Phụ lục 1. Ƣớc lƣợng khoảng cách và góc
Để sử dụng định vị theo khoảng cách, ƣớc lƣợng khoảng cách đến các điểm neo là bắt buộc. Quá trình ƣớc lƣợng theo khoảng cách sử dụng các tiện ích đã có của nút không dây, cụ thể là thiết bị truyền thông radio. Các đặc tính của truyền thông không dây phần nào đƣợc quyết định bởi khoảng cách giữa nút gửi và nút nhận, và nếu ƣớc lƣợng đƣợc các đặc tính ở nút nhận thì chúng có thể đƣợc dùng để ƣớc lƣợng khoảng cách. Đặc tính quan trọng nhất là độ mạnh tín hiệu nhận đƣợc RSSI, thời điểm đến ToA, chênh lệch thời điểm đến TDoA.
Độ mạnh tín hiệu nhận đƣợc (Received Signal Strength Indicator - RSSI) [61]
Giả sử đã biết năng lƣợng phát là Ptx, mô hình suy giảm tín hiệu, và hệ số suy giảm α, độ mạnh tín hiệu nhận đƣợc Prcvd đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng khoảng cách d trong công thức suy giảm nhƣ sau
𝑃𝑟𝑐𝑣𝑑 = 𝑐 𝑃𝑡𝑥
𝑑𝛼 ⟺ 𝑑 = 𝑐𝑃𝑡𝑥 𝑃𝑟𝑐𝑣𝑑 𝛼
Cách ƣớc lƣợng này hấp dẫn vì không yêu cầu thêm bất kỳ phần cứng nào cũng nhƣ không yêu cầu thêm chi phí truyền thông. Tuy nhiên, hạn chế của cách ƣớc lƣợng này là giá trị của RSSI không phải là một hằng số mà rất dao động, thậm chí cả khi nút gửi và nút nhận không di chuyển. Điều này do các hiệu ứng nhƣ suy giảm và di động của môi trƣờng. Ở mức độ nào đó, hiệu ứng này có thể đƣợc hạn chế bằng các ƣớc lƣợng lặp và lọc bỏ các giá trị không đúng bằng các kỹ thuật thống kê. Ngoài ra, các bộ thu phát đơn giản và rẻ tiền có thể cho các giá trị RSSI khác nhau đối với cùng độ mạnh tín hiệu thực tế; tƣơng tự năng lƣợng phát thực sự của các bộ thu phát này cho thấy sự khác biệt từ năng lƣợng chủ định. Vấn đề thứ ba là sự có mặt của các vật cản cùng với suy giảm đa đƣờng. Ở đây, suy giảm tín hiệu dọc đƣờng gián tiếp lớn hơn suy giảm tín hiệu dọc
đƣờng trực tiếp, dẫn đến ƣớc lƣợng khoảng cách lớn hơn thực tế. Vì đây là một vấn đề có tính cấu trúc, nó không thể đƣợc giải quyết bằng nhiều ƣớc lƣợng lặp.
Thời điểm đến(Time of Arrival - ToA) [97]
Thời điểm đến (còn đƣợc gọi là “thời gian bay”) khai thác quan hệ giữa khoảng cách và thời gian phát khi biết tốc độ lan truyền. Giả sử các nút gửi và nút nhận biết thời điểm bắt đầu phát – ví dụ nhờ một sung cao tần, ToA có thể đƣợc dùng để tính thời gian lan truyền, và do vậy tính đƣợc khoảng cách. Để đỡ cho nút nhận khỏi nhiệm vụ này, nút nhận có thể trả về “sung ƣớc lƣợng” ở một thời điểm xác định; tiếp đó nút gửi chỉ cần ƣớc lƣợng thời gian quay vòng với giả thiết kênh truyền đối xứng.
Tùy thuộc vào môi trƣờng truyền dẫn đƣợc sử dụng, thời điểm đến yêu cầu đồng hồ có độ phân giải lớn để có kết quả với độ chính xác chấp nhận đƣợc. Với các sóng âm, các yêu cầu về độ phân giải là khiêm tốn; nhƣng yêu cầu này khó đối với lan truyền sóng radio.
Chênh lệch thời điểm đến (Time Difference of Arrival - TDoA) [97]
Để khắc phục nhƣợc điểm phải có sự đồng bộ rõ ràng, phƣơng pháp chênh lệch thời điểm đến (TDoA) sử dụng đồng bộ không rõ ràng bằng việc cung cấp thông tin bắt đầu phát cho nút nhận. Điều này có thể đƣợc thực hiện nếu hai môi trƣờng truyền dẫn với hai tốc tốc độ lan truyền rất khác nhau đƣợc sử dụng – ví dụ các sóng radio lan truyền với tốc độ ánh sáng và siêu âm với một chênh lệch về tốc độ khoảng sáu bậc cƣờng độ. Do vậy, khi một nút gửi bắt đầu phát một sóng siêu âm và một sóng radio đồng thời, nút nhận có thể tính đƣợc chênh lệch thời điểm đến giữa sóng radio và sóng siêu âm, không cần biết thời gian lan truyền của sóng radio.
Hạn chế hiển nhiên của tiếp cận này là cần sử dụng hai loại thiết bị thu phát ở mỗi nút. Ngƣợc lại, ƣu điểm của tiếp cận này là độ chính xác tốt hơn đáng kể so sánh với tiếp cận dựa vào RSSI.
Góc đến (Angle of Arrival - AoA) [97]
Thay vì ƣớc lƣợng khoảng cách giữa các nút, góc đến có thể đƣợc ƣớc lƣợng. Một góc nhƣ vậy có thể là góc của đƣờng nối một điểm neo và một nút chƣa biết vị trí so với một hƣớng tham chiếu (“0o
bắc”). Nó cũng có thể là góc giữa hai đƣờng nối nhƣ vậy nếu không có hƣớng tham chiếu đƣợc biết bởi tất cả các nút.
Một tiếp cận truyền thống trong ƣớc lƣợng góc là sử dụng ăngten có hƣớng (ăngten chỉ gửi và nhận tín hiệu theo một hƣớng xác định), quay quanh trục của chúng, tƣơng tự một trạm radar hoặc hải đăng quen thuộc. Nó làm cho ƣớc lƣợng góc về khái niệm là đơn giản, nhƣng các thiết bị nhƣ thế khá không phù hợp cho nút cảm biến; chúng có thể dùng cho các điểm neo thuộc hạ tầng.
Một kỹ thuật khác là khai thác tốc độ lan truyền của các các dạng sóng. Với nhiều ăngten đƣợc nối vào một thiết bị với phân cách biết trƣớc và tính đƣợc chênh lệch thời điểm đến giữa các ăngten, ta có thể tính đƣợc hƣớng đến của sóng. Phân cách giữa các ăngten nhỏ hơn yêu cầu độ chính xác cao hơn trong chênh lệch thời gian, dẫn đến yêu cầu định thời không ngừng cho các nút cảm biến kích thƣớc nhỏ.