2.4.1.1 Time of Arrival (TOA)
Định vị bằng phương pháp thời gian đến TOA đo thời gian tín hiệu vơ tuyến đi đến các thiết bị cảm biến. Điều này địi hỏi phải biết thời gian tín hiệu vơ tuyến bắt đầu được truyền, và giả định rằng cĩ sự đồng bộ hĩa thời gian chặt chẽ giữa thiết bị phát và thiết bị thu. Các tín hiệu cĩ một số đặc tính riêng về tốc độ, chẳng hạn như tốc độ trong khơng khí tại mực nước biển. Hạn chế chính của phương pháp này là khĩ khăn trong việc ghi lại chính xác thời gian đến của tín hiệu vơ tuyến, vì tốc độ của chúng gần bằng tốc độ ánh sáng.
Phương pháp thời gian đến TOA dựa trên các phép đo chính xác về thời gian đến của tín hiệu truyền từ các thiết bị phát đến các thiết bị thu. Bởi vì các tín hiệu vơ tuyến này được truyền đi với một vận tốc xấp xỉ vận tốc ánh sáng (~300 mét mỗi micro giây), khoảng cách giữa các thiết bị phát và mỗi thiết bị thu cĩ thể được xác định bằng thời gian truyền tín hiệu giữa thiết bị phát và thiết
bị thu. Kỹ thuật TOA cần thơng tin chính xác của thời gian bắt đầu truyền tín hiệu và phải đảm bảo rằng tất cả các thiết bị phát sĩng cũng như các thiết bị thu sĩng được đồng bộ hĩa một cách chính xác với một nguồn thời gian chính xác.
Từ các thơng tin về tốc độ lan truyền và thời gian đo, chúng ta cĩ thể tính tốn khoảng cách (D) giữa các thiết bị phát sĩng và các thiết bị thu sĩng:
(2.1) Trong đĩ:
D: khoảng cách (m)
C: tốc độ lan truyền (~300 m/ micro giây)
T: thời gian truyền
Trong cơng thức trên, khoảng cách được sử dụng như một bán kính của một vịng trịn cĩ tâm là vị trí của thiết bị phát sĩng, vị trí của thiết bị di động cần xác định nằm trên vịng trịn cĩ bán kính D này. Nếu chỉ cĩ thơng tin TOA từ hai bộ thiết bị cảm biến thì cĩ thể dự đốn được tới hai điểm đối xứng mà tại 2 vị trí đĩ đều cĩ thể là vị trí của thiết bị di động. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng thêm một thiết bị cảm biến thứ 3, thơng tin TOA từ thiết bị phát này kết hợp với thơng tin từ 2 thiết bị cảm biến kia cho phép xác định duy nhất một vị trí của thiết bị di động cần định vị, do đĩ cải thiện độ chính xác cho phương pháp TOA.
Hình 2.2: Phương pháp TOA với 2 thiết bị phát sĩng
Hình 2.2 trên minh họa khái niệm TOA sử dụng 2 thiết bị phát sĩng vơ tuyến. Với mơ hình này ta xác định được đến 2 vị trí X1và X2 là vị trí của thiết bị di động cần định vị. Để xác định duy nhất 1 vị trí của thiết bị di động, chúng ta cần thêm 1 thiết bị phát sĩng thứ 3.
Hình 2.3: Phương pháp TOA với 3 thiết bị phát sĩng
Hình 2.3 minh họa khái niệm của TOA sử dụng 3 thiết bị thu sĩng vơ tuyến. Khoảng thời gian cần để sĩng vơ tuyến truyền từ thiết bị di động X đi đến các thiết bị thu sĩng A, B, và C được đo chính xác như tA, tB và tC. Với một
X D2 D1 A B D3 C X2 D2 D1 X 1 A B
vận tốc truyền sĩng được biết trước (~300 m/microsecond), khoảng cách từ thiết bị điện thoại di động đến mỗi thiết bị thu sĩng là D1, D2, và D3. Mỗi giá trị khoảng cách được sử dụng làm bán kính để xây dựng một đường trịn cĩ tâm là vị trí của thiết bị thu sĩng tương ứng. Mỗi thiết bị phát dự báo thiết bị di động đang nằm trong phạm vi đường trịn của nĩ. Giao điểm của ba vịng trịn này xác định vị trí của thiết bị di động X như minh họa trong hình 2.3. Trong một số trường hợp, cĩ thể cĩ nhiều hơn một dự báo vị trí cho thiết bị di động X, ngay cả khi sử dụng ba thiết bị cảm biến để thực hiện phép đo tri-lateration. Trong những trường hợp này, sử dụng bốn hoặc nhiều hơn các cảm biến nhận được để thực hiện TOA Multi-lateration.
Kỹ thuật TOA cĩ khả năng giải quyết các bài tốn định vị trong khơng gian 2 chiều cũng như trong khơng gian 3 chiều. Giải pháp định vị trong khơng gian 3 chiều cĩ thể được thực hiện bằng cách xây dựng mơ hình hình cầu thay vì mơ hình đường trịn.
Nhược điểm:
- Một nhược điểm của các phương pháp tiếp cận TOA là yêu cầu phải đồng bộ hĩa thời gian chính xác tất cả các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị di động (cĩ thể là một thách thức khĩ khăn đối với một số thiết bị khơng dây chuẩn 802.11 của người dùng). Với tốc độ truyền cao, sự khác biệt rất nhỏ trong quá trình đồng bộ hĩa thời gian cĩ thể gây ra lỗi rất lớn trong việc xác định chính xác vị trí. Ví dụ, một lỗi đo lường thời gian nhỏ như 100 nano giây cĩ thể gây ra một lỗi định vị sai số lên đến 30 mét.
- Giải pháp định vị dựa trên TOA hoạt động kém hiệu quả trong mơi trường cĩ nhiều vật cản như trong các tịa nhà.
Hệ thống định vị tồn cầu (GPS) là một ví dụ về một hệ thống TOA nổi tiếng, thời gian được tính chính xác được bằng các đồng hồ nguyên tử.
2.4.1.2 Time Difference of Arrival(TDOA)
Kỹ thuật TDOA cải tiến phương pháp tiếp cận TOA, phương pháp TDOA khơng cần xác định thời gian tín hiệu được truyền. Các thiết bị nhận tín hiệu, và kiểm tra sự khác biệt trong thời gian đến (hoặc sự khác biệt trong pha tín hiệu) tại một thời điểm tức thời. Bởi vì tín hiệu sĩng truyền đi với vận tốc khơng đổi nên vị trí nguồn phát sĩng cĩ thể dễ dàng được xác định nếu cĩ đủ các thiết bị tham gia vào quá trình định vị.
TDoA là phương pháp định vị dựa trên cơ sở hình học, theo nguyên tắc: 2 thiết bị thu sĩng gần nhau cĩ hiệu số thời điểm thu tín hiệu tuân thủ quy luật đường Hyperbol, cĩ nghĩa là tại bất kỳ điểm nào trên hyperbol, thiết bị thu luơn nhận được tín hiệu từ 2 thiết bị thu cĩ hiệu số thời gian như nhau.
TDoA sử dụng các phép đo thời gian tương đối ở mỗi thết bị phát thay cho các phép đo thời gian tuyệt đối. Bởi vì điều này, TDoA khơng địi hỏi việc sử dụng một nguồn thời gian đồng bộ tại các thiết bị phát để xác định vị trí, chỉ cần yêu cầu đồng bộ hĩa thời gian tại các thiết bị thu.
Triển khai TDoA bắt nguồn từ khi một khái niệm tốn học được gọi là Hyperbol Lateration. Trong phương pháp này, ít nhất là ba thiết bị thu được đồng bộ thời gian. Trong hình 2.4, cho rằng khi thiết bị di động X phát đi một thơng điệp, thơng điệp này đến trạm cảm biến A với thời gian tA và tại trạm cảm biến B với thời gian tB. Sự khác biệt thời gian đến của thơng điệp này được tính tốn giữa các địa điểm của trạm cảm biến B và trạm cảm biến A như hằng số k, chẳng hạn như sau:
TDoAB-A = | TB - TA | = k (2.2)
Giá trị của TDoAB-A cĩ thể được sử dụng để xây dựng một đường hyperbol với trọng tâm tại vị trí của hai trạm cảm biến A và B. Đường hyperbol này là
tiêu đểm của các điểm trong mặt phẳng xy, sự khác biệt của các khoảng cách từ hai trọng tâm là k (c) đơn vị là mét. Theo tốn học, vị trí của thiết bị di động X cĩ thể xác định như sau:
| DXB - DXA | = k(c) (2.3)
Vị trí của thiết bị di động X cĩ thể là một điểm nằm trên hyperbol này. Để giải quyết bài tốn xác định vị trí của thiết bị di động X, một bộ cảm biến thứ ba tại vị trí C được sử dụng để tính tốn sự khác biệt thời gian thơng điệp đến giữa cảm biến C và A:
TDoAC-A = | TC - TA | = k1 (2.4)
Giá trị của k1 cĩ thể được sử dụng để xây dựng một đường hyperbol thứ hai với trọng tâm tại vị trí của hai trạm cảm biến A và C. hyperbol này đại diện cho các tiêu đểm của tất cả các điểm trong mặt phẳng xy, sự khác biệt của các khoảng cách từ hai trọng tâm là k1(c) m. Vị trí của thiết bị di độâng X cĩ thể được tính như sau:
| DXC - DXA | = k1(c) (2.5)
Hình 2.4: Time Difference of Arrival (TdoA) TDoAC_A A C X TDoAB_A B
Hình 2.4 minh họa phương pháp sử dụng giao điểm của hai hyperbol TdoAC_A và TdoAB_A được sử dụng để xác định vị trí của thiết bị X.
Cĩ thể thêm vào một trạm cảm biến thứ tư để xây dựng hyperbol thứ ba để nâng cao hệ thống TDoA hyperbol multi lateration. Điều này cĩ thể cần để giải quyết đối với trường hợp cĩ thể cĩ nhiều hơn một một vị trí được xác định khi sử dụng TDoA hyperbol tri-lateration.
Hệ thống TDoA ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong các sân bay trong lĩnh vực định vị và xác định khoảng cách.
Phương pháp TOA và TDoA cĩ nhiều điểm tương đồng. Cả hai phương pháp đã được chứng minh là rất phù hợp cho các hệ thống định vị ngồi trời quy mơ lớn. Ngồi ra, kết quả tốt đã thu được từ hệ thống TOA và TDoA khi sử dụng trong mơi trường bán ngồi trời như sân vận động, các bãi xe hoặc bến cảng. Đối với mơi trường bên trong các tịa nhà, hệ thống TDoA chỉ đạt hiệu suất khi áp dụng vào trong các tịa nhà lớn và khơng gian tương đối mở, và trần nhà cao. Đĩ là điều kiện để hệ thống TDoA và TOA hoạt động ở hiệu suất cao nhất.
2.4.1.3 Receiced Signal Strength (RSS) Path Loss
Chúng ta đã tìm hiểu hai kỹ thuật TOA và TDoA sử dụng thời gian đến để đo khoảng cách. Phương pháp tiếp theo cĩ thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhận được cường độ tín hiệu RSS thay cho thời gian. Với phương pháp này, RSS được đo bằng thiết bị di động hoặc các cảm biến thu sĩng. Với cường độ sĩng RSS, sự suy hao sĩng, và độ khuếch đại anten cũng như các mơ hình suy hao sĩng do vật chắn thích hợp cho phép chúng ta để tính tốn khoảng cách giữa hai thiết bị phát và thiết bị thu.
Sau đây là một ví dụ về một mơ hình Path Loss thường được sử dụng cho việc lan truyền sĩng vơ tuyến trong nhà:
(2.6) Trong đĩ:
: cường độ tín hiệu sĩng vơ tuyến giữa nơi phát và nơi nhận. Giá trị này thường bé hơn hoặc bằng 0.
: cường độ tín hiệu sĩng vơ tuyến khi trạm phát và trạm thu cách nhau 1m. Giá trị này bé hơn hoặc bằng 0.
d: khoảng cách giữa các trạm phát và trạm thu
n: hệ số suy hao đường truyền tín hiệu trong mơi trường
s: là fading (fading là sự tăng giảm ngẫu nhiên cường độ trường tại điểm thu) gây bởi sự che khuất tầm nhìn thẳng giữa anten của thiết bị phát và anten của thiết bị thu.
Khi một người sử dụng thiết bị di động di chuyển vịng quanh một thiết bị phát sĩng với cùng một bán kính, lẽ ra do cự ly khơng thay đổi thì cường độ trường trung bình tại điểm thu phải khơng thay đổi song do lúc thì bị che khuất (bởi các chướng ngại như tồ nhà, cây cối, đồi núi...), lúc thì khơng bị che khuất nên cường độ tín hiệu thu tại thiết bị di động sẽ thay đổi (tăng lúc khơng bị che khuất, giảm lúc bị che) một cách ngẫu nhiên, gây ra hiện tượng Fading. Fading này gọi là hiện tượng che khuất.
Path loss là sự khác biệt giữa tín hiệu truyền được đo tại thiết bị phát và tín hiệu nhận được tại thiết bị thu. Path Loss diễn tả độ suy giảm tín hiệu trong mơi trường gây ra bởi ảnh hưởng của sự phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ …
Hệ số mũ suy hao đường truyền tín hiệu (n) cho thấy tỷ lệ suy hao đường truyền tín hiệu tăng theo khoảng cách. Giá trị của hệ số mũ suy hao đường truyền tín hiệu phụ thuộc vào tần số tín hiệu và mơi trường, và phụ thuộc nhiều vào mức độ vật cản cĩ trong mơi trường. Hệ số mũ suy hao đường truyền tín hiệu cĩ giá trị là 2 đối với mơi trường cĩ khơng gian mở, trống trải và cĩ giá trị
lớn hơn 2 trong mơi trường cĩ nhiều vật cản [6]. Một hệ số mũ suy hao đường truyền tín hiệu đối với mơi trường văn phịng trong nhà là xấp xỉ 3.5, trong một khu thương mại hoặc cơng nghiệp cĩ mơi trường dày đặc thì cĩ giá trị từ 3,7-4,0 và đối với mơi trường trong nhà dày đặc các vật cản như tường, vật dụng nội thất thì hệ số này cĩ thể lên cao đến 4.5.
Độ lệch chuẩn của fading là giá trị để đo lường sự thay đổi cường độ của tín hiệu từ các nguồn khơng được tính vào phương trình Path Loss. Điều này bao gồm các yếu tố như sự suy giảm do số lượng của các vật cản, sự khác biệt giữa vị trí trạm cảm biến và vị trí thiết bị di động, phản xạ ... Độ lệch chuẩn của fading thường được nhìn thấy từ 3 đến 7 dBm.
Phương pháp để tính tốn cường độ tín hiệu thu được dựa trên các thơng số đã biết như cơng suất phát, suy hao đường truyền tín hiệu, anten, như sau:
RXPWR = TXPWR - LossTX + GainTX - PL + GainRX - LossRX (2.7)
Hình 2.5: Quá trình truyền tín hiệu trong mơi trường theo mơ hình Path Loss (Nguồn[30])
Chúng ta cĩ thể trực tiếp thay thế phương trình Path Loss vào phương trình trên. Điều này cho phép chúng ta tìm khoảng cách d như sau:
(2.8) Trong đĩ:
RxPWR là cường độ tín hiệu nhận được
TxPWR là giá trị cơng suất đầu ra của máy phát
LossTX là giá trị suy giảm tín hiệu của trạm phát
GainTXlà giá trị khuếch đại tín hiệu của trạm phát
LossRX là giá trị suy hao tín hiệu của trạm thu
GainRX là giá trị khuếch đại của trạm thu
Các thơng tin cường độ tín hiệu được sử dụng để xác định vị trí cĩ thể được lấy từ một trong hai nguồn:
Cơ sở hạ tầng mạng lưới thu thập thơng tin cường độ tín hiệu nhận được từ các thiết bị di động
Các thiết bị điện thoại di động thu thập thơng tin cường độ tín hiệu mà nĩ nhận được từ mạng
Trong mạng 802.11 WLAN, giá trị RSS được thu thập từ nhiều thiết bị phát sĩng. Trong thực tế, các thiết bị 802.11 được chế tạo bởi nhà sản xuất khác nhau nên các giá trị RSS thu thập cĩ thể khơng giống nhau. Điều này cĩ thể ảnh hưởng đến sự chính xác của quá trình định vị.
Cho đến nay, việc triển khai hệ thống định vị sử dụng cường độ tín hiệu RSS cĩ lợi thế ưu điểm chi phí triển khai vì phương pháp này khơng địi hỏi phần cứng chuyên dụng mà chỉ sử dụng các cơ sở hạ tầng mạng thơng dụng hiện nay. Điều này cho phép chúng ta tiết kiệm chi phí hiệu quả để thiết kế hệ thống mạng WLAN 802.11 dựa trên nhu cầu cung cấp các giải pháp định vị dựa trên cường độ tín hiệu RSS. Tuy nhiên, tính chính xác của kỹ thuật này phụ thuộc rất nhiều vào việc tìm kiếm một mơ hình tốn học tốt cĩ thể mơ tả tốt nhất trạng thái của các kênh truyền sĩng vơ tuyến. Tuy nhiên, kênh truyền sĩng vơ tuyến trong nhà là rất khĩ dự báo và cĩ sự biến đổi theo thời gian. Do hiện tượng đa đường trong mơi trường trong nhà, hiệu ứng đổ bĩng phát sinh từ phản chiếu,
khúc xạ và tán xạ gây ra bởi các chướng ngại vật và các bức tường, và sự giao thoa với các thiết bị khác hoạt động ở cùng một tần số (2,4 GHz) của chuẩn 802.11b/g WLAN IEEE, chẳng hạn như điện thoại khơng dây, lị vi sĩng và các thiết bị Bluetooth. Ngồi ra hướng của angten cũng khiến cho giá trị RSS thay đổi. Yếu tố hướng của angten khơng được mơ tả trong mơ hình Path Loss, khiến cho mơ hình Path Loss kém hiệu quả trong việc xác định mối quan hệ giữa cường độ tín hiệu RSS và khoảng cách.