Có nhiều nghiên cứu về định vị trong mạng ad hoc và MANET đã được thực hiện, nhìn chung, có thể chia làm hai nhóm chính: (1) Dựa vào đo đạc (range-based) và (2) Không dựa vào đo đạc (range-free). Trong mạng thường có những nút đã biết được tọa độ chính xác, nhờ vào GPS hoặc nhờ vào cấu hình đặc biệt, ta gọi chúng là các cột mốc (anchor, landmark), mật độ, cách sắp xếp của các nút cột mốc này khác nhau với mỗi mạng; từ tọa độ của các nút cột mốc này, tọa độ của các nút còn lại cần phải được xác định.
Các phương pháp định vị thuộc vào nhóm Dựa vào đo đạc cần thiết bị có thêm khả năng đo được khoảng cách hoặc góc đến các nút lân cận, điều này làm phát sinh thêm yêu cầu hỗ trợ từ phía phần cứng. Các thông số này có thể được tính dựa vào thời gian sóng đến (TOA – Time Of Arrival) [1], chênh lệch thời gian sóng đến (TDOA – Time Difference Of Arrival) [2], góc sóng đến (AOA – Angle Of Arrival) [3], và độ mạnh của tín hiệu (RSