sau


18

đây là một số ví dụ cho các tình huống mà việc sử dụng hệ thống định vị GPS là khơng
khả thi:
 Ngồi trời, nhưng tín hiệu GPS bị che chắn do có nhiều nhà cao tầng, núi cao.
 Nơi thống đãng như trong thời tiết mưa, bão, tuyết thì tín hiệu GPS nhiều
lúc khơng khả dụng.
 Bên trong đường hầm.
 Trong nhà, ví dụ bên trong tịa nhà, hội trường, triển lãm, hội chợ, siêu thị, tín
hiệu GPS bị che chắn hoàn toàn.
 Mạng cảm biến cần tiết kiệm chi phí nên khơng trang bị phần cứng cho GPS.

Ngồi ra, trong trường hợp có thể sử dụng được GPS thì khi bắt đầu sử dụng, thiết bị
cũng sẽ mất một khoảng thời gian mới có thể fix được tọa độ ban đầu, thời gian này có
thể mất đến nhiều phút.

1.3. Ứng dụng
Việc phát triển một phương pháp định vị sử dụng kết nối Wifi sẵn có thể mang lại
các ứng dụng sau:
 Định vị ở nơi mà sử dụng GPS là khơng khả thi như trong các tịa nhà, trong
các hội chợ, triển lãm, viện bảo tàng, ứng dụng vào thương mại.
 Mang đến khả năng định vị nhanh cho các thiết bị hoạt động trong mạng wifi
nhưng không được trang bị sẵn GPS, như Laptop, Desktop, các cảm biến trong
mạng sensor, các thiết bị công nghiệp, quản lý kho bãi.
 Sử dụng như một phương pháp định vị hỗ trợ cho thiết bị di động (vai trò
tương tự như các phương pháp định vị dựa trên tọa độ BTS, tọa độ Wifi của
Accesspoint) nhằm giúp người dùng nhận được một tọa độ chấp nhận được
trong khi GPS thực hiện quá trình fix tọa độ đầu.


19

1.4. Lí do chọn đề tài
Ngày nay, việc phát triển nhanh nhóng về số lượng các thiết bị di động có hỗ trợ kết
nối Wifi và khả năng xử lý mạnh mẽ như máy tính laptop, điện thoại thơng minh,… đã
khiến cho MANET phổ biến hơn, điều này làm phát sinh các ứng dụng trong MANET,
bao gồm các ứng dụng Multimedia, truyền dữ liệu, định tuyến,… Khi đó nhu cầu định
vị trong MANET trở nên cần thiết, quan trọng. Đó là lí do cho việc lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu các phương pháp định vị trong MANET - Cải tiến phương pháp DV-Hop”.

1.5. Mục đích luận văn
Luận văn mong muốn có thể đưa ra cái nhìn tổng quan về các vấn đề về định vị trong

mạng MANET, khảo sát một số cách thức định vị mà các tác giả trên thế giới đã thực
hiện trong thời gian qua, trong đó, luận văn chú trọng nghiên cứu phương pháp DV-Hop,
một phương pháp định vị chủ đạo trong MANET. Đồng thời, luận văn sẽ đề xuất một
phương thức cải tiến phương pháp định vị DV-Hop, sử dụng tính di động của các cột
mốc.
Luận văn bao gồm các nội dung chính sau:
1. Giới thiệu sơ lược.
2. Tình hình nghiên cứu.
3. Trình bày các vấn đề trong định vị trong MANET.
4. Trình bày một số phương pháp định vị cơ bản
5. Đề xuất hướng cải tiến giải thuật DV-Hop, phương pháp ISCIMP.
6. Mô tả cách thức thực hiện các mơ phỏng và trình bày kết quả.
7. Kết luận và đánh giá.


20

CHƯƠNG 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
HIỆN NAY
Có nhiều nghiên cứu về định vị trong mạng ad hoc và MANET đã được thực hiện,
nhìn chung, có thể chia làm hai nhóm chính: (1) Dựa vào đo đạc (range-based) và (2)
Khơng dựa vào đo đạc (range-free). Trong mạng thường có những nút đã biết được tọa
độ chính xác, nhờ vào GPS hoặc nhờ vào cấu hình đặc biệt, ta gọi chúng là các cột mốc
(anchor, landmark), mật độ, cách sắp xếp của các nút cột mốc này khác nhau với mỗi
mạng; từ tọa độ của các nút cột mốc này, tọa độ của các nút còn lại cần phải được xác
định.
Các phương pháp định vị thuộc vào nhóm Dựa vào đo đạc cần thiết bị có thêm khả
năng đo được khoảng cách hoặc góc đến các nút lân cận, điều này làm phát sinh thêm
yêu cầu hỗ trợ từ phía phần cứng. Các thơng số này có thể được tính dựa vào thời gian
sóng đến (TOA – Time Of Arrival) [1], chênh lệch thời gian sóng đến (TDOA – Time

Difference Of Arrival) [2], góc sóng đến (AOA – Angle Of Arrival) [3], và độ mạnh của
tín hiệu (RSSI – Received Signal Strength Indicator) [4]. Các phương pháp này thường
cho kết quả chính xác hơn, tuy nhiên việc yêu cầu thêm phần cứng hỗ trợ khiến chi phí
tăng lên nhiều.
Nhóm phương pháp thứ hai, không dựa vào khả năng đo khoảng cách hay đo góc
khi định vị. Mặc dù các phương pháp này thường sẽ mang lại kết quả kém chính xác hơn
các phương pháp Range-based, nhưng nó lại hiệu quả về mặt kinh tế và tiết kiệm năng
lượng. Bởi vì tính chất MANET là mạng của các thiết bị di động và mạng cảm biến, giá
thành cũng như mức độ tiêu thụ năng lượng được quan tâm rất nhiều, do đó, các phương
pháp Không dựa vào đo đạc trở thành lựa chọn khả thi hơn khi cần định vị các nút.


21

2.1. Phương pháp dựa vào đo đạc
Các cơ chế định vị dựa vào đo đạc khai thác các thông tin khoảng cách, góc để định
vị, các thơng số này được xác định bằng cách sử dụng các phương pháp RSSI, TOA,
TDOA, AOA. Sử dụng thông tin về khoảng cách, các node sử dụng phép tính
Trilateration để tính ra tọa độ của nút. Cùng với phương pháp Triangulation (sử dụng
thông số về góc), phép tính Trilateration (sử dụng thơng số về khoảng cách) được sử
dụng trong hầu hết các phương pháp định vị, bất kể phương pháp đó có dựa vào đo đạc
hay khơng, chi tiết về hai phương thức tính tốn này sẽ được trình bày ở phần sau (trang
27 và 28). Bergamo và Mazzin đề xuất một cơ chế Trilateration sử dụng các khoảng cách
ước lượng bằng công suất thu được và nghiên cứu các ảnh hưởng đến giải thuật bởi hiệu
ứng fading và tính di động của cảm biến [5].
Các phương pháp này dễ bị ảnh hưởng bởi mơi trường khi có vật cản xuất hiện, hiệu
ứng fading, hiệu ứng shadow, đồng thời yêu cầu số cột mốc phải nhiều, phải che phủ
được hết các node. Nhiều phương pháp được áp dụng để phát hiện ra môi trường che
chắn, đường truyền sóng khơng thẳng hàng, cũng như giảm sai số trong vấn đề đo đạc,
tính tốn.

Hình 2.1 – Hiệu ứng fading khiến cho việc đo đạc khoảng cách bị sai


22

Hình 2.2 – Định vị range-based ở mạng điện thoại
Tình huống các trạm BTS được trang trị phần cứng chuyên dụng nên dễ dàng phát hiện được hướng sóng đến
thiết bị, từ đó gửi về trung tâm, cùng với tọa độ của mỗi BTS, từ đó có thể tính tốn tọa độ chính xác của thiết bị

Nhìn chung, các phương pháp này cho phép đạt được mức sai số thấp, dưới 5 mét,
nhưng nhược điểm là cần phần cứng hỗ trợ, điều này làm tăng chi phí thiết bị.

