Định vị trong nhà sử dụng thiết bị di động và wlan access points

Do vậy ý tưởng công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiện sóng của mạng không dây và thiết bị di động được quan tâm.. Dựa trên các tín hiệu sóng của các mạng không dây nội bộ được phá

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC & KỸ THUẬT MÁY TÍNH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày 03 tháng 10 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên:.Phạm Thị Như Trâm Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 01-07-1982 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Khoa học máy tính MSHV: 00707191 1- TÊN ĐỀ TÀI: Định vị trong nhà sử dụng thiết bị di động và Wlan Access Point 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu bài toán định vị trong nhà sử dụng thiết bị di động và WLAN và các phương pháp giải quyết bài toán đã có Dùng phương pháp đo cường độ sóng Wireless từ các access point của mạng WLAN để xác định vị trí của thiết bị di động

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 9-9-2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10-03-2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Đặng Trần Khánh

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các Thầy TS Đặng Trần Khánh và Thầy TS Trần Văn Hoài Các Thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng tôi từ cách đặt vấn đề, phương pháp nghiên cứu khoa học đến những công việc cụ thể trong luận án này

Xin chân thành cảm ơn tất cả quý Thầy Cô trong Khoa Khoa học và Kỹ thuật Máy tính đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập

Xin cảm ơn các anh chị và các bạn đồng nghiệp tại công ty phần mềm Global Cybersoft đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Xin cảm ơn cha mẹ, anh chị, tất cả những người thân, bạn bè đã động viên, khuyến khích và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống

Tóm tắt

Các ứng dụng định vị hiện nay đang được dựa trên một công nghệ chính là GPS Tuy nhiên tín hiệu vệ tinh của công nghệ này không xuyên qua tường được cho nên hạn chế chính của công nghệ này là chưa cung cấp được các ứng dụng định vị trong nhà Mặc khác, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, mạng không dây trở nên phổ biến đến mọi nơi và thông dụng đối với tất cả mọi người Song song đó, sự phát triển công nghệ số khiến cho các thiết bị xách tay như điện thoại, máy tính xách tay… trở nên không thể thiếu đối với mọi người Do vậy ý tưởng công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiện sóng của mạng không dây và thiết bị di động được quan tâm Dựa trên các tín hiệu sóng của các mạng không dây nội bộ được phát ra từ các Access Point được lắp đặt sẵn trong tòa nhà, thiết bị di động nhận được có thể xác định được vị trí của thiết bị di động đó ở đâu trong tòa nhà Bài toán này dựa vào các sự kết hợp công thức phân lớp của Bayes

và Euclidean với phép nội suy logic để cho kết quả thực tiễn cao Kết quả thực nghiệm cho thấy sự định vị trong tòa nhà dựa vào mô hình kết hợp trên cho kết quả chính xác cao Vì vậy, mô hình này có thể xem là cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo để tiếp tục nâng cao chất lượng và độ chính xác

Abstract

Traditional positioning technologies are primarily based on Global Positioning System (GPS) However, GPS satellite signals cannot go through walls, so these technologies cannot be used inside buildings In the other hand, with the rapid developing of information technology, wireless network is used in many places now and become familiar with everybody Together with that, by achievements of digital technologies, mobile devices such as cell phones, laptops… become essential for many people Hence, the idea of indoor positioning based on wireless signals and mobile devices has great interest According to signals from access points located somewhere in a building, a mobile device can identify its relative position in the building This is a problem that can be solved by the combination of Bayes and Euclidean classification formulas and interpolation techniques to produce accurate ouputs Experiments prove that the positioning technique using this combined model can provide high accurate outputs Therefore, this model can be used as a theory base for further researches for improving the quality of positioning results

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Abstract iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH v

DANH MỤC BẢNG vi

Chương 1: PHÁT BIỂU VẤN ĐỀ 1

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Giới thiệu tổng quát về mạng không dây 3

2.1.1 Giới thiệu về WLAN 5

2.1.2 Các chuẩn của mạng WLAN 5

2.2 Giới thiệu về Access Point 8

2.3 Một số lưu ý trong quá trình triển khai mạng không dây 9

Chương 3: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 11

3.1 Giới thiệu một số bài toán định vị trong nhà sử dụng thiết bị di động và Wlan 13

3.1.1 Phương pháp loại suy 13

3.1.2 Phương pháp dựa vào khoảng cách Euclidean 16

3.1.3 Phương pháp dựa vào việc tính xác suất 17

3.2 Một số lý thuyết đề xuất kỹ thuật xác định sự ổn định của môi trường xung quanh đối với quá trình truyền tín hiệu sóng 21

Chương 4: MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT 25

4.1 Kiến trúc hệ thống 25

4.2 Định vị trong thời gian thực 27

Chương 5: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 30

5.1 Phương pháp thực nghiệm 30

5.2 Tập dữ liệu kiểm thử 32

5.3 Thiết kế và hiện thực hệ thống 34

5.4 Phương thức xác định vị trí trong thời gian online 39

5.5 Kết quả thực nghiệm 40

Chương 6: SO SÁNH VỚI CÁC GIẢI PHÁP KHÁC VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG THỰC NGHIỆM 46

