Cỏc kỹ thuật ước tớnh khoảng cỏch, và định vị được trỡnh bày trong mục 2.3 và trong mục 2.4 tạo thành khối cơ bản trong quỏ trỡnh thiết kế thuật toỏn và giao thức liờn quan đến việc khụi phục vị trớ của cỏc nỳt di động trong mạng vụ tuyến. Mục đớch của giao thức định vị là cung cấp cho mỗi nỳt về thụng tin của vị trớ tất cả cỏc nỳt cũn lại trong mạng. Thụng tin này sau đú được dựng để tối ưu húa dựa vào vị trớ tại cấp cục bộ (quản lý tài nguyờn) và cấp toàn cục (định tuyến). Ở đõy, luận văn phõn loại (một cỏch tương đối) cỏc giao thức định vị thành 2 loại: giao thức neo (anchor-based protocols) và giao thức khụng neo (anchor-free protocols), [5], [8], . Cụ thể là:
Cỏc giao thức neo cho rằng, một tập con cỏc nỳt trong mạng biết vị trớ của chỳng một cỏch tuyệt đối hoặc tương đối, khi bắt đầu vận hành mạng. Một cỏch điển hỡnh, cỏc nỳt trong tập con này thừa nhận vai trũ của nỳt tham chiếu hay nỳt neo (cú vai trũ là nỳt tham chiếu), và cho phộp tất cả cỏc nỳt cũn lại tớnh toỏn vị trớ của chỳng.
Cỏc giao thức khụng neo, được sử dụng khi tất cả cỏc nỳt tại cỏc vị trớ khởi đầu
khụng được biết trước. Trong trường hợp này, giao thức trước tiờn phải xỏc định
2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( 1) 1 1 1 i ki k k k i ki k k k k i ki k k k k k k d d d d x x y y z z d x x y y z z d x x y y z z b 4 k
một hệ tham chiếu chung, sau đú tớnh toỏn vị trớ tương đối của từng nỳt trong hệ này.
Cỏc giao thức neo
Trong trường hợp giao thức neo, cần cú một hệ thống định vị bờn ngoài để cung cấp cho từng nỳt neo vị trớ của nú. Tại đõy, luận văn trỡnh bày ngắn gọn cỏc tớnh năng cơ bản của hệ thống định vị quan trọng nhất, GPS (Getting, 1993).
GPS dựa trờn một mạng gồm 24 vệ tinh, hoạt động như là cỏc nỳt tham chiếu cho cỏc mỏy thu GPS mặt đất. Để nhận được một tham chiếu định thời chung, mỗi vệ tinh được trang bị một đồng hồ nguyờn tử cú độ chớnh xỏc cỡ . Dựa vào đồng hồ này, mỗi vệ tinh tạo và phỏt xạ hai tớn hiệu súng mang, tại tần số L1= 1575,42 MHz và L2= 1227,60 MHz. Súng mang L2 được điều chế bởi một mó giả ngẫu nhiờn cú thời gian chip Tc 106s , được coi là mó bắt sơ bộ (Coarse Acquisition code), (C/A), (mó thụ). Súng mang L1 được điều chế bởi hai mó: mó C/A và mó chớnh xỏc (Precision code) -P cú thời gian chip Tc 107s, (mó tinh).
Việc ước tớnh khoảng cỏch (xỏc định cự ly) trong GPS khai thỏc mó C/A và mó P để ước tớnh trễ tớn hiệu giữa vệ tinh và mỏy thu. Mỏy thu tạo ra một mó cục bộ và xỏc định trễ cần thiết để phự hợp húa với mó thu được. Sẽ được sỏng tỏ khi thực hiện mụ phỏng trong chương 3, mức độ chớnh xỏc của ước tớnh khoảng cỏch phụ thuộc vào băng thụng của tớn hiệu. Mó C/A được đặc trưng bởi băng thụng B cỡ 1MHz. Một cỏch sơ bộ, mức độ chớnh xỏc của ước tớnh cự ly được ước tớnh khoảng 10% bước súng tương ứng. Khi này, nú bằng một phần của 300m. Mó P, nhờ cú băng thụng lớn hơn khoảng 10MHz, nờn cú được một ước tớnh với sai số khoảng 1m.
Mỏy thu GPS tớnh toỏn vị trớ của nú dựa trờn ước tớnh khoảng cỏch theo phương phỏp định vị cầu (định vị cầu cần cú ớt nhất bốn vệ tinh). Như đó được trỡnh bày trong mục 2.3, cần cú bốn phương trỡnh để xỏc định một điểm duy nhất trong khụng gian 3 chiều. Trong trường hợp của GPS, chỉ cần 3 quan trắc là đủ để xỏc định một vị trớ 3 chiều của thiết bị đầu cuối, vỡ một trong hai nghiệm của hệ phương
13 10 s
trỡnh thường sẽ dẫn đến một vị trớ khụng tưởng (vớ dụ bờn dưới bề mặt Trỏi đất). Tuy nhiờn, cần cú 4 quan trắc để xỏc định trễ tương đối giữa đồng hồ mỏy thu và tham chiếu định thời chung được chấp nhận bởi cỏc vệ tinh.
Thành quả của định vị cú được từ ước tớnh khoảng cỏch dựa trờn mó C/A được gọi là Hệ thống định vị tiờu chuẩn (SPS). Đặc tả kỹ thuật của SPS đoỏn trước được mức độ chớnh xỏc về: theo chiều ngang (trục hoành) là 100 m; theo chiều đứng (trục tung) là 156m; và về thời gian là 340-ns (tương ứng 95%). Cỏc đặc tả kỹ thuật này cú tớnh đến tạp õm phỏt sinh, được coi là mức độ sẵn sàng một cỏch chọn lọc, (S/A-Selective Availability), được giới thiệu bởi Bộ Quốc phũng Mỹ để giảm mức độ chớnh xỏc của ước tớnh cự ly dựa vào mó C/A. Trong hầu hết cỏc trường hợp, ta nhận được mức độ chớnh xỏc cao hơn vỡ chớnh phủ Mỹ đó quyết định tắt cỏc tớn hiệu S/A từ thỏng 5 năm 2000.
Mó P định nghĩa hệ thống định vị chớnh xỏc (PPS). PPS cung cấp mức độ chớnh xỏc: 22m theo phương nằm ngang (trục hoành); 27,7m theo phương thẳng đứng (trục tung); và 100 ns (95%) về thời gian. Việc sử dụng mó P bị giới hạn bởi chớnh phủ Mỹ và đồng minh, và thường dõn khụng được phộp sử dụng.
Mức độ chớnh xỏc của định vị GPS và ước tớnh cự ly cú thể được tăng thờm bằng cỏch ỏp dụng cỏc kỹ thuật khai thỏc sự phối hợp giữa một số mỏy thu GPS, chẳng hạn ước tớnh pha súng mang và GPS vi sai.
Tớnh khả dụng của GPS trong mạng cỏc nỳt di động tạo ra một số lợi ớch: (i)
đồng hồ được đồng bộ tại tất cả cỏc thiết bị đầu cuối; (ii) định vị tuyết đối; (iii)
giảm lưu lượng bỏo hiệu cho cỏc giao thức định vị, vỡ chỉ cỏc vị trớ của thiết bị đầu cuối mới phải trao đổi trong mạng; (iv) và khi tạo dựng bản đồ mạng khụng cần phải bổ sung thờm thụng tin.
Sự phỏt triển của cỏc giao thức neo đó được khuyến khớch do giỏ thành cao của cỏc mỏy thu GPS. Thực tế, ở cỏc giao thức này, chỉ cần trang bị một tập con cỏc nỳt đắt tiền cú phần cứng GPS, trong khi giao thức kết nạp việc xỏc định vị trớ tiờu chuẩn, cỏc nỳt khụng được trang bị GPS.
Một vớ dụ về giao thức định vị neo được đề xuất trong chương trỡnh khung của dự ỏn PicoRadio (Savarese, 2001, Savarese 2002).
Savarese (2002) phỏt hiện ra thỏch thức chớnh đối với giao thức định vị neo trong mạng vụ tuyến là: a) vấn đề thưa nỳt neo; và b) vấn đề sai số ước tớnh cự ly. Vấn đề thưa nỳt neo xảy ra xuất hiện trong cỏc mạng đa chặng diện rộng (large multi-hop), ở đú khụng thể đảm bảo kết nối vật lý giữa mỗi nỳt và ớt nhất bốn nỳt neo (với định vị 3 chiều). Điều này cần cú thụng tin về vị trớ cỏc nỳt neo để phỏt tỏn trờn toàn mạng bằng giao thức định vị nhằm cho phộp cỏc nỳt khụng cú kết nối vật lý với cỏc nỳt neo tớnh toỏn vị trớ của chỳng trong hệ tham chiếu. Vấn đề sai số ước tớnh cự ly do sai số trong cỏc phộp đo cự ly, cú thể dẫn đến sai số lớn trong ước tớnh vị trớ, đặc biệt là, khi ước tớnh vị trớ bằng phương phỏp lặp.
Phương thức được đề xuất trong (Savarese, 2002) dựa trờn 2 thuật toỏn cho 2 vấn đề ở trờn: tam giỏc húa chặng (Hop Triangulation) thụng qua cự ly mở rộng và kết hợp dư của cỏc nỳt trung gian (Hop-TERRAIN); và thuật toỏn tinh lọc (refinement algorithm).
Giao thức Hop-TERRAIN hoạt động như sau:
Mỗi nỳt neo Nk khởi động thủ tục tràn (flooding procedure) bằng cỏch gửi gúi tin quảng bỏ, chứa vị trớ của chớnh nú với việc thiết lập biến đếm chặng, hop count = 0.
Một nỳt nhận được gúi tin khởi nguồn từ Nk với hop count = n để kiểm tra khoảng cỏch thực tế của nú trong cỏc chặng từ Nk, ký hiệu là hNk. Nếu khụng cú khoảng cỏch nào trước đú hNk được lưu trữ, hoặc hop count n trong gúi tin là n < hNk -1, thỡ nỳt thiết lập hNk= n+1 và phỏt lại gúi tin với việc thiết lập
hop count = n+1. Nếu hNk đó được lưu trữ và n> hNk-1, nỳt loại bỏ gúi tin. Tiến trỡnh này được kết thỳc khi tất cả cỏc nỳt đó nhận được gúi tin từ Nk qua tuyến truyền cú số chặng nhỏ nhất.
Khi một nỳt tập hợp được khoảng cỏch của nú trong cỏc chặng từ nhiều nỳt neo liờn quan, nú ước tớnh vị trớ của mỡnh bằng cỏch sử dụng thuật toỏn tối thiểu húa
sai số trung bỡnh quõn phương nhỏ nhất LSE đó được trỡnh bày trong mục 2.3. Muốn vậy, nỳt phải chuyển đổi khoảng cỏch được biểu diễn ở dạng cỏc chặng hNk thành khoảng cỏch vật lý dNk. Việc chuyển đổi này được thực hiện bằng cỏch nhõn khoảng cỏch trong cỏc chặng với khoảng cỏch trung bỡnh trờn chặng, được xấp xỉ húa với khoảng cỏch vụ tuyến tối đa của nỳt.
Sau ứng dụng thuật toỏn Hop-TERRAIN, mỗi nỳt được cấp một ước tớnh gần đỳng về vị trớ của nú trong hệ tham chiếu. Thuật toỏn tinh lọc đảm nhiệm việc cải thiện tớnh chớnh xỏc của ước tớnh. Thuật toỏn dựa trờn sự trao đổi cỏc ước tớnh vị trớ và thụng tin đo cự ly ở cấp cục bộ, nghĩa là, giữa cỏc nỳt trong kết nối vật lý. Khởi đầu của mỗi vũng lặp, một nỳt phỏt quảng bỏ vị trớ của mỡnh và ước tớnh cự ly cho hàng xúm của nú, và cũng nhận được thụng tin tương tự từ cỏc hàng xúm của mỡnh. Dựa vào cỏc thụng tin mới, nỳt tớnh toỏn lại vị trớ của mỡnh bằng thuật toỏn tối thiểu húa LSE và chuyển sang vũng lặp tiếp theo. Thuật toỏn kết thỳc khi cập nhật vị trớ nằm dưới một ngưỡng tiền định.
Hầu hết cỏc giao thức đề xuất trong tài liệu giả thiết rằng, tớnh khả dụng của cỏc nỳt neo được trang bị một mỏy thu GPS. Giả thiết này đơn giản húa việc định vị do khụng cần thiết phải chọn cỏc nỳt tham chiếu và tạo dựng hệ tham chiếu; cỏc thiết bị đầu cuối khả phộp GPS (được hỗ trợ GPS) cú thể đảm nhận vai trũ của nỳt tham chiếu và cung cấp một hệ tọa độ toàn cục.
Tuy nhiờn, phương thức khụng GPS cú thể cung cấp cỏc tớnh năng bổ sung như phủ súng trong nhà và thu nhỏ húa tốt hơn, đều bị hạn chế trong cỏc thiết bị GPS do kớch thước của anten.
Cỏc giao thức khụng neo
Một giao thức định vị khụng GPS, được gọi là thuật toỏn tự định vị (SPA), được đề xuất trong chương trỡnh khung của dự ỏn Teminodes (Capkun, 2001). Giao thức này dựa trờn phương phỏp TOA để cú được cỏc ước tớnh cự ly, được dựng để tạo dựng bản đồ mạng. Thuật toỏn tự định vị SPA bao gồm 2 bước: (i) đầu tiờn, mỗi nỳt cố gắng tạo dựng một hệ tọa độ nỳt trung tõm, và xỏc định vị trớ cỏc hàng xúm
của nú trong hệ tọa độ này; (ii) sau đú, cỏc hệ tọa độ nỳt trung tõm hội tụ (đồng quy) về hệ tọa độ mạng toàn cục.
Mỗi nỳt Nicố gắng tạo dựng một hệ tọa độ nỳt trung tõm bằng cỏch:
Dũ tỡm một tập hàng xúm đơn chặng KNi của nú, bằng cỏch sử dụng hoa tiờu (beacon).
Ước lượng tập cỏc khoảng cỏch từ hàng xúm của nú dNi bởi ước tớnh TOA Phỏt quảng bỏ dNi và KNi cho cỏc hàng xúm đơn chặng (hàng xúm trong một
chặng).
Vỡ tất cả cỏc nỳt đều thực hiện tiến trỡnh trờn, nờn nỳt Ni biết được khoảng cỏch từ tất cả cỏc hàng xúm đơn chặng của mỡnh, ID của cỏc hàng xúm 2 chặng, và một tập con cỏc khoảng cỏch giữa cỏc hàng xúm đơn chặng và hàng xúm hai chặng. Thụng tin này được sử dụng bởi nỳt đớch Ni để tạo dựng hệ tọa độ nỳt trung tõm của chớnh nú.
Việc xỏc định hệ tọa độ nỳt trung tõm trong khụng gian 2 chiều cần phải phối hợp giữa nỳt đớch Ni và ớt nhất 2 nỳt khỏc, Np và Nq thuộc KNi và khụng thẳng hàng với nỳt Ni. Nỳt Nicũng phải biết khoảng cỏch giữa nỳt Np và nỳt Nq. Điều này bắt buộc một ràng buộc bổ sung trong việc chọn nỳt Np và nỳt Nq. Nỳt Np cũng phải thuộc KNq, kộo theo Nq KNp nếu giả sử tất cả cỏc nỳt cú cựng phạm vi truyền dẫn.
Hệ tọa độ nỳt trung tõm được quyết định bởi nỳt Ni, và cỏc tọa độ của nỳt Ni, nỳt Np và nỳt Nq như sau:
(2.32)
trong đú: , nghĩa là gúc tạo bởi vector và , được xỏc định như sau: (2.33) 0, 0 , 0 cos , sin i i p ip p q iq q iq x y x d y x d y d ( , , ) là góc Np N Ni q N Np i N Ni q 2 2 2 arccos 2 iq ip pq iq ip d d d d d
Cuối cựng, nỳt Ni cú thể ước lượng vị trớ của một tập con cỏc hàng xúm đơn chặng của nú được tạo bởi cỏc nỳt cho nỳt Ni biết khoảng cỏch từ cỏc nỳt Ni, Np và
Nq. Tập con được này được gọi là tập quan sắt nội bộ (Local View Set), ký hiệu là . Vị trớ của nỳt Njthuộc tập con này được cho bởi:
(2.34)
trong đú: ; , và cả 2 gúc được cho bởi:
(2.35)
Mọi hệ thống nỳt trung tõm đều phải phỏt triển thành hệ tọa độ tương đối bằng cỏch chấp nhận cựng hướng trục x và y. Lặp lại, bắt đầu từ việc chọn một hệ tọa độ tham chiếu, cặp cỏc nỳt xoay và đồng chỉnh hệ tọa độ của chỳng. Sử dụng phương thức phõn bố này, việc tỏi thớch ứng sẽ hội tụ sau một vài bước tới hệ tọa độ tương đối.
Lưu ý rằng, cỏc nỳt khụng thể tạo dựng hệ tọa độ nỳt trung tõm của chớnh nú, cú thể cú được vị trớ của chỳng trong hệ tọa độ tương đối nếu chỳng được kết nối với 3 nỳt đó nhận được hệ tọa độ mạng.
Phương thức theo thuật toỏn tự định vị SPA là một vớ dụ điển hỡnh của giao thức khụng neo. Tiếp cận này cần cú sự trao đổi một lượng lớn thụng tin giữa cỏc nỳt so với phương phỏp dựa vào neo vỡ phải trao đổi thụng tin phải để chọn cỏc nỳt tham chiếu và chuyển đổi cỏc hệ tham chiếu nỳt trung tõm thành toàn cục, hệ tham chiếu mạng diện rộng. Kết quả là, bản đồ mạng được tạo bởi cỏc vị trớ tương đối của cỏc nỳt trong mạng, mà khụng cú bất kỳ liờn hệ gỡ với hệ tọa độ toàn cầu; điều này là đủ cho một vài ứng dụng dựa trờn vị trớ, như định tuyến dựa vào vị trớ và quản lý tài nguyờn. Vỡ vậy, cỏc giao thức khụng neo là một giải phỏp khả thi cho cỏc kịch
i i N N LVS K cos sin | | sin nếu nếu j ij j ij j j j j ij j j j x d d y d ( , , ) j là góc Np N Ni j j là góc (N N Nq, i, j) 2 2 2 2 2 2 arccos 2 arccos 2 ij ip pj j ij ip ij iq qj j ij iq d d d d d d d d d d
bản, trong đú khụng thể khai thỏc được GPS, vỡ việc truyền súng trực xạ LOS đến vệ tinh là khụng khả dụng hay do mức độ chớnh xỏc được cung cấp bởi GPS là thỏa đỏng. Đõy là trường hợp, vớ như, cỏc ứng dụng WPAN (vựng phủ súng <10m), trong đú mức độ chớnh xỏc được cung cấp bởi GPS cỡ vài một là khụng phự hợp. Trong trường hợp này, cỏc kỹ thuật định vị cú khả năng cung cấp độ chớnh xỏc cao hơn phải được ỏp dụng; UWB là một ứng viờn sỏng giỏ nhờ lợi thế về mức độ chớnh xỏc cao cú được bởi băng thụng rộng được sỏng tỏ khi thực hiện mụ phỏng hiệu năng trong chương 3.
2.6. Kết luận chương 2
Chương này, luận văn đó nghiờn cứu và trỡnh bày túm tắt cỏc nội dung cơ bản về định vị, điển hỡnh như: Ước lượng tham số và định vị trớ; Ước lượng tham số định vị dựa vào cường độ trường tớn hiệu thu RSS, gúc đến AOA, thời gian đến TOA, vi sai thời gian đến TDOA, kỹ thuật định vị trớ hỡnh cầu; Định vị trớ hỡnh hyperbolic, Ước tớnh vị trớ theo thuật toỏn LSE. Cuối cựng là, giao thức định vị. Đặc