2.2. Phương pháp khơng dựa vào đo đạc
Để phù hợp với tính chất đặc trưng của mạng MANET, nhiều tác giả đã đề xuất các
phương pháp định vị không cần thông số khoảng cách hay góc. Khơng có được khoảng
cách đo trực tiếp, các phương pháp này thường dựa vào tọa độ của các cột mốc và sơ đồ
kết nối của mạng để ước lượng một khoảng cách gần đúng đến các cột mốc rồi tính tốn
tọa độ dựa vào phương pháp Triangulation hoặc Trilateration. Belusu và Heidemann đã
giới thiệu công thức Centriod để tính vị trí Node dựa trên tọa độ của các gói tin tìm
đường chứa thơng tin tọa độ của các cột mốc. Phương pháp DV-Hop, được đề xuất bởi
Dragos và Nath, xác định khoảng cách hop giữa các nút đến các cột mốc, sau đó ước
lượng khoảng cách đến các cột mốc này và tự xác định tọa độ bằng phương pháp
Trilateration [6]. Phương pháp DV-Hop là một phương pháp tốt và được nhiều tác giả


23

chọn để cải tiến. Các cải tiến này có thể áp dụng thêm RSSI, thay đổi cách thức ước
lượng khoảng cách và tọa độ. Một phương pháp dựa vào diện tích (APIT – Approximate

Point-in trigulation) đã được phát triển để làm hẹp lại khoảng tọa độ có thể của nút. Các
phương pháp này nhìn chung cịn nhiều sai số và cần cải thiện thêm.

2.3. Định vị trong MANET
Bên cạnh định vị trong điều kiện mạng tĩnh, tức là các nút không di động, một số
tác giả đã nghiên cứu các vấn đề xoay quanh các phương pháp định vị có quan tâm đến
tính di động của nút. Sabrina [7] tổng hợp các vấn đề và thách thức của các bài tốn định
vị dựa trên khoảng cách tính được dựa vào khoảng cách hop trong MANET, các vấn đề
được đề cập đến bao gồm mơ hình mạng, các mơ hình chuyển động riêng rẽ và chuyển
động nhóm, lỗi định vị, các kiểm nghiệm thực tế. Sabrina cũng chỉ ra rằng tính chất di
động của các nút có thể mang lại một ảnh hưởng tích cực lên kết quả định vị [8]. Terence
Chung HsinSit đưa ra một cơ chế định vị sử dụng các nút robot có thể điều khiển được
để di chuyển các robot đến nơi có mật độ kết nối thấp nhằm tăng độ kết nối của mạng
tại khu vực đó, từ đó giảm sai số trong ước lượng khoảng cách từ nút đến cột mốc [9].


24

2.4. Tóm tắt
Như vậy, trong thời gian 2001-2013, nhiều đề tài nghiên cứu về các phương pháp
định vị. Nhìn chung, có thể phân loại các phương pháp định vị và hướng cải thiện như
sau:
Phương pháp định vị trong MANET:
a. Dựa vào đo đạc (Range-based)
i. Đo khoảng cách
1. TOA: dựa vào thời gian đến của tín hiệu [1]
2. TDOA: dựa vào chênh lệch thời gian đến của tín hiệu [2]
3. RSSI: dựa vào cường độ sóng [4]
ii. AOA: Dựa vào góc sóng đến [3], [10]
b. Khơng dựa vào đo đạc (Range-free)

i. DV-Hop [6]
ii. Các cải tiến DV-Hop [9], [11]
c. Kết hợp Range-based và Range-free
i. DV-Distance [6]
ii. Euclidean [6]