tiểu luận môn học mạng truyền thông vô tuyến đề tài xác định vị trí bằng mạng wifi

Đánh giá các thách thức và hạn chế của việc xác định vị trí bằng mạng WiFi như sự chính xác của dữ liệu, ảnh hưởng của môi trường và khả năng định vị trong các khu vực mật độ cao.. So sá

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Mã số sinh viên: N20DCVT058 Lớp: D20CQVT01-N

TPHCM 6/2024

Phụ lục

I Tổng quan về Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Giới thiệu về vấn đề và ý nghĩa của việc xác định vị trí bằng mạng WiFi

2 Đặc điểm và ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp xác định vị trí khác

II Nguyên lý hoạt động của Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Phân tích cơ chế hoạt động của hệ thống xác định vị trí bằng mạng WiFi

2 Trình bày các phương pháp và thuật toán phổ biến được sử dụng trong quá trình xác định vị trí

III Thách thức trong Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Đánh giá các thách thức và hạn chế của việc xác định vị trí bằng mạng WiFi như sự chính xác của dữ liệu, ảnh hưởng của môi trường và khả năng định vị trong các khu vực mật độ cao

IV So sánh với các công nghệ mạng khác:

1 So sánh ưu điểm và hạn chế của phương pháp xác định vị trí bằng mạng WiFi với các công nghệ xác định vị trí khác như GPS, Bluetooth, RFID, và các mạng cảm biến

V Ứng dụng của Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Trình bày các ứng dụng thực tế của công nghệ xác định vị trí bằng mạng WiFi trong các lĩnh vực như dịch vụ định vị vị trí, quản lý tài

nguyên, an ninh mạng, và tiếp thị địa lý

VI Kết luận và triển vọng:

1 Tóm tắt các kết quả và nhận định quan trọng

2 Đề xuất hướng phát triển và nghiên cứu trong tương lai cho việc xác định vị trí bằng mạng WiFi

VII Tài liệu tham khảo:

1 Liệt kê các tài liệu, nghiên cứu, và nguồn thông tin đã tham khảo để hỗ trợ cho nội dung của đề tài

I Tổng quan về Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Giới thiệu về vấn đề và ý nghĩa của việc xác định vị trí bằng mạng WiFi

Việc xác định vị trí bằng mạng WiFi là quá trình sử dụng thông tin từ các điểm truy cập WiFi để xác định vị trí của các thiết bị di động trong một khu vực cụ thể Đây là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau từ dịch vụ định vị vị trí cho đến tiếp thị và quản

b) Tiếp thị và Quảng cáo: Do khả năng xác định vị trí của người dùng, các doanh nghiệp có thể tùy chỉnh và định hình chiến lược tiếp thị và quảng cáo của họ dựa trên vị trí địa lý của khách hàng Điều này cho phép họ cung cấp thông điệp có tính cụ thể và hiệu quả hơn cho đối tượng mục tiêu

c) Quản lý Tài nguyên: Trong các môi trường doanh nghiệp hoặc công cộng, việc biết được vị trí của các thiết bị, nhân viên hoặc hàng hóa

có thể giúp quản lý tài nguyên một cách hiệu quả hơn Điều này có thể áp dụng trong lĩnh vực như bãi đậu xe, quản lý kho hàng, hoặc theo dõi tài sản di động

d) An ninh và Quản lý: Xác định vị trí bằng mạng WiFi cũng có thể được sử dụng để cải thiện an ninh và quản lý trong các khu vực như

cơ sở y tế, trường học, hoặc cơ sở công cộng Điều này có thể bao gồm việc theo dõi nhân viên, hệ thống cảnh báo vị trí và quản lý dòng người

2 Đặc điểm và ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp xác định vị trí khác

Đặc điểm và ưu điểm của xác định vị trí bằng mạng WiFi so với các phương pháp khác:

a Phạm vi ứng dụng rộng lớn: Mạng WiFi phổ biến rộng rãi và hầu

hết mọi người đều sử dụng mạng WiFi hàng ngày Do đó, việc sử dụng mạng WiFi để xác định vị trí có thể được triển khai ở nhiều địa điểm khác nhau, từ nhà hàng đến các trung tâm mua sắm và văn phòng

b Chi phí thấp: Không cần phải cài đặt các cơ sở hạ tầng mới vì hầu

hết các địa điểm đã có mạng WiFi Điều này giúp giảm thiểu chi phí triển khai so với các phương pháp khác như GPS hoặc mạng cảm biến

c Khả năng hoạt động trong nhà: Mạng WiFi có thể hoạt động trong

nhà và có thể cung cấp thông tin vị trí chi tiết hơn trong những môi trường nơi GPS có thể gặp khó khăn

d Độ chính xác cao trong môi trường mật độ cao: Trong các khu

vực đông đúc như trung tâm thương mại hay trung tâm đô thị, mạng WiFi có thể cung cấp độ chính xác cao hơn so với GPS do khả năng xác định vị trí thông qua các điểm truy cập WiFi gần nhau

e Dễ dàng tích hợp với ứng dụng di động: Xác định vị trí bằng

mạng WiFi dễ dàng tích hợp với ứng dụng di động thông qua các API (Giao diện Lập trình ứng dụng), cho phép các nhà phát triển tạo

ra các ứng dụng dựa trên vị trí dễ dàng hơn

f Bảo mật và quyền riêng tư: So với một số phương pháp khác như

GPS, mạng WiFi cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn đối với quyền riêng tư và bảo mật, do không cần chia sẻ thông tin vị trí với bất kỳ bên thứ ba nào ngoài nhà cung cấp dịch vụ

g Không bị ảnh hưởng bởi thời tiết: Khác với GPS, tín hiệu WiFi

không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, đảm bảo hoạt động ổn định trong nhiều môi trường khác nhau

h Tiết kiệm năng lượng: Thiết bị di động có thể tiêu thụ ít năng lượng

hơn khi sử dụng WiFi so với khi sử dụng GPS, điều này kéo dài tuổi thọ pin của thiết bị

Nhờ những đặc điểm và ưu điểm nổi bật này, phương pháp xác định vị trí bằng mạng WiFi đang trở thành một lựa chọn ưu việt cho nhiều ứng dụng cần đến dịch vụ định vị chính xác và hiệu quả

II Nguyên lý hoạt động của Xác định vị trí bằng mạng WiFi:

1 Phân tích cơ chế hoạt động của hệ thống xác

định vị trí bằng mạng WiFi

Đây là cách mà "hệ thống định vị Wi-Fi" hoạt động: Thiết bị sẽ rà soát các điểm truy cập Wi-Fi lân cận và lập danh sách chúng kèm với độ mạnh tín hiệu Sau đó, hệ thống sẽ truy cập máy chủ có chứa danh sách tên các điểm truy cập Wi-Fi và dữ liệu vị trí của chúng trên toàn thế giới

Không chỉ chứa danh sách tên của các điểm truy cập (SSID), hệ cơ

sở dữ liệu này còn bao gồm cả địa chỉ MAC của từng điểm (BSSID), địa chỉ này là duy nhất trên mỗi thiết bị router và thường không thay đổi dù tên điểm truy cập có được thay thế

Bằng cách so sánh danh sách các điểm truy cập gần bạn và danh sách các điểm truy cập đã biết, "Dịch vụ định vị" có thể đoán vị trí tương đối của bạn Và bằng cách so sánh độ mạnh tín hiệu Wi-Fi thiết bị có thể bắt được, "Dịch vụ định vị" sẽ phân tích vị trí và thường là cho kết quả chính xác như khi bạn sử dụng GPS

Thiết bị cũng có thể tải xuống là lưu lại một số dữ liệu dưới dạng cache Ví dụ, nếu thiết bị nhận ra bạn đang ở một thành phố nào đó, nó

có thể tải xuống thông tin về các điểm truy cập Wi-Fi trong và xung quanh thành phố để có thể dễ dàng xác định vị trí của bạn, thậm chí ngay cả khi bạn không có kết nối internet để kiểm tra cơ sở dữ liệu trực tuyến

2 Trình bày các phương pháp và thuật toán phổ biến được

sử dụng trong quá trình xác định vị trí

# Phương pháp

a) Phương pháp xác định vị trí dựa vào góc tín hiệu (AoA)

Angle of Arrival (AoA) là phương pháp xác định vị trí của User dựa vào góc tới của tín hiệu phát ra từ 2 hay nhiều điểm tham chiếu (trong mạng doanh nghiệp, điểm tham chiếu thường lấy là các Access Point) Sử dụng phương pháp này, vị trí của User có thể ước lượng bằng các đo góc giữa đường đi của tín hiệu đi từ nguồn phát đến thiết

bị với góc chuẩn đã cho trước Trong môi trường mạng Wifi doanh nghiệp, các thiết bị của User như Smartphone khi tham gia vào mạng Wifi, AP và Smartphone sẽ trao đổi thông tin về vị trí của AP và sử dụng thuật toán AoA để ước lượng vị trí của thiết bị tham gia mạng Wifi như Smartphone, Laptop