Chương 7: TỔNG KẾT 50

7.1 Đóng góp của luận án 50

7.2 Hướng phát triển 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1: Phân loại mạng vô tuyến 4

Hình 2-2: Các Access Point được thiết kế theo chuẩn 802.11X 8

Hình 3-1: Sơ đồ tòa nhà 14

Hình 3-2: Mô tả dữ liệu 15

Hình 3-3: Mô hình đo độ ảnh hưởng của bức tường 24

Hình 4-1: Kiến trúc hệ thống tổng quát 26

Hình 4-2: Mô hình hoạt động của server 27

Hình 5-1: Phương pháp thực nghiệm tổng quát 31

Hình 5-2: Kiến trúc hệ thống 34

DANH MỤC BẢNG

Bảng mô hình định dạng đữ liệu trong log file 33

Bảng sơ đồ các vị trí trong tòa nhà 35

Bảng ViTri 36

Bảng DuLieuOffline 37

Bảng dữ liệu OnLine 38

Bảng thống kê dữ liệu online 41

Bảng cách tính độ sai lệch ở tâm 42

Bảng thống kê kết quả chạy dữ liệu offline 42

Bảng thống kê kết quả chạy dữ liệu online ở tâm 43

Bảng cách tính độ sai lệch ở biên 44

Bảng thống kê kết quả chạy dữ liệu online ở biên 45

Bảng thống kê kết quả chạy dữ liệu online bằng phương pháp cải tiến Bayes 46

Thống kê kết quả chạy với dữ liệu online bằng phương pháp Euclidean 47

Bảng thống kê so sánh kết quả hai phương pháp 48

Hệ thống quan sát hoặc định vị trong nhà sử dụng phổ biến hiện nay là camera, tuy nhiên camera chỉ quan sát được trong khu vực nhỏ hẹp mà thôi Do vậy để quan sát được những khu vực rộng lớn ta phải tốn rất nhiều chi phí trong việc lắp đặt hệ thống camera

Thật ra ý tưởng của công nghệ định vị trong nhà dựa trên tín hiệu vô tuyến giao thoa không phải là một điều gì mới mẻ, đã có rất nhiều ứng dụng cung cấp trên các mạng GSM hay CDMA cho phép bạn xác định vị trí tương đối của mình (chính xác khoảng từ vài chục đến vài trăm mét) nhờ vào tham số thời gian đến ToA (Time

of Arrival), chu vi cell hay góc đến của tín hiệu

S5 Wireless đã đưa ra dịch vụ định vị trong nhà được định vị nhanh hơn công nghệ GPS có độ chính xác cao hơn và tiết kiệm được năng lượng hơn S5 sử dụng một máy thu phát nhỏ được lắp đặt bất cứ đâu trong nhà, và bên cạnh đó các bộ thu chính là các con chip RFID

Và đặc biệt hơn, với mạng cục bộ không dây (WLAN) (chuẩn IEEE 802.11b, còn được gọi là Wi-Fi), hệ thống xác định vị trí dựa vào độ mạnh yếu của mức sóng

Đó là vấn đề được quan tâm trong những năm gần đây Hệ thống định vị dựa vào WLAN là một hệ thống thuận lợi hơn tất cả những hệ thống khác với những lý do

1 Là giải pháp kinh tế bởi vì mạng WLAN được sử dụng rộng rãi và phổ biến, nó tồn tại hầu như là thành phần giao tiếp chính yếu của các nhà máy phân xưởng Nó có mặt hầu như ở tất cả mọi nơi Ngoài ra trên hầu như tất cả các thiết bị di động đều có thể thu nhận được sóng WLAN như trong máy tính xách tay, thiết bị số hỗ trợ cá nhân PDA, hoặc những thiết bị di động có tích hợp thiết bị tiếp nhận sóng WLAN Với những thuận lợi trên sẽ làm giảm chi phí cho kiến trúc của hệ thống

2 Hệ thống định vị trong nhà dựa vào WLAN bao phủ khu vực rộng lớn trong nhà hơn so với những hệ thống khác Hệ thống này có thể sử dụng trong toàn tòa nhà thậm chí có thể kéo dài nhiều tòa nhà với nhau

RADAR[1] là nghiên cứu đầu tiên của xác suất định vị WLAN Bên cạnh đó cũng có nhiều hệ thống được đưa ra như dụng cụ định vị Ekahau [2], AirLocation[3]

và AeroScout[4]

Trong luận văn này, chúng tôi đề xuất hệ thống định vị trong nhà sử dụng thiết

bị di động và WLAN access point Ở đây khi người dùng sử dụng thiết bị di động và đang ở trong một tòa nhà, hệ thống sẽ xác định được vị trí người dùng ở vị trí nào trong tòa nhà Hỗ trợ việc quản lý nhân viên, nhờ vào việc xác định vị trí người dùng có thể ứng dụng việc chuyển các cuộc gọi điện thoại nội bộ trong tòa nhà Khi biết chính xác được vị trí người dùng thì hệ thống có thể chuyển các cuộc gọi điện thoại đến người dùng tại điện thoại gần người dùng nhất

Trong phạm vi của luận văn, chúng tôi tìm thuật toán để xác định độ chính xác tốt nhất cho vị trí, sẽ khảo sát và đưa ra mô hình để minh họa

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong gần 10 năm qua mạng vô tuyến (không dây) đã phát triển với tốc độ chóng mặt Có rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ, nhiều chuẩn vô tuyến đã

và đang được chuẩn hóa Mạng cục bộ không dây (WLAN) thực chất là mạng cục

bộ trong đó các kết nối được thiết lập bằng sóng vô tuyến

Sau đây, chúng tôi sẽ trình bày quá trình lắp đặt các mạng không dây và một

số điểm cần lưu ý khi lắp đặt Wireless Access Point, là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến tốc độ và sự ổn định của mạng Cuối cùng là phần trình bày tổng quát về các phương pháp định vị trong nhà dựa vào thiết bị di động và WLAN access point đã được đề xuất và các phương pháp đánh giá chất lượng

Một cách truyền thống để phân loại các công nghệ mạng vô tuyến là dựa vào vùng phủ sóng của một trạm phát sóng Được mô tả sơ lược theo hình dưới đây

Hình 2-1: Phân loại mạng vô tuyến

Dựa vào hình trên ta có thể phân mạng vô tuyến thành các nhóm sau:

- WPAN: mạng vô tuyến cá nhân Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB, đồng hồ với điện thoại di động, máy tính Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean Đa phần các công nghệ này được chuẩn hóa bởi IEEE,

cụ thể là nhóm làm việc (Working Group) 802.15 Do vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE 802.15.4 hay IEEE 802.15.3

- WLAN: mạng vô tuyến cục bộ Nhóm này bao gồm các công nghệ có vùng phủ tầm vài chục mét Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn

mở rộng khác nhau thuộc họ 802.11 a/b/g/h/i/ Công nghệ Wifi đã gặt hái được những thành công to lớn trong những năm qua Bên cạnh WiFi thì còn một số cái tên ít nghe đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi được chuẩn hóa bởi ETSI

- WMAN: mạng vô tuyến đô thị Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính

là WiMAX Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20 Vùng phủ sóng của nó trong tầm vài km (tầm 4-5km tối đa)

- WAN: Mạng vô tuyến diện rộng Nhóm này bao gồm các công nghệ mạng thông tin di động như UMTS/GSM/CDMA2000 Vùng phủ của

nó cũng trong tầm vài km đến vài chục km

- WRAN: Mạng vô tuyến khu vực Đại diện nhóm này là công nghệ 802.22 đang được nghiên cứu và phát triển bởi IEEE Vùng phủ sóng của nó lên đến tầm 40-100km Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh, khó triển khai các công nghệ khác

Nó sẽ sử dụng băng tần mà TV analog không dùng để đạt được vùng phủ rộng

2.1.1 Giới thiệu về WLAN

Thông tin di động là nền tảng mạng không dây phát triển theo biểu đồ số mũ trong thập niên qua so với những cơ sở hạ tầng và các ứng dụng rộng rãi như thiết bị

vô tuyến, máy tính xách tay v v Những thiết bị này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống của chúng ta Những hồ sơ dữ liệu hoặc các thông tin khác có thể được trao đổi bởi các máy tính xách tay thông qua mạng LAN không dây (WLAN) Không chỉ các thiết bị di động trở nên nhỏ hơn, rẻ hơn, tiện lợi hơn, mà các ứng dụng nó trở nên mạnh hơn và áp dụng rộng rãi hơn Ở đây chúng tôi sẽ giới thiệu chi tiết về mạng WLAN và đặc trưng chính của hệ thống không dây IEEE 802.11

2.1.2 Các chuẩn của mạng WLAN

Năm 1990, IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hình thành một ủy ban để phát triển chuẩn không dây cho mạng LAN vận hành ở 1

và 2Mbps Năm 1997 IEEE đã giới thiệu một chuẩn đầu tiên cho WLAN chuẩn này được gọi là 802.11 sau khi tên của nhóm được thiết lập nhằm giám sát sự phát triển của nó.Tuy nhiên nó chỉ hỗ trợ cho băng tần mạng cực đại là 2Mbps quá chậm đối với hầu hết các ứng dụng với lý do này nên các sản phẩm không dây thiết kế theo chuẩn 802.11 ban đầu dần không được sản xuất

802.11b

IEEE đã mở rộng trên chuẩn 802.11 gốc vào tháng 7 năm 1999, đó chính

là chuẩn 802.11b Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương đương Ethernet truyền thống 802.11b sử dụng tần số vô tuyến (2.4 GHz) giống như chuẩn ban đầu 802.11 Các hãng thích sử dụng các tần số này để chi phí trong sản xuất của họ giảm Do vậy các thiết bị 802.11b dễ bị xuyên nhiễu từ các thiết bị điện thoại không dây, lò vi sóng hoặc các thiết bị khác sử dụng cùng dãi tần 2.4GHz Tuy nhiên, có thể khắc phục tình trạng này bằng cách cài đặt các thiết bị 802.11b cách xa các thiết bị như vậy có thể giảm được hiện tượng xuyên nhiễu này

Ưu điểm của 802.11b: giá thành thấp, phạm vi tín hiệu tốt và không dễ bị cản trở

Nhược điểm của 802.11b: tốc độ tối đa thấp nhất, các ứng dụng gia đình

có thể xuyên nhiễu

802.11a

Trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển IEEE đã tạo một mở rộng thứ cấp cho chuẩn 802.11b được sử dụng rộng rãi quá nhanh so với 802.11a, nên một số người cho rằng 802.11a được tạo sau 802.11b Tuy nhiên trong thực tế 802.11a và 802.11b được tạo một cách đồng thời Do giá thành cao hơn

nên 802.11a chỉ được sử dụng trong mạng doanh nghiệp còn 802.11b thích hợp hơn với thị trường mạng gia đình

802.11a hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số vô tuyến 5GHz Tần số của 802.11a cao hơn so với 802.11b chính vì vậy nên đã làm cho phạm vi của hệ thống này hẹp hơn so với mạng 802.11b Với tần số này các tín hiệu 802.11a cũng khó xuyên qua các vách tường và các vật cản khác hơn

Do 802.11a và 802.11b sử dụng các tần số khác nhau, nên hai công nghệ này không thể tương thích với nhau Chính vì vậy một số hãng đã cung cấp các thiết bị mạng hybrid cho 802.11a/b nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là

bổ sung thêm hai chuẩn này

Ưu điểm của 802.11a: tốc độ cao, tần số 5Ghz tránh được sự xuyên nhiễu

từ các thiết bị khác

Nhược điểm của 802.11a: giá thành đắt, phạm vị hẹp và dễ bị che khuất

802.11g

Vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn

đó là 802.11g, được đánh giá cao trên thị trường 802.11g thực hiện sự kết hợp tốt nhất giữa 802.11a và 802.11b Nó hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số 2.4 Ghz để có phạm vi rộng 802.11g có khả năng tương thích với các chuẩn 802.11b, điều đó có nghĩa là các điểm truy cập 802.11g sẽ làm việc với các adapter mạng không dây 802.11b và ngược lại

Ưu điểm của 802.11g: tốc độ cao, phạm vi tín hiệu tốt và ít bị che khuất Nhược điểm của 802.11g: giá thành đắt hơn 802.11b, các thiết bị có thể

bị xuyên nhiễu từ nhiều thiết bị khác sử dụng cùng băng tần

802.11n

Chuẩn mới nhất trong danh mục Wi-Fi chính là 802.11n Đây là chuẩn được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và các anter (công nghệ MIMO) Khi chuẩn này được đưa ra, các kết nối 802.11n sẽ hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 100 Mbps 802.11n cũng cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn so với các chuẩn Wi-Fi trước nó nhờ cường độ tín hiệu mạnh của nó Thiết bị 802.11n sẽ tương thích với các thiết bị 802.11g

Ưu điểm của 802.11n: tốc độ nhanh và phạm vi tín hiệu tốt nhất, khả năng chịu đựng tốt hơn từ việc xuyên nhiễu từ các nguồn bên ngoài

Nhược điểm của 802.11n: giá thành đắt hơn 802.11g, sử dụng nhiều tính hiệu có thể gây nhiễu với các mạng 802.11b/g gần đó

2.2 Giới thiệu về Access Point

Các điểm truy cập không dây (AP: Access Point) tạo ra các vùng phủ sóng, nối các nút di động tới các cơ sở hạ tầng Lan có dây Vì các điểm truy cập cho phép mở rộng vùng phủ sóng nên các mạng không dây WLAN có thể triển khai trong một tòa nhà hay một khu trường đại học, tạo ra một vùng truy cập không dây rộng lớn Các điểm truy cập này không chỉ cung cấp trao đổi thông tin các mạng không dây mà còn lọc lưu lượng và thực hiện chức năng cầu nối với các tiêu chuẩn khác

Hình 2-2: Các Access Point được thiết kế theo chuẩn 802.11X

2.3 Một số lưu ý trong quá trình triển khai mạng không dây

Trong quá trình triển khai mạng không dây, việc xác định vị trí và lắp đặt các Wireless Access Point là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến tốc độ của sự ổn định của mạng Nó không giống như chúng ta triển khai một mạng LAN thông thường vì công nghệ không dây truyền tín hiệu dựa trên sự truyền phát tín hiệu radio Mặt khác tính hiệu radio là loại tín hiệu có thể bị cản trở, phản hồi, bị chặn hoặc bị nhiễu bởi các vật cản như tường, trần nhà … Việc này làm cho quá trình kết nối bị gián đoạn khi người sử dụng di chuyển trong phạm vi phủ sóng của mạng Thông qua các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền thông trong mạng, ta

có thể tìm ra phương thức triển khai lắp đặt các AP một cách tốt nhất

Việc lựa chọn vị trí AP phụ thuộc vào cấu trúc của tòa nhà, các vật cản … Việc thay đổi truyền phát tín hiệu làm biến dạng vùng thể tích phạm vi lý tưởng qua việc ngăn chặn, phản hồi và suy giảm tần số radio (giảm cường độ tín hiệu) có thể ảnh hưởng đến cách triển khai AP Các vật kim loại trong một tòa nhà hoặc được dùng trong xây dựng của một tòa nhà có thể ảnh hưởng đến tín hiệu không dây như

xà nhà, cáp thang máy, thép trong bê tông, các ống thông gió, điều hòa nhiệt độ và điều hòa không khí, tường chứa kim loại, các khối xỉ thang, bê tông, bàn kim loại,

bể cá, hoặc các loại thiết bị kim loại lớn khác…

Cần xác định nguồn giao thoa vì bất cứ thiết bị nào hoạt động trên các tần số giống như các thiết bị mạng không dây đều có thể bị nhiễu tín hiệu Các nguồn giao thoa cũng làm biến dạng vùng thể tích phạm vi lý tưởng của AP Vì vậy cần lựa chọn vị trí lắp đặt AP cách xa các nguồn giao thoa này

Xác định số lượng AP cũng là một vấn đề cần quan tâm Phải có đủ AP để đảm bảo các người dùng có đủ cường độ tín hiệu từ bất cứ đâu trong vùng thể tích phạm

vi Các AP điển hình sử dụng ăngten đẳng hướng phát ra một vùng tín hiệu hình tròn

phẳng thẳng đứng lan truyền giữa các tầng của tòa nhà Phải có đủ AP để đảm bảo vùng tính hiệu được chồng lên nhau giữa các AP

Điều quan trọng trong việc triển khai lắp đặt AP là lắp đặt AP sao cho phải đủ gần nhau để cung cấp phạm vi rộng nhưng phải đủ xa để các AP không gây nhiễu lẫn nhau Khoảng cách thực tế giữa 2 AP bất kỳ phụ thuộc vào sự kết hợp của kiểu

AP cũng như các nguồn làm giảm, chặn, va, phản hồi tín hiệu Nên cố gắng giữ tỉ lệ trung bình tốt nhất giữa các máy trạm tới AP, tức không để một AP phục vụ quá nhiều máy trạm còn một AP lại phục vụ một vài máy trạm vì lượng trung bình người dùng kết nối tới một AP càng lớn thì hiệu quả truyền dữ liệu càng thấp Quá nhiều máy khách sử dụng cùng một AP sẽ làm giảm lưu lượng mạng, hiệu quả và băng thông cho mỗi máy khách

Do vậy việc triển khai mạng không dây trong một tòa nhà hay các trường đại học là một điều rất quan trọng cần phải được tính toán cẩn thận

Chương 3: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

Hiện nay công nghệ GPS phát triển rầm rộ và rộng rãi, hầu như quen thuộc với mỗi chúng chúng ta LBS (Location Base Service) là một dịch vụ dựa vào công nghệ GPS đang được phát triển hiện nay LBS là một dịch vụ dựa vào vị trí của người sử dụng điện thoại di động Ở đây cung cấp nhiều dịch vụ: tự động thông báo với một trung tâm cấp cứu tại vị trí của người sử dụng khi họ ở trong một tình huống khẩn cấp; dịch vụ Tính cước Định vị cung cấp một giá chiết khấu khi gọi và nhận tại mỗi khu vực; dịch vụ theo dấu và quản lý vị trí của một người, một đồ vật; dịch vụ Thông tin Định vị cung cấp thông tin địa phương trên một khu vực ở gần thuê bao… Tuy nhiên những dịch vụ này chỉ sử dụng ngoài trời

Công nghệ định vị trong nhà RFID là một trong những công nghệ định vị trong nhà được sử dụng rộng rãi như trong thư viện, trong các viện bảo tàng lớn, trong các

tòa nhà,

Công nghệ RFID đã và đang đáp ứng nhu cầu giải quyết những khó khăn trong việc quản lý thư viện Với tính năng “3 trong 1”, lưu thông - an ninh - kiểm kê, RFID không những tối ưu hóa quỹ thời gian của nhân viên thư viện mà đặc biệt là đem lại sự thuận tiện và đảm bảo tính riêng tư của bạn đọc khi họ sử dụng quầy mượn trả tự động

Điểm son của RFID chính là tính năng kiểm kê khi nhân viên chỉ cần đi dọc theo hàng dãy kệ mà không cần phải nhấc xuống (rồi) đặt lên bất kỳ quyển sách nào

và tính năng lưu thông nhiều tài liệu cùng một lúc (ví dụ: một chồng sách gồm 10 quyển, vài đĩa CD-ROM và băng video hoặc cát xét chỉ cần một lần quét duy nhất tại quầy lưu thông)

Ứng dụng RFID trong thư viện đã và đang đem đến những lợi trước mắt và lâu dài cho quy trình quản lý thư viện, “truy tìm dấu vết” của các tài liệu xếp sai vị trí,

tự động mượn trả, gia tăng an ninh thư viện

Những năm gần đây, một số nhà sản xuất RFID và công ty phần mềm thư viện tại Hoa Kỳ, châu Âu và ngay tại châu Á Thái Bình Dương đã ứng dụng một thế hệ

“con chip” RFID mới được gọi là UHF RFID (Ultra High Frequency RFID – RFID băng tầng cực cao) thay vì HF RFID (High Frequency RFID – RFID băng tầng cao) Dải băng tầng của UHF RFID lên đến 860-960MHz gấp 70 lần so với RFID bình thường vốn chỉ có 13.56MHz UHF RFID có thể đạt đến tốc độ đọc 1000 nhãn trong một giây Đây là tốc độ thực tế sử dụng tại các thư viện đã áp dụng công nghệ này tại Singapore chứ không phải là tốc độ ghi nhận trong các thí nghiệm tại hãng sản xuất RFID Bên cạnh đó, UHF RFID còn giảm khả năng nhiễu sóng so với RFID thông thường Tốc độ đọc, khả năng ít nhiễu sóng không chỉ đẩy nhanh tốc độ

xử lý tài liệu tại điểm lưu thông mà còn gia tăng tính hiệu quả các cửa an ninh của thư viện

Dãy tầng số đọc của UHF RFID gấp 4 lần so với RFID 13.56MHz Thiết bị đọc cầm tay dùng trong kiểm kê của UHF RFID trong cùng một thời gian có thể đọc nhiều hơn 12 quyển sách so với thiết bị của RFID 13.56MHz

Một ưu điểm đặc biệt của UHF RFID chắc chắn sẽ mang đến sự phổ biến của công nghệ này khi tích hợp với hệ thống quản lý thư viện trong tương lai là giá thành rẻ hơn so với RFID hiện nay

Ngoài ra dựa vào hệ thống định vị trong nhà con người có thể xác định vị trí của mình ở đâu trong một khu vực rộng lớn như siêu thị, nhà ga…

Bên cạnh đó cùng với sự phát triển của công nghệ mạng không dây và thiết bị

di động Hệ thống định vị dựa vào WLAN là một hệ thống thuận lợi và kinh tế trong công nghệ định vị trong nhà Đây cũng là một hướng nghiên cứu đang phát triển

động và Wlan

Phương pháp phổ biến định vị trong nhà sử dụng thiết bị di động và WLAN chủ yếu dựa vào độ mạnh yếu của mức sóng mà thiết bị di động nhận được từ các

AP đã được lắp đặt trong tòa nhà

Sau đây chúng tôi giới thiệu một vài phương pháp xác định vị trí trong nhà dùng thiết bị di động và WLAN và access point

3.1.1 Phương pháp loại suy

Marion Hermersdorf sử dụng mạng nội bộ không dây để tính toán vị trí Việc tính toán dựa vào vị trí của các access point Các user đưa thông tin của access point đến nơi lưu trữ dữ liệu dùng chung nơi mà các user có thể nhận chúng Sự chính xác của kết quả tính toán cũng dựa vào chất lượng của access point Đặc biệt trong việc xác định vị trí trong nhà phải tăng độ chính xác và không gian 3 chiều Ở đây chỉ tập trung vào bài toán đơn giản và thô sơ, thuật toán xác định vị trí trong nhà dựa vào thiết bị di động và kỹ thuật dựa vào thiết bị không dây nội bộ chuẩn 802.11

Vị trí của người sử dụng thiết bị được tính toán được dựa vào danh sách các access point trong nhà và vị trí lắp đặt của chúng

Ở đây tác giả đề cập đến một bài toán đơn giản, do đó chỉ cần xem xét kết quả

mạnh yếu của tín hiệu nhận được của mỗi access point khác nhau Thông tin này tham gia trong quá trình tính toán

Bốn bước cơ bản để tính toán vị trí:

 Bước 1: Quét mạng không dây nội bộ

 Bước 2: Xác định danh sách các Access point trong tòa nhà

 Bước 3: X định mức sóng của các access point trong các tầng lầu và phòng

 Bước 4: Xác định nơi mà mức sóng nhận được mạnh nhất là nơi vị trí cần được tính toán

Sau đây là một thí nghiệm đã được hiện thực

Hình 3-1: Sơ đồ tòa nhà

Sơ đồ tòa nhà: Tòa nhà gồm 6 phòng A, B, C, D, E, F và X là một khoảng không Toàn nhà gồm 7 tầng, giả sử mỗi phòng trong tòa nhà sẽ được lắp 2 access point ngoại trừ khu cà phê ở gian C và D của tầng thứ 1 thì không được lắp access point nào cả

Khu vực khoảng không X thì được lắp 2 access point, do vậy có tổng cộng 82 access point được lắp đăt trong tòa nhà

20 giây một lần tính toán vị trí của người sử dụng thiết bị di động và lưu thành 2 file riêng biệt Dữ liệu này thu thập trong thời hạn là 28 giờ

3 Thu thập dữ liệu trong thời gian thực: WLAN scanning và bảng tính toán vị trí của một người trong suốt thời gian làm việc một ngày ở trong tòa nhà Bảng hiển thị 20 giây một lần và tính toán vị trí Dữ liệu scan

và dữ liệu tính toán vị trí được lưu thành 2 bảng riêng biệt trên thiết bị Sau đây là kết quả mà tác giả đã thu được

Hình 3-2: Mô tả dữ liệu

Trong cột thứ nhất là danh sách các tất cả các tín hiệu cuả mức sóng mà thiết

bị nhận được Cột 2 là danh sách các mức sóng được phát ra từ access point của tòa nhà Cột thứ 3 là thống kê lại số lần mà nhận được sóng phát ra ở mỗi tầng, mỗi nhánh của tòa nhà và độ mạnh yếu của nó và số lần của các nhánh của tòa nhà Cột

4 tính toán và xác định vị trí

Với phương pháp này thì việc tính toán là đơn giản, dễ dàng nhưng độ chính xác không cao vì chủ yếu dựa vào phương pháp loại suy

3.1.2 Phương pháp dựa vào khoảng cách Euclidean

Sử dụng phương pháp phân nhóm dựa vào việc tính khoảng cách Euclidean, quá trình xác định vị trí chia làm 2 giai đoạn

 Off-line: thu thập dữ liệu tại nhiều vị trí khác nhau và nhiều hướng khác nhau và lưu vào trong bảng đồ sóng Ví dụ (p, RSS1, RSS2, …,

n

RSS ) với p là vị trí, RSS i là độ mạnh của mức sóng mà nhận được từ access point thứ i Tuy nhiên độ mạnh yếu của mức sóng tại một vị trí bị phụ thuộc vào hướng của vị trí đó, do vậy hầu hết hệ thống xác định thêm hướng của vị trí (ví dụ hướng bắc, hướng nam, hướng đông, hướng tây), và kết quả sẽ được biểu diễn như sau (p, d,RSS1, RSS2, …,

Sử dụng phương pháp Nearnest Neighbor in Signal Space (NNSS) để xác định

(RSS o RSS r )  (  RSS o nRSS r n)với (RSS o,1,…, RSS o n, ) là độ dài mức sóng quan sát được trong giai đoạn on-line và

(RSS r,1,…, RSS r n, ) là độ dài các mức sóng trong bản đồ sóng đã thu được trong giai đọạn off-line, và vị trí sẽ được chọn là vị trí trong bản đồ sóng mà khoảng cách Euclidean nhỏ nhất

Điểm yếu:

 Phải xác định tập giá vị trí ban đầu trong giai đoạn off-line: dữ liệu phải biểu diễn đầy đủ các vị trí trong tòa nhà, nhưng dữ liệu quá nhiều sẽ bị cồng kềnh và gây khó khăn trong việc tính toán

 Quá trình off-line phải bị lặp lại nếu trường hợp có một access point bị

hư, hoặc thay đổi vị trí, hoặc cấu trúc tòa nhà thay đổi, như xây thêm một bức tường, lắp đặt thêm các thiết bị trong phòng, …

3.1.3 Phương pháp dựa vào việc tính xác suất

Phương pháp này sử dụng phương thức phân lớp Bayes để xác định vị trí của thiết bị trong thời gian thực

Chọn 100 vị trí khác nhau trong tòa nhà, tại mỗi vị trí tiến hành đo 300 lần cho nhiều hướng khác nhau Ngoài ra, chúng ta cần phải đặt nặng việc chọn những vị trí đặc biệt như những ví dụ vị trí bị nhiễu sóng

Gọi tập L = {l1, l2, , l n}là tập vị trí trong tòa nhà xác định ban đầu để đo mức sóng từ các access point trong tòa nhà, gọi tập A = {a1, a2, …, a m} là tập các access point được lắp đặt trong tòa nhà Tại mỗi vị trí l ita đo được mức sóng s (0 ≤ s ≤ 100) tiếp nhận được từ access point a j, xác suất phân bố p s i j( ) với:

