Chương 1 trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ thống định vị đối tượng trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nói chung và hệ thống định vị vô tuyến trong nhà sử dụng anten điều khiển búp sóng nói riêng. Có nhiều cách tiếp cận hay phân loại hệ thống định vị khác nhau: theo cấu hình hệ thống [62-64], theo tham số vị trí [65]; theo phương pháp định vị: giao góc, giao khoảng cách, dấu vân tay và xấp xỉ lân cận [10], [37], [66] hoặc phân loại chi tiết theo tham số vị trí và phương pháp định vị như [67]. Do đó, chương này sẽ trình bày cơ sở về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà như: cấu hình hệ thống định vị, các khối chức năng của hệ thống định vị, các kỹ thuật định vị bao gồm tham số vị trí, phương pháp, thuật toán định vị dựa trên sóng vô tuyến đã được sử dụng trực tiếp trong luận án này. Các mô hình truyền sóng trong nhà cũng được phân tích và đề cập trong mục này.
Phần cuối của chương trình bày về anten, nguyên lý anten mảng và anten điều khiển búp sóng tích hợp trong mạch đo tham số vị trí sử dụng trong hệ thống định vị vô tuyến. Tổng quan về các hệ thống định vị vô tuyến trong nhà Hệ thống định vị vô tuyến sử dụng anten truyền thống Một trong những nghiên cứu đầu tiên về định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến phải kể đến hệ thống cảnh báo tự động vị trí của người dùng DALS, được nghiên cứu vào những năm 1993 tại Canada [16]. Đây là hệ thống cảnh báo tự động dành cho các quản ngục trong trại giam, có khả năng báo động, xác định vị trí của quản ngục khi gặp sự cố. Hệ thống làm việc ở dải tần VHF và UHF sử dụng mô-đun phát của Cisco, dựa trên tham số RSS để xác định vị trí.
Hệ thống sử dụng phương pháp tam giác đạc dựa trên ba nút cảm biến để định vị trong vùng 3048m đạt sai số định vị 6,1m. Tiếp theo là nghiên cứu đã được thương mại của Jay Werb người Mỹ và nhóm nghiên cứu của PinPoint Corp, tác giả hệ PinPoint 3D-iD được áp dụng cho bệnh nhân trên xe lăn và trên cáng trong các bệnh viện, dựa trên phương pháp giao khoảng cách, tham số vị trí TDoA [24]. Hệ thống có khả năng định vị 2D hoặc 3D, với định vị 1D ở khu vực hành lang 30m có độ chính xác khoảng 1÷ 3m. Tuy nhiên, hệ thống 10 yêu cầu cài đặt cơ sở hạ tầng có giá thành cao, nhiều trạm, thực hiện theo chuẩn IEEE802.11, có nhiều nhiễu chưa xử lý được [68-69].
Năm 2000, trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto phối hợp với các nhà nghiên cứu của trường đại học Washington đã ra mắt hệ thống định vị SPOT ON dựa trên công nghệ nhận dạng vô tuyến (RFID) thẻ chủ động tại triển lãm UW-CSE khoa học máy tính của trường đại học Washington tại Mỹ [25]. Hệ thống triển khai với phương pháp giao khoảng cách dựa trên tham số vị trí RSS, sai số đạt ~3m trong vùng định vị phòng. Tương tự như SPOT ON, năm 2003 LANDMARC dựa trên công nghệ thẻ tích cực RFID [26]. Hệ thống triển khai trong không gian phòng 36 m2 gồm 4 đầu đọc, 16 thẻ tham chiếu và 8 thẻ thử nghiệm.
Hệ thống thực hiện theo phương pháp dấu vân tay, kết quả cho thấy độ chính xác được cải thiện, sai số chỉ còn 1 ÷ 2m. Hệ thống RADAR ra đời năm 2001, ưu điểm giá thành thấp dựa trên cơ sở hạ tầng và những thiết bị có sẵn, sử dụng chuẩn IEEE 802.11 của mạng không dây cục bộ LAN [27]. Hệ thực hiện cả phương pháp dấu vân tay và phương pháp giao khoảng cách sử dụng tham số RSS. Thực nghiệm gồm năm trạm và được triển khai trên hành lang với không gian 43×22 m.
Phương pháp dấu vân tay đạt sai số 2 ÷ 3 m, phương pháp giao khoảng cách đạt 4,3 m [70]. Tuy nhiên, kết quả trên là thực nghiệm bên ngoài hành lang của 1 sàn, hệ sẽ bị ảnh hưởng khi triển khai nhiều sàn. Nghiên cứu chưa xét đến nhiễu của các nguồn khác cũng như sự biến động của cơ sở dữ liệu khi đối tượng di động, môi trường thay đổi [25], [68], [70]. Năm 2003, hệ thống định vị Horus do phòng thí nghiệm MIND của trường đại học Maryland của Mỹ ra đời và sử dụng chuẩn IEEE802.
Hệ thống thực nghiệm trên một sàn không gian 24,8 × 68,2 m với bốn trạm. Hệ thống sử dụng phương pháp dấu vân tay dựa trên tham số RSS với thuật toán ước lượng vị trí dựa trên xác suất thống kê sử dụng công thức Bayes, sai số hệ thống đạt 2,1 m tốt hơn so với hệ thống RADAR [28], [71]. Ekahau là một trong những hãng nổi tiếng khắp thế giới về hệ thống định vị trong nhà, trụ sở được đặt ở nhiều nơi như: Mỹ, Phần Lan, Nhật Bản. Hệ thống định vị Ekahau bắt đầu nghiên cứu từ những năm 2000 đến nay, hiện hệ thống được thương mại hóa trong rất nhiều các lĩnh vực như: bệnh viện, công nghiệp chế tạo, bán hàng, logistics,…chiếm hàng triệu đô la riêng thị trường Bắc Mỹ vào năm 2012 [72].
Năm 2000 phát triển hệ thống định vị dựa trên mạng cảm biến không dây, từ những năm 2002, hệ thống định vị dựa trên công nghệ Wi-Fi liên tục được kế thừa và phát triển đến nay. Những phiên bản sau kết hợp đa công nghệ như hồng ngoại, tín hiệu âm thanh, hình ảnh, RFID và công nghệ Bluetooth. Các thiết bị truyền nhận có tính chất 11 đặc thù của hãng dựa trên chuẩn IEEE 802. Hệ thống định vị sử dụng phương pháp dấu vân tay dựa trên RSS, dùng các máy tính trạm đặc thù của hãng để tính toán xác định vị trí.
Khi hệ thống chỉ dựa trên công nghệ Wi-Fi với môi trường trong nhà, sai số đạt được trong khoảng 1 ÷ 3 m [29], [37], [70]. Hệ thống định vị AeroScout được thương mại hóa và phục vụ cho ngành chăm sóc sức khỏe và y tế tại Mỹ, Anh, Pháp, Singapore,…Hệ thống hoạt động dựa trên các thiết bị Wi-Fi với chuẩn không dây IEEE 802.11 b/g kết hợp với thẻ RFID chủ động. Các thẻ này thường được gắn cho bệnh nhân, xe lăn, y bác sỹ hay giường bệnh,…để có thể giám sát và xác định vị trí của các đối tượng. Hệ thống sử dụng phương pháp giao khoảng cách với tham số như RSS và TDoA độ chính xác đến nano giây, dữ liệu được gửi về máy chủ để xử lý và xác định vị trí đối tượng.
Mỗi bộ nhận vô tuyến có thể nhận được hơn 330 hiệu tín hiệu đo trên một giây, chúng kết nối với anten ngoài có giản đồ bức xạ đẳng hướng hoặc định hướng của hãng. Sai số của hệ thống đạt 1÷5m với môi trường trong nhà [30-32], [70]. Hệ thống Ubisence nổi tiếng với độ chính xác cao, dựa trên công nghệ UWB với tham số vị trí sử dụng AoA và TDoA. Xác định vị trí đối tượng dựa trên phương pháp giao khoảng cách và giao góc.
Hệ thống theo dõi thông qua thẻ RFID chủ động, sai số nhỏ tới 15 cm trong vùng khảo sát 400m2. Tuy nhiên, giá thành thiết bị của hãng rất cao (18345 đô la gồm bốn trạm và năm thẻ) trong khi mỗi tế bào hay mỗi vùng định vị yêu cầu nhiều trạm [11], [32], [37], [73-74]. Các nghiên cứu tiêu biểu gần đây, hệ định vị của nhóm nghiên cứu trường đại học Texas tại Austin của Mỹ [75] đã gắn các trạm vô tuyến trên trần nhà, sử dụng các thuật toán khác nhau như MinMax, ROCRSSI và KNN để ước lượng vị trí đối tượng tại các điểm thực nghiệm khác nhau như lớp học, sảnh của tòa nhà hay công trường. Kết quả sai số trung bình nhỏ nhất là 1,22 m với 6 trạm và 2,58 m với ba trạm trên vùng định vị 32 m2.
Nhóm nghiên cứu của trường đại học RMIT ở Úc năm 2014 sử dụng 5 AP, phương pháp KNN cải tiến, sai số đạt 3,3 m trên vùng 140 m2 [76]. Trong công bố năm 2016 [35], Wei Chen đã nghiên cứu hệ định vị dựa trên RSS kết hợp cảm biến hướng và xử lý ảnh với sáu trạm Wi-Fi, sai số đạt được 2 m (WKNN); 1,7 m (WKNN kết hợp với xử lý ảnh), 1,2 m (WKNN kết hợp với xử lý ảnh và cảm biến hướng) trên vùng diện tích một sàn 1250 m2. Nghiên cứu mới đây của Suining He tại đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông [77], nhóm đã triển khai hệ thống định vị vô tuyến trên các vùng định vị rộng và nhiều trạm vô tuyến, sử dụng phương pháp tam giác đạc kết hợp dấu vân tay để ước lượng vị trí: Sân bay quốc tế Hồng Kông với 360 AP, 340 điểm mẫu và sử dụng 1100 thẻ, sai số 11m trên 10000 m2; tại sân trường 12 với 320 AP, 250 điểm mẫu và sử dụng 475 thẻ sai số 4 m trên 5000 m2; siêu thị Cyberport với 190 AP, 680 điểm mẫu và sử dụng 680 thẻ, sai số 7m trên 15000 m2. Trên đây là tổng quan các kết quả nghiên cứu, phát triển và đặc điểm của các hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến nổi tiếng trên thế giới qua các thời kỳ.
Các hệ thống này đã được triển khai và hầu hết được thương mại hóa trên toàn thế giới. Đặc điểm chung của các hệ thống này là sử dụng các anten truyền thống, tức là anten có đồ thị hướng xạ dạng đẳng hướng hoặc định hướng. Một cách tổng quan, Hình 1.1 tổng hợp khái quát về công nghệ, tham số vị trí, độ chính xác và vùng định vị của các nghiên cứu về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà trên thế giới từ những năm 2012 ÷ 2017 [9], [10], [65-66], [78].1: Hình ảnh khái quát về hệ thống định vị vô tuyến trong nhà 2012-2017. Thách thức chủ yếu chung của hệ thống định vị vô tuyến trong nhà gồm các vấn đề: tín hiệu đa đường, nhiễu, môi trường biến động, vùng phủ hẹp, độ phức tạp và giá thành của hệ thống.
Từ đó, các hướng giải quyết được đưa ra như sau: (1) sử dụng anten định hướng giúp giảm thiểu nhiễu, sử dụng anten định hướng phân cực tròn giúp giảm tỷ số suy hao cho phân cực, dẫn tới tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu; (2) sử dụng các thuật toán lọc và xử lý tín hiệu; (3) sử dụng mạng cảm biến không dây có giá thành rẻ hay dựa trên công nghệ Wi-Fi với cơ sở hạ tầng sẵn có [65]. Ba hướng nghiên cứu này đang là xu thế của các nghiên cứu về hệ thống định vị trong nhà dựa trên sóng vô tuyến trong những năm gần đây.