Phương pháp này đạt hiệu quả chính xác tốt nhất nếu các AP

sử dụng Ăn ten dạng Array Antennas, tức là các mảng ăn ten xếp lại thành vòng tròn, để có thể đón tín hiệu nhận được từ mọi góc

AoA được biết đến rộng rãi trong hệ thống VOR (VHF

Omnidirectional Range) sử dụng cho việc xác định vị trí máy bay Các

máy thu VOR trên máy bay có thể xác định vị trí của mình dựa vào

khoảng các và góc tới của tín hiệu nhận được từ các trạm VOR mặt

đất

Ví dụ về Array Antenas

Như trong hình vẽ, ta thấy AP1 có tọa độ (x1,y1) và AP2 có tọa độ (x2,y2), với x1

khác x2 và y1 khác y2 T là 1 Smartphone có tọa độ T(x,y) Nếu xét theo góc độ từ T, góc tới sẽ là θ 1 và θ 2, nhưng nếu AoA được xét theo AP1 và AP2, góc tới sẽ là α1 và α2

Với các tọa độ và góc tới trên, ta có thể thiết lâp công thức:

Từ (1), suy ra toại độ của điểm T(x, y):

Ta cũng suy ra được mối quan hệ giữa alpha và θ từ hình vẽ:

Vì Tan(θ)=Tan(180o) nên ta suy ra được:

Nếu 2 AP nằm trên cùng 1 đường thẳng, tức là y1=y2, ta có thể rút gọn công thức 4:

Chỉ cần 2 AP là có thể thực hiện phương pháp AoA, nhưng nếu với môi trường

nhiều AP, để tránh nhầm lẫn và xung đột, hệ thống sẽ lựa chọn 2 AP

để thực hiện phương pháp tính AoA bằng cách xét AP nào có RSSI lớn nhất

AoA cũng chịu ảnh hưởng của môi trường như hiện tượng đa đườn

và nhiễu AoA hoạt động tốt ở môi trường Line of Sight, nhưng với môi trường có nhiều vật cản, AoA sẽ bị suy giảm độ chính xác và thực tế trong mạng doanh nghiệp sẽ thường có khá nhiều vật cản

b) Dựa vào thời gian nhận tín hiệu (ToA)

Thời gian nhận tín hiệu (ToA) là phương pháp ước lượng vị trí bằng cách

đo khoảng thời gian từ khi tín hiệu vô tuyến được gửi từ nguồn phát đến khi tín

hiệu được nhận ở thiết bị nhận Sau khi có được khoảng thời gian này, khoảng cách từ nguồn phát đến thiết bị nhận có thể được ước

lượng đơn giản bằng cách nhân thời gian lan truyền của tín hiệu với vận tốc ánh sáng Khi có tối thiểu 3 khoảng cách từ thiết bị đến các điểm tham chiếu là nguồn phát, dễ dàng xác định được vị trí chính xác của thiết bị bằng cách tìm điểm giao nhau giữa 3 đường tròn với tâm và bán kính đã biết, phương pháp xác định này gọi là Tri-

Lateration Phương pháp ước lượng vị trí dựa trên thời gian nhận tín hiệu phụ thuộc vào việc đo thời gian truyền tín hiệu giữa nguồn phát và thiết bị nhận Để việc đo thời gian được chính xác, cần phải đồng bộ thời gian giữa các thiết bị trong hệ thống này, tuy nhiên việc này là rất phức tạp và thường không thể thực hiện được chính xác Bằng sự hiểu biết về vận tốc truyền và thời gian, ta có thể tính toán khoảng cách (D) giữa thiết bị và các AP:

D=c(t)

Với:

D = khoảng cách (mét)

c= vận tốc ánh sáng, xấp xỉ 300 mét / micro giây

T= thời gian (giá trị micro giây)

Với khoảng các của thiết bị với từng AP được tính ra và giá trị xác định được như 1 bán kính, nên với ToA Tri-Lateration yêu cầu sử dụng 3 AP để tính toán thuật toán ToA sẽ cải thiện độ chính xác tối

ưu hơn

Đây và ví dụ để minh họa cho ToA Tri-Lateration Thời gian để gửi

1 message từ vị trí thiết bị X tới các AP A, B và C là tA, tB và tC Khoảng cách là ρA, ρB và ρC Vận tốc lan truyền trong không gian bằng vận tốc ánh sáng 300m/micro giây Dựa vào công thức ToA ta

có thể tính được khoảng cách của X tới từng AP, và sau khi có thông

số khoảng cách từ X tới 3 AP, ta có thể xác định vị trí của X, được minh họa như hình vẽ ở trên Một điểm hạn chế của ToA là yêu cầu đồng bộ thời gian cao giữa các thiết bị thu phát

Sự sai lệch nhỏ trong thời gian cũng có thể gây ra lỗi lớn với việc xác định vị trí chính xác Ví dụ, nếu sai lệch 100 micro giây có thể gây ra chênh lệch đến 30 mét Vì vậy ToA thường gặp phải nhiều vấn đề trong môi trường chịu ảnh hưởng của nhiễu và Multipath

c) Dựa vào cường độ tín hiệu RSSI

Trong mạng không dây, để giao tiếp được với nhau, các thiết bị phải

sử dụng năng lượng truyền qua sóng để giao tiếp Mức năng lượng nhận được tại máy thu – phát gọi là mức cường độ tín hiệu Khi năng lượng lan truyền trong không gian sẽ bị suy hao bởi suy hao không gian tự do (LoS), các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ, suy hao do vật cản, Bằng cách tính toán sự suy giảm của tín hiệu tại máy thu sau quá trình lan truyền trong không gian, chúng ta có thể xác định được khoảng cách giữa 2 máy thu – phát

Ta có công thức tính suy hao:

PL=PL1Metter + 10log(d^n) +s

- Trong đó:

PL là tổng suy hao giữa máy phát và máy thu, tính theo đơn vị dB PL1Meter là suy hao tham chiếu tính theo đơn vị dB, tại 1 tần số mong muốn

(với Wifi là 2,4GHz hay 5GHz) khi khoảng cách là 1 mét

d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu, theo đơn vị mét

n là hệ số suy hao của môi trường

s là độ lệch chuẩn lên quan đến shadow fading trong môi trường đang khảo

sát, tính bằng đơn vị dB

Path Loss (PL) là sự chênh lệch về mức năng lượng tại máy thu và máy phát Trong điều kiện lý tưởng, công suất tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ bằng công suất tín hiệu nhận được tại máy phát Nhưng trên thực tế, ảnh hưởng của môi trường sẽ tạo ra các nguồn suy hao như suy hao không gian tự do (FSPL), suy hao do phản xạ, khúc xạ, tán xạ

Hệ số suy hao môi trường (n) chỉ ra tỉ lệ Path Loss tăng lên theo khoảng cách Giá trị của n phụ thuộc vào tần số và môi trường truyền

sóng Thông thường hệ số suy hao môi trường sẽ có giá trị từ 2 cho không gian thông thoáng không có vật cản và lớn hơn 2 nếu như có vật cản tồn tại Trong môi trường mạng văn phòng, giá trị hệ số suy hao thường là 3.5, trong môi trường khu công nghiệp, kho bãi thường

là 3.7-4.0 và môi trường trong nhà là 4.5

Độ lệch chuẩn của Shadow Fading (s) đại diện cho sự thay đổi cường độ tín hiệu Độ lệch chuẩn này đến từ các nguồn không xác định trong công thức suy hao Path Loss như suy hao do vật cản, sự khác biệt về hướng giữa các ăng-ten của máy thu vị trí và ăng-ten của các thiết bị, phản xạ do hiệu ứng đa đường, v.v

Công thức dùng để tính toán cường độ tín hiệu tại máy thu khi

đã biết công suất phát, suy hao Path Loss, độ lợi ăn ten, suy hao cáp như sau:

Ta có thể tính đước khoảng cách d từ 2 công thức trên:

Trong đó:

-RxPWR biểu thị cường độ tín hiệu nhận được theo đơn vị dB

-TxPWR biểu thị công suất phát theo đơn vị dB

-LossTX đại diện cho tổng suy hao do connector, do dây cáp bên phía máy phát, đơn vị dB

-GainTX đại diện cho độ lợi ăn ten bên phía máy phát, đơn vị dBi -LossRX, đại diện cho tổng suy hao do Connector, do dây cáp bên phía máy thu, đơn vị dB

-GainRX đại diện cho độ lợi ăn ten bên phía máy thu, đơn vị dBi Sử dụng khoảng cách d làm bán kính, vị trí của thiết bị có thể nằm trong phạm vi đường tròn đó Với 3 đường tròn, ta có thể xác định được vị trí chính xác của thiết bị chính là điểm giao nhau giữa 3 đường tròn

Trong kiến trúc 802.11 WLAN, thông tin cường độ tín hiệu thường được dung để tính toán đó là giá trị cường độ tín hiệu tại máy thu nhận được từ AP

#Thuật toán

a) Trilateration Algorithm

Như đã đề cập từ trước, Trilateration Algorithm là phương pháp xác định vị trí dựa vào hình học, dựa vào 3 điểm tham chiếu cho trước (3 Access Point) tính khoảng các từ thiết bị đến 3 điểm tham chiếu Khoảng các từ thiết bị đến 1 điểm tham chiếu có thể là 1 điểm nằm trên đường bán kính mà tại đó, giá trị được lấy ra đo đạc có giá trị bằng nhau (thường dùng giá trị cường độ tín hiệu RSSI) Điểm giao nhau của 3 bán kính này chính là vị trí của thiết

bị

b) FingerPrinting Technique

Fingerprinting Technique là 1 phương pháp ước lượng vị trí phổ biến hiện nay trong các hệ thống định vị, bởi nó mang lại độ chính xác cao Fingerprinting là 1 công nghệ hoạt động bằng cách so sánh đặc tính tín hiệu đo được tại vị trí thiết bị đang hiện hữu, với

giá trị đặc tính đã lưu tại cơ sở dữ liệu Đặc tính thường được sử dụng là cường độ tín hiệu Cơ sở dữ liệu này là 1 bản đồ cường

độ tín hiệu tại các điểm trong khu vực Việc xác định vị trí của thiết

bị dựa trên 1 giả thiết, rằng các giá trị tín hiệu đo được tại các điểm

là khác nhau và ổn định theo thời gian Có thể thấy, dựa vào phương pháp này, không cần biết vị trí của các AP mà vẫn có thể xác định được vị trí của thiết bị đang nằm trong vùng phủ sóng của

AP

Công nghệ FingerPrinting này bắt đầu từ những ý tưởng sau:

- Mỗi vị trí của thiết bị đang đứng tại đó sẽ có 1 giá trị RF

“signature” đặc trưng Giá trị signature này khi đo ở thực tế càng gần với giá trị lúc lấy mẫu, thì độ chính xác càng cao

- Mỗi tầng sẽ có 1 đặc điểm tín hiệu khác nhau để phân biệt đâu là AP của tầng 1 và đâu là AP của tầng 2

Quá trình xây dựng phương pháp FingerPrinting này chia làm

2 giai đoạn:

Quá trình lấy mẫu

Mục đích của quá trình lấy mẫu là thu thập giá trị cường độ tín hiệu

và đưa vào cở sở dữ liệu Ta xác định các vị trí để lấy điểm tham chiếu đảm bảo mật độ các điểm không quá xa nhau, mỗi điểm nhận được mỗi giá trị cường độ khác nhau Tại mỗi điểm lấy mẫu ta phân biệt các giá trị cường độ nhận được tại các AP bằng địa chỉ MAC của AP, các thông tin này được lưu lại vào cơ sở dữ liệu Do ảnh hưởng của môi trường, cường độ tín hiệu không dây không ổn định Để khắc phục vấn đề này, ta có thể lấy giá trị trung bình các giá trị tham chiếu

Độ chính xác của dữ liệu sẽ tăng lên, tuy nhiên làm như vậy sẽ mất khá nhiều công sức Phương pháp lấy mẫu thông thường là dùng 1 thiết bị và di chuyển trong khu vực lấy mẫu, lúc này, các AP sẽ ghi nhận giá trị cường độ tín hiệu tại các địa điểm đã di chuyển qua

Sau khi hoàn thành quá trình lấy mẫu, ta sẽ thu được 1 sơ đồ lưới bao gồm các điểm được lấy mẫu ứng với giá trị nhận được của từng AP riêng biệt

Do nhiều nguyên nhân mà cường độ tín hiệu nhận đươc tại các điểm thường thay đổi theo thời gian Kết quả, phần mềm lấy mẫu tín hiệu sẽ lấy nhiều mẫu tín hiệu cho 1 thiết bị trong quá trình lấy mẫu thực tế, sau đó lấy giá trị trung bình của các giá trị cường độ tín hiệu này trước khi đưa vào sơ đồ lưới tín hiệu