100

( ) 1

j i

p s 



Giả sử tại một vị trí chưa biết trước x, ta có tập O = (o1,o2, …, o n) với o j là mức sóng nhận được từ access point a j trong tòa nhà Theo phương thức phân lớp

sử dụng Naive Bayes ta tính tất cả xác suất P(l i|O) là xác suất x tại vị trí l i khi quan sát được tập mức sóng O, và chọn giá trị P(l i|O) lớn nhất

Mà ta có:

( | ) ( ) ( | )

( )

i i i

P(O|l i) là xác suất quan sát được tập mức sóng O tại vị trí l i ta biểu diễn như sau

 Giai đoạn huấn luyện: phần này thu thập và tạo các vị trí của tập L Việc chọn vị trí rất quan trọng nên phải tiến hành cẩn thận, chọn các vị trí bao phủ hết khu vực cần quan sát Ngoài ra còn phải đề cập đến khu vực

bị nhiễu sóng và hướng, những yếu tố này cũng ảnh hưởng đến mức

sóng truyền Do vậy ta cần phải xác định 4 hướng cho mỗi vị trí trong tập L Tại mỗi vị trí ta cần phải thu thập môt số các mức sóng quan sát được từ tất cả các access point trong tòa nhà Những dữ liệu này ta dùng

để tính các xác suất p s i j( ), p s i j( ) có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán nên phải tiến hành giai đoạn này thật cẩn thận Để dữ liệu đầy đủ nhằm đạt giá trị xác suất tính toán chính xác hơn thì dữ liệu phải được thu thập nhiều, do vậy dữ liệu sẽ cồng kềnh Để dữ liệu thu thập đầy đủ cho việc tính toán chính xác, tác giả đã đề cập đến mô hình training scheme sẽ được đề cập sau

 Giai đoạn làm việc: Thiết bị di động sẽ nhận được những tín hiệu từ những access point khác nhau từ vị trí cần tính toán trong thời gian thực Tuy nhiên các mức sóng đo được sẽ bị ảnh hưởng đến nhiều yếu

tố, môi truờng xung quanh, kiến trúc toàn nhà, … có tránh trường hợp mức sóng suy giảm đột biến, để cải thiện vấn đề này tác giả đề xuất thuật toán tracking-asistant, sẽ đề cập sau

Training scheme: Để việc xác định vị trí chính xác thì dữ liệu thu thập trong

tập huấn luyện phải đầy đủ, phải phân phối hết khu vực cần kiểm tra Tuy nhiên nếu dữ liệu nhiều quá thì sẽ bị cồng kềnh gây trở ngại lớn trong việc tính toán Để giải quyết vấn đề này ta đề xuất ra training scheme, bao gồm 3 bước

o Bước 1: tại một vị trí l i, có k lần thu nhận các tín hiệu từ các access point, ta có O k(k=1, 2, …, K) với O k = ( 1k

là mức sóng mà thu nhận được từ access point a jtrong lần đo thứ k

o Bước 2: Để việc tính toán xác suất thuận lợi, từ những kết quả thu được trên bước 1, định nghĩa bộ lọc

( ) ( ) ( )

'

( ) ( )''

( ) ( )

s

j i s

,  là tham số được gán tương úng là là 1.0, và 0.9

Thuật toán xác định vị trí Tracking-assistant :

Theo như tính toán trong biểu thức (1) kết quả tính toán P(l i|0) phụ thuộc vào P(l i) Thuật toán này nhằm mục đích tăng độ chính xác của P(l i) Theo thực tế ta

thấy thiết bị không thể di chuyển một khoảng cách quá dài trong một thời gian quá ngắn hoặc thiết bị không thể di chuyển từ một vị trí này sang một vị trí khác mà bị

ngăn cách bởi bức tường trong một thời gian ngắn

Giả sử rằng một thiết bị đã được xác định di chuyển k vị trí trong tòa nhà theo thứ tự p

Với phương pháp này việc tính toán rất phức tạp, đối với dữ liệu lớn sẽ làm giảm tốc độ tính toán

trường xung quanh đối với quá trình truyền tín hiệu sóng

Độ chính xác của hệ thống xác định vị trí trong nhà phụ thuộc rất lớn vào môi trường xung quanh Nhóm tác giả Y.Wang, H.K Lee đã đưa ra một vài thử nghiệm tiêu biểu về kỷ thuật tăng độ chính xác

Sau đây là một vài thí nghiệm để xác định sự ổn định của môi trường xung quanh Tuy nhiên đây chỉ là lý thuyết nghiên cứu, khó có thể ứng dụng được trong thực tế Trong thực tế, rất khó để xác định chính xác, vì môi trường xung quanh ảnh hưởng rất nhiều yếu tố như thời tiết, các thiết bị điện tử như máy tính, lò vi sóng…

Do vậy ở đây ta chỉ xem xét và đánh giá một cách lý thuyết

Sự suy giảm tín hiệu là: