Nghiên Cứu Các Giải Pháp Định Vị Trong Nhà Hiệu Quả Dựa Trên Dữ Liệu Sóng Không Dây

Luận án tiến sĩ khám phá giải pháp định vị trong nhà hiệu quả, ứng dụng dữ liệu sóng không dây để nâng cao độ chính xác và hiệu suất.

• Tác giả: Ngô Văn Bình
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Đỗ Thanh Tùng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Giải Pháp Định Vị Trong Nhà Hiệu Quả Dựa Trên Dữ Liệu Sóng Không Dây
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Bài toán định vị dựa trên vị trí
• 1.2. Bài toán định vị trong nhà dựa trên dữ liệu sóng không dây
• 1.3. Các công nghệ không dây dùng định vị trong nhà
• 1.4. Tổng quan các phương pháp định vị trong nhà bằng dữ liệu sóng WiFi
• 1.5. Định vị trong nhà bằng phương pháp fingerPrinting
• 1.5.1. Kiến trúc hệ thống định vị bằng phương pháp fingerPrinting
• 1.5.2. Cơ sở dữ liệu fingerPrinting
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng định vị của hệ thống định vị trong nhà bằng fingerPrinting
• 1.7. Các phương pháp tăng hiệu quả, độ chính xác định vị của phương pháp fingerPrinting
• 1.7.1. Phương pháp chọn AP
• 1.7.2. Phương pháp phân cụm
• 1.7.3. Phương pháp fingerPrinting dựa trên thuật toán học máy
• 1.8. Một số kỹ thuật được áp dụng trong bài toán định vị trong nhà bằng phương pháp fingerPrinting
• 1.8.1. Phân cụm lan truyền độ tương đương
• 1.8.2. k Hàng xóm gần nhất
• 1.8.3. Máy hỗ trợ vector
• 1.8.4. Hồi quy tuyến tính
• 1.8.5. Hồi quy Logistic
• 1.8.6. Rừng ngẫu nhiên
• 1.8.7. Cây hồi quy bổ sung
• 1.8.8. Máy tăng cường độ dốc nhẹ
• 1.9. Các chỉ số đánh giá hiệu năng hệ thống định vị trong nhà
• 1.9.1. Mô hình phân lớp
• 1.9.2. Mô hình hồi quy
• 1.9.3. Siêu tham số
• 2. PHƯƠNG PHÁP CHỌN AP VÀ PHÂN CỤM CƠ SỞ DỮ LIỆU FINGERPRINTING
• 2.1. Bài toán định vị trong nhà bằng phương pháp fingerPrinting truyền thống
• 2.2. Đề xuất phương pháp chọn AP
• 2.3. Đề xuất phương pháp chọn cụm
• 2.4. Xây dựng môi trường thực nghiệm thực tế
• 2.4.1. Môi trường thực nghiệm
• 2.4.2. Bản đồ định vị và chỉ số quy đổi
• 2.5. Kết quả và đánh giá phương pháp chọn AP
• 2.5.1. Nội dung và kịch bản thực nghiệm
• 2.5.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá
• 2.6. Kết quả và đánh giá phương pháp chọn cụm
• 2.6.1. Lựa chọn phương pháp phân cụm
• 2.6.2. Kịch bản thực nghiệm
• 2.6.3. Kết quả thực nghiệm và đánh giá
• 3. MÔ HÌNH HỌC MÁY HAI GIAI ĐOẠN
• 3.1. Bài toán định vị trong nhà bằng phương pháp fingerPrinting dựa trên học máy
• 3.2. Mô hình đề xuất
• 3.3. Môi trường thực nghiệm và bài toán định vị
• 3.3.1. Bộ dữ liệu thực nghiệm
• 3.3.2. Bài toán định vị
• 3.4. Mô hình phân lớp hai giai đoạn dự đoán tòa tầng
• 3.4.1. Xây dựng và đề xuất mô hình phân lớp hai giai đoạn dự đoán tòa tầng
• 3.4.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá mô hình phân lớp hai giai đoạn dự đoán tòa tầng
• 3.5. Mô hình hồi quy hai giai đoạn ước lượng vị trí
• 3.5.1. Xây dựng và đề xuất mô hình hồi quy hai giai đoạn ước lượng vị trí
• 3.5.2. Kết quả và đánh giá mô hình hồi quy hai giai đoạn ước lượng vị trí
• 3.6. Kết quả và đánh giá mô hình đề xuất với dữ liệu thực tế
• 3.7. So sánh kết quả mô hình đề xuất với mô hình của các nghiên cứu khác
• KẾT LUẬN
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A.1. Cơ sở dữ liệu và dữ liệu mẫu dùng trong chương 2
• A.1.1. Cơ sở dữ liệu
• A.1.2. Thu thập mẫu
• A.1.3. Kết quả chi tiết thực nghiệm đề xuất chọn AP
• A.1.3.1. Kết quả chi tiết thực nghiệm phương pháp chọn AP có RSS mạnh nhất
• A.1.3.2. Kết quả chi tiết thực nghiệm đề xuất chọn AP
• A.1.3.3. Siêu tham số

Tóm tắt

I. Tổng quan về định vị trong nhà

Định vị trong nhà là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hệ thống thông tin, đặc biệt là trong bối cảnh phát triển công nghệ không dây. Định vị trong nhà sử dụng các công nghệ như sóng không dây để xác định vị trí của người dùng hoặc thiết bị trong không gian kín. Các giải pháp định vị này không chỉ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng mà còn hỗ trợ trong nhiều ứng dụng thực tiễn như quản lý kho, an toàn trong tòa nhà và dịch vụ khách hàng. Hệ thống định vị trong nhà (IPS) đã trở thành một phần không thể thiếu trong các tòa nhà thông minh và các dịch vụ dựa trên vị trí. Theo thống kê, nhu cầu về IPS đang gia tăng nhanh chóng, với doanh thu dự kiến đạt 24 triệu USD vào năm 2027.

1.1. Các công nghệ không dây trong định vị

Các công nghệ không dây như WiFi, Bluetooth, và sóng siêu âm đã được nghiên cứu và áp dụng trong định vị trong nhà. Trong đó, WiFi được coi là công nghệ phổ biến nhất nhờ vào khả năng phủ sóng rộng và chi phí thấp. Hệ thống định vị GPS, mặc dù chính xác trong môi trường ngoài trời, lại gặp khó khăn trong việc hoạt động hiệu quả trong không gian kín. Do đó, việc phát triển các giải pháp định vị dựa trên sóng không dây là cần thiết để cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các hệ thống này.

II. Phương pháp fingerPrinting trong định vị

Phương pháp fingerPrinting là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất trong định vị trong nhà. Phương pháp này dựa trên việc thu thập dữ liệu cường độ tín hiệu từ các điểm truy cập WiFi (AP) và xây dựng một cơ sở dữ liệu để ước lượng vị trí. Giải pháp định vị này có ưu điểm là dễ dàng tích hợp với các thiết bị thông minh và không yêu cầu thêm phần cứng. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như vật cản và sự thay đổi của tín hiệu. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lựa chọn AP phù hợp và sử dụng các thuật toán học máy có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của phương pháp fingerPrinting.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác

Độ chính xác của phương pháp fingerPrinting phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng tín hiệu và sự phân bố của các AP. Các vật cản trong môi trường như tường và đồ nội thất có thể làm suy giảm tín hiệu, dẫn đến sai số trong việc xác định vị trí. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các thuật toán phân cụm và học máy có thể giúp cải thiện độ chính xác của hệ thống. Việc tối ưu hóa lựa chọn AP cũng là một yếu tố quan trọng để giảm thiểu sai số trong quá trình định vị.

III. Ứng dụng thực tiễn của định vị trong nhà

Các ứng dụng của định vị trong nhà rất đa dạng, từ việc quản lý kho hàng đến hỗ trợ khách hàng trong các trung tâm thương mại. Hệ thống định vị có thể giúp người dùng tìm kiếm vị trí của sản phẩm, điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao trải nghiệm mua sắm. Trong các bệnh viện, hệ thống này có thể giúp theo dõi vị trí của bệnh nhân và thiết bị y tế, từ đó cải thiện hiệu quả chăm sóc sức khỏe. Do đó, việc phát triển các giải pháp định vị hiệu quả là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

3.1. Tương lai của định vị trong nhà

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của định vị trong nhà hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến đáng kể. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của các hệ thống định vị thông qua việc áp dụng các công nghệ mới như học máy và trí tuệ nhân tạo. Điều này không chỉ giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong các lĩnh vực như thương mại điện tử, quản lý tài sản và an toàn công cộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1, luận án giới thiệu tổng quát về bài toán định vị nói chung và định vị trong nhà dựa trên dữ liệu sóng không dây nói riêng. Tiếp đó, luận án trình bày các công nghệ không dây phổ biến. Trong số các công nghệ không dây, WiFi được xác định là công nghệ phù hợp nhất. Sau đó, luận án trình bày chi tiết về hệ thống định vị trong nhà bằng phương pháp fingerPrinting.

Phần này bao gồm lược đồ hoạt động của hệ thống, các bước xây dựng hệ thống, các thách thức mà phương pháp phải đối mặt. Các giải pháp để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của phương pháp fingerPrinting cũng được luận án trình bày và đưa ra các tồn tại cũng như hướng giải quyết của luận án. Cuối chương, một số thuật toán học máy cùng với các chỉ số đo hiệu quả của các mô hình học máy cũng được luận án trình bày tổng quan. Bài toán định vị dựa trên vị trí Hệ thống định vị dựa trên vị trí (Location Based System - LBS) là một giải pháp công nghệ sử dụng thông tin vị trí của thiết bị hoặc người dùng để cung cấp dịch vụ, cung cấp nội dung hoặc đưa ra quyết định dựa trên vị trí hiện tại hoặc vị trí cụ thể của đối tượng.

Các hệ thống này kết hợp phần cứng, phần mềm và dữ liệu để cho phép nhiều dịch vụ trong các lĩnh vực khác nhau. Hệ thống tận dụng các công nghệ như GPS, Wi-Fi, mạng di động để xác định vị trí của người dùng và cung cấp thông tin hoặc dịch vụ có liên quan phù hợp với vị trí đó [91, 92]. Hệ thống định vị có thể có thể chia thành hai loại định vị ngoài trời và định vị trong nhà. Hệ thống định vị ngoài trời thường dựa trên GPS và cung cấp các dịch vụ có độ chính xác cao trong nhiều 11 lĩnh vực khác nhau như quân sự, dự báo thời tiết, theo dõi phương tiện, lập bản đồ, canh tác.

Hệ thống định vị trong nhà thường được thực hiện ở các trung tâm mua sắm, bảo tàng và nhiều môi trường trong nhà khác. Chúng đã được áp dụng cho hệ thống định vị, dịch vụ khẩn cấp, dịch vụ du lịch, dịch vụ giao thông thông minh, mạng xã hội, trò chơi, dịch vụ chăm sóc sức khỏe. Bài toán định vị trong nhà dựa trên dữ liệu sóng không dây Bài toán định vị trong nhà là một bài toán quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông. Nó tập trung vào việc xác định vị trí của các đối tượng hoặc thiết bị trong một môi trường nội bộ như tòa nhà, trung tâm thương mại, bệnh viện, sân bay, trường học và nhiều nơi khác.

Mục tiêu chính của bài toán là định vị các đối tượng trong môi trường trong nhà với độ tin cậy và chính xác cao. Bài toán định vị trong nhà mang lại nhiều lợi ích và ứng dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực IoT (Internet of Things), định vị trong nhà giúp theo dõi và quản lý thông minh các thiết bị kết nối như cảm biến, robot, thiết bị y tế, v. Đối với việc điều hướng trong nhà, hệ thống định vị có thể giúp hướng dẫn người dùng di chuyển trong một môi trường lớn và phức tạp.

Trong lĩnh vực quản lý tài sản, định vị trong nhà cho phép theo dõi và kiểm soát chính xác vị trí của các tài sản quan trọng như hàng hóa, trang thiết bị, v. Ngoài ra, trong trải nghiệm khách hàng, định vị trong nhà cung cấp dịch vụ cá nhân hóa và tăng cường trải nghiệm mua sắm, ăn uống, hoặc di chuyển trong một môi trường thương mại. Bài toán định vị trong nhà có thể được giải quyết bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp sử dụng dữ liệu sóng không dây là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Dữ liệu sóng không dây bao gồm các tín hiệu phát ra từ các nguồn như WiFi, Bluetooth, ZigBee.

Các tín hiệu sóng này được thu thập từ các điểm truy cập hoặc cảm biến được đặt trong không gian nội bộ, và cung cấp thông tin quan trọng về khoảng cách, độ mạnh của tín hiệu và các đặc trưng để xác định vị trí. Dữ liệu này 12 sau đó được sử dụng để xây dựng mô hình định vị [1]. Tuy nhiên, dữ liệu sóng không dây có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như vật cản, nhiễu, suy hao sóng. Điều này làm giảm sự chính xác và độ tin cậy của các phương pháp định vị.

Bởi vậy, các thuật toán và phương pháp định vị trong nhà dựa trên dữ liệu sóng không dây liên tục được phát triển và cải tiến để cung cấp kết quả định vị tốt hơn, nhưng chúng vẫn còn nhiều hạn chế và thách thức. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để nâng cao độ chính xác, độ tin cậy và tính ứng dụng của hệ thống định vị trong nhà. Các công nghệ không dây dùng định vị trong nhà GPS là công cụ định vị ngoài trời phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi, yêu cầu tầm nhìn thẳng (Line-Of-Sight - LOS) giữa các vệ tinh và thiết bị cầm tay. Tuy nhiên, vật cản (như trần nhà và tường) làm cho GPS bị suy giảm chất lượng do phản xạ tín hiệu [93] và suy giảm tín hiệu [94].

Điều này dẫn đến GPS không đạt hiệu quả cao và gần như không thích hợp cho việc định vị trong nhà [95]. Có nhiều công nghệ không dây khác nhau được sử dụng thay thế GPS để định vị trong nhà. Trong đó, các công nghệ không dây được dùng phổ biến bao gồm: Nhận dạng tần số vô tuyến (Ra- dio Frequency Identification-RFID), băng thông siêu rộng (Ultra Wide Band UWB), Bluetooth, ZigBee và WiFi [96]. Hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification – RFID) bao gồm đầu đọc và thẻ RFID giao tiếp qua giao thức cố định [97].

Có hai loại RFID: chủ động (hoạt động ở tần số cực cao, có thể định vị và theo dõi trong nhà) và thụ động (hoạt động trong phạm vi ngắn, không cần pin, được sử dụng rộng rãi trong các tình huống trong nhà như nhà kho, thư viện và cửa hàng) [98]. Tuy nhiên, việc triển khai hệ thống định vị trong nhà sử dụng RFID chủ động và thụ động khó khăn vì không được hỗ trợ trên hầu hết các thiết bị di động người dùng. Băng thông siêu rộng (Ultra-wideband-UWB) có băng thông rộng hơn 500 MHz, 13 từ 3,1 đến 10,6 GHz, sử dụng chu kỳ thấp và tiêu thụ ít năng lượng [99]. UWB là một công nghệ hấp dẫn cho định vị trong nhà vì nó không bị nhiễu bởi các tín hiệu khác, có khả năng xuyên qua vật liệu và có độ nhạy thấp với hiệu ứng đa đường nhờ thời gian ngắn của các xung UWB.

Kỹ thuật thời gian tới(Time of Arrival-ToA) thường được sử dụng trong UWB để định vị và đạt được độ chính xác dưới 1m [6]. Tuy nhiên, tiến trình tiêu chuẩn hóa UWB chậm, dẫn đến hạn chế việc sử dụng UWB trong các sản phẩm tiêu dùng và thiết bị di động. Ngoài ra, chi phí đắt đỏ của thiết bị định vị UWB cũng là một rào cản lớn trong việc áp dụng nó vào bài toán định vị trong nhà. Bluetooth là một công nghệ cho phép kết nối các thiết bị không dây trong một không gian nhất định.

Phiên bản mới nhất của Bluetooth là Bluetooth Low Energy (BLE), còn được gọi là Bluetooth Smart, có tốc độ dữ liệu lên đến 24Mbps và phạm vi từ 70 đến 100 mét, với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp hơn các phiên bản trước [100]. Định vị bằng Bluetooth có nhiều ưu điểm như đơn giản, tiêu thụ năng lượng thấp, tốc độ kết nối nhanh, tốc độ truyền cao, tín hiệu ổn định, an toàn và không bị nhiễu. Bluetooth có thể sử dụng các kỹ thuật định vị trong nhà như Chỉ số cường độ tín hiệu (Received Signal Strength Indicator- RSSI), Góc đến (Angle Of Arrival-AoA) và Thời gian đến (ToA). Độ chính xác của định vị Bluetooth phụ thuộc vào mật độ và công suất truyền của bộ phát Bluetooth.

Tuy nhiên, do hiện tượng đa đường trong môi trường trong nhà, sai số định vị vẫn còn cao [7]. Zigbee là một giao thức truyền thông tầm ngắn [8]. Để định vị trong nhà, giải pháp sử dụng công nghệ ZigBee tạo ra một mạng lưới giữa các nút mù cần định vị, bao gồm các nút tham chiếu đã biết vị trí và các cổng. Các cổng thu thập thông tin từ các nút và gửi đến chương trình định vị trên máy chủ để thực hiện quá trình định vị.

Ưu điểm của phương pháp này là trao đổi thông tin giữa các nút và cổng chỉ yêu cầu lượng năng lượng nhỏ, dẫn đến tiêu thụ điện năng thấp và giá thành rẻ. Tuy nhiên, phương pháp ZigBee cũng có một số nhược điểm như phạm vi định vị hạn chế, sai số định vị lớn, ảnh hưởng đa đường lớn và khả năng chống nhiễu kém, làm cho nó khó áp dụng trong môi trường định vị trong nhà. 14 WiFi là một họ giao diện mạng không dây chính thống dựa trên IEEE 802.11, được sử dụng phổ biến để cung cấp kết nối mạng và internet cho nhiều người dùng trong các môi trường riêng tư và công cộng [9]. WiFi hoạt động trên các băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical) như 2,4 GHz và 5 GHz, sử dụng các kênh có băng thông 20 MHz, 40 MHz và 80 MHz.

Tiêu chuẩn WiFi mới nhất là WiFi 6, hoạt động trên băng tần từ 1 GHz đến 6 GHz, cung cấp độ trễ giảm 75% và tốc độ truyền lên đến 11 Gbps (về mặt lý thuyết) (https://www. Cơ sở hạ tầng mạng WiFi đã phát triển rộng rãi, cho phép người dùng truy cập WiFi từ nhiều địa điểm khác nhau, bao gồm cả trong nhà, quán cà phê, trung tâm thương mại, bệnh viện, sân vận động và sân bay. Giá thành sản xuất module WiFi đã giảm, vì vậy hầu hết các điện thoại thông minh và thiết bị thông minh khác đều tích hợp WiFi. Theo thống kê của trang https://www.com2 , tính đến tháng 1 năm 2023, có khoảng 5,16 tỷ người sử dụng Internet trên toàn cầu, trong đó hầu hết sử dụng WiFi để truy cập Internet.

Sự gia tăng về tốc độ truyền, số lượng điểm truy cập và số lượng thiết bị thông minh dự kiến sẽ làm cho WiFi ngày càng phổ biến và phát triển rộng khắp. So với các công nghệ không dây khác, hệ thống định vị dựa trên WiFi có nhiều ưu điểm đáng kể. Đầu tiên, nó có chi phí thấp và không đòi hỏi phải bổ sung thêm phần cứng, giúp tiết kiệm tài nguyên và công sức triển khai. Thứ hai, hệ thống có khả năng mở rộng cao, cho phép dễ dàng mở rộng phạm vi định vị theo yêu cầu.