Chương 1 : Cơ sở lý thuyết Tổng quan về Hệ thống định vị trong nhà Chương 2 : Nghiên cứu về kho dữ liệu thời gian thực và các vấn đề liên quan cho hệ thống định vị, trợ giúp trong nhà Chương 3 : Đề xuất mô hình triển khai kho dữ liệu thời gian thực cho hệ thống định vị trong nhà Kết luận và hướng phát triển của luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG NHÀ 1.1 Giới thiệu Với sự ra đời của các thiết bị di động và Internet, các dịch vụ dựa trên vị trí (LBSs) đã trở thành một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của con người. Các dịch vụ dựa trên vị trí tích hợp vị trí của thiết bị di động với các thông tin khác để cung cấp các loại dịch vụ khác nhau cho người sử dụng. Vì vậy, thông tin về vị trí và định vị vị trí của người dùng là một phần thiết yếu của dịch vụ dựa trên vị trí.1 mô tả các thành phần cơ sở hạ tầng khác nhau cần thiết cho dịch vụ dựa trên vị trí làm việc bao gồm: thiết bị di động, mạng lưới thông tin liên lạc, hệ thống định vị và các nhà cung cấp data/service Hình 1.1: Các thành phần cơ sở hạ tầng LBS Có rất nhiều ứng dụng LBS khác nhau như điều hướng, theo dõi người và tài sản, an ninh dựa trên vị trí, điều phối ứng phó khẩn cấp,….
Để cung cấp LBSs tin cậy cần phải định vị chính xác vị trí người dùng trong thời gian thực. Do đó, tính chính xác và độ chuẩn xác của hệ thống định vị ngày càng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ được cải thiện và được đầu tư nghiên cứu. Đối với môi trường ngoài trời, hệ thống định vị GPS và hệ thống dựa trên mạng di động là hai công nghệ được sử dụng phổ biến nhất để cung cấp các dịch vụ điều hướng và định vị. Tuy nhiên các công nghệ này không thể sử dụng trực tiếp trong môi trường trong nhà do các tín hiệu thường quá yếu.
Như vậy, công nghệ định vị không dây trong nhà đã và đang trở thành đề tài nghiên cứu phổ biến trong những năm gần đây 1. Một số công nghệ định vị Trong phần này học viên sẽ phân tích một số công nghệ thường được lựa chọn để áp dụng trong các hệ thống định vị 1.1 Công nghệ hồng ngoại Rất nhiều các hệ thống định vị được triển khai trong những dự án nghiên cứu hiện nay sử dụng công nghệ hồng ngoại và phương pháp định vị tiệm cận để xác định vị trí. Không như các sóng vô tuyến các tín hiệu hồng ngoại có cự ly truyền tương đối ngắn và không bị hấp thụ bởi các bề mặt trong môi trường trong nhà như tường, sàn… ngược lại chúng có thể phản xạ trên hầu hết các bề mặt đó. Chính những đặc điểm trên dẫn đến sự kết hợp hiệu quả giữa công nghệ hồng ngoại với phương pháp định vị tiệm cận dành cho các ứng dụng cần định vị đối tượng trong một căn phòng của toà nhà.
Tuy nhiên do các tia hồng ngoại chỉ có tính phản xạ một phần và bị phân tán với các chướng ngại vật nên trong một số trường hợp giữa bộ phát và bộ thu phải không có chướng ngại vật hay nói cách khác chúng phải nhìn thấy được nhau thì mới có thể trao đổi các thông tin liên quan. Hệ thống định vị hồng ngoại đầu tiên được phát triển vào những năm đầu của thập kỷ 90 của thế kỷ trước, công nghệ hồng ngoại lúc đó đã đạt độ chín muồi và đã được ứng dụng trong nhiều sản phẩm thương mại khác nhau (chẳng hạn như trong các bộ điều khiển gia dụng như điều khiển ti vi, đầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ video, máy lạnh…). So với các tín hiệu vô tuyến, các thiết bị cần thiết cho công nghệ hồng ngoại có giá thành rẻ hơn, đơn giản hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn tuy nhiên chúng có một số nhược điểm như tốc độ truyền thấp, bị ảnh hưởng bởi sự xuyên lẫn từ các nguồn ánh sáng môi trường và các thiết bị thu phát hồng ngoại khác.2 Công nghệ mạng cục bộ không dây (WLAN) Các mạng cục bộ không dây (Wireless Local Area Network - WLAN) dựa trên họ tiêu chuẩn 802.11x của IEEE và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau. Một WLAN được cài đặt trong một toà nhà thông thường là một hệ thống tế bào gồm nhiều ô, mỗi ô được phục vụ bởi một trạm cơ sở BS.
Trong họ tiêu chuẩn IEEE 802.11x, các trạm BS được gọi là điểm truy cập (Access Point – AP), vùng phủ sóng của một điểm truy cập được gọi là vùng cung cấp dịch vụ cơ bản (Basic Service Area -BSA). Tập hợp tất cả các thiết bị đầu cuối được phục vụ bởi AP được gọi là tập hợp các dịch vụ cơ bản (Basic Service Set (BSS)). Một số BSS có thể liên kết với nhau qua các thiết bị liên quan sử dụng dây nối hình thành nên một tập hợp các dịch vụ mở rộng (Extended Service Set ESS). Chế độ hoạt động cần các thiết bị liên quan của IEEE 802.11x được gọi là chế độ cơ sở hạ tầng.
Ngoài ra các chuẩn IEEE 802.11x còn cho phép truyền thông trực tiếp giữa các thiết bị đầu cuối mà không cần các thiết bị liên quan giữa chúng, chế độ này được gọi là chế độ ad-hoc.11x bao gồm hai lớp, một lớp đại diện cho giao tiếp với không gian được gọi là lớp vật lý và lớp còn lại để kết hợp với các đa truy cập được gọi là lớp truy cập trung gian (medium access layer - MAC). Họ tiêu chuẩn IEEE 802.11x có nhiều phiên bản khác nhau như khác nhau về tần số, phương thức điều chế và các cấu trúc truy cập, kiểu tín hiệu (sóng vô tuyến hay hồng ngoại.), tốc độ truyền, băng thông, cự ly hoạt động… ngày nay hầu hết các thiết bị WLAN hoạt động đều dựa trên hai chuẩn chính đó là Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.11g được phát triển năm 1999 nó hoạt động trên dải tần số 2.4 Ghz cung cấp tốc độ truyền tới 11 Mbps, khoảng cách hoạt động từ vài chục m tới vài trăm m, chúng phụ thuộc rất nhiều vào môi trường xung quanh. Năm 2003 các hệ thống mạng dựa trên chuẩn IEEE 802.11g bắt đầu xuất hiện, chuẩn này hỗ trợ cả các thiết bị tuân theo chuẩn IEEE 802.11b và có tốc độ truyền lên tới 54 Mbps. Các thiết bị sử dụng công nghệ WLAN hiện nay đang được sử dụng hết sức phổ biến đặc biệt tại các khu vực thành phố, trong các toàn nhà công cộng, đồng thời các nhà sản xuất đang gia tăng việc tích hợp công nghệ WLAN vào nhiều sản phẩm như PDA, điện thoại di động… điều này làm WLAN càng trở nên hấp dẫn trong vấn đề cung cấp các dịch vụ liên quan tới định vị trong môi trường trong nhà.
Hầu hết các hệ thống định vị sử dụng công nghệ WLAN đã được phát triển đều dựa trên nguyên tắc xác định cường độ tín hiệu thu (Received Signal Strength - RSS), tỉ lệ tín hiệu thu trên nhiễu (Received Signal-to-Noise Ratio - SNR), hoặc phương pháp định vị tiệm cận. Phương pháp đo thời gian thường không được lựa chọn do độ chính xác trong đồng bộ thời gian là một vấn đề rất phức tạp trong WLAN và rất khó để xác định được khoảng thời gian khác nhau do cự ly truyền trong môi trường trong nhà hoặc ngoài trời là rất ngắn. Việc xác định RSS và SNR dựa trên các tín hiệu theo các hướng truyền lên (uplink) hoặc hướng về (downlink), các tín hiệu này được gọi là các tín hiệu điều khiển (beacon). Khi các tín hiệu điều khiển được gửi đến, bộ thu sẽ xác định các thông số RSS hoặc SNR sau đó chuyển các thông tin này cho các lớp ứng dụng của người sử dụng, đây là các tính năng có sẵn trong hầu hết các thiết bị WLAN.
Để đo các thông số trong trường hợp truyền lên, các thiết bị đầu cuối di động phải tạo ra các tín hiệu điều khiển sau đó các tín hiệu này sẽ được truyền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ tới các AP trong phạm vi hoạt động. Đây là cơ sở cho các phương pháp định vị dựa trên hệ thống mạng. Để đo các thông số trong trường hợp truyền về có thể tận dụng tính năng quét thụ động có sẵn của WLAN. Các thiết bị đầu cuối di động liên tục quét một cách thụ động để phát hiện các AP gần kề và lựa chọn AP tốt nhất để kết nối thông tin.
Để đạt được mục đích này, mỗi AP định kỳ sẽ phát một tín hiệu điều khiển có chứa một số thông tin như tem thời gian, tốc độ hỗ trợ và nhận dạng của AP được gọi là nhận dạng các dịch vụ cơ bản (Basic Service Set Identifier - BSSI). Khoảng thời gian giữa 2 tín hiệu điều khiển có thể được thay đổi một cách mềm rẻo và chúng thường có giá trị từ vài chục tới vài trăm ms. Thiết bị đầu cuối thường xuyên lắng nghe các kênh để có thể nhận các tín hiệu điều khiển từ các AP xung quanh và ghi lại các thông số của chúng cũng như đo các giá trị RSS và SNR. Sau đó chúng thường lựa chọn các AP có chất lượng tín hiệu tốt nhất để kết nối.
Ngoài ra nếu thiết bị đầu cuối không nhận được một tín hiệu điều khiển nào trong quá trình quét thụ động theo thời gian đã quy định (có thể do khoảng thời gian được thiết lập quá dài), nó có thể phát đi tín hiệu dò, sau đó tất cả các AP trong phạm vi hoạt động đó sẽ gửi lại một tín hiệu điều khiển đáp ứng. Chúng ta gọi đó là quét tích cực. Do vậy cả quét thụ động và quét tích cực đều có thể được sử dụng trong các hệ thống định vị dựa trên thiết bị đầu cuối hoặc trong các hệ thống định vị có sự giúp đỡ của thiết bị đầu cuối. Việc thu nhập các tín hiệu điều khiển theo các hướng truyền đã dẫn tới ba phương pháp định vị cơ bản mà chúng ta đã khảo sát trong chương 2 đó là các phương pháp định vị tiệm cận, phương pháp giao khoảng cách, phương pháp dấu vân tay trong mạng nội bộ không dây.
Phương pháp tiệm cận trong WLAN có độ chính xác thấp tuy nhiên đây là phương pháp đơn giản nhất. Nó được hỗ trợ bởi một cơ sở dữ liệu chứa ánh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.vn/ xạ từ các BSSI tới các số phòng tương ứng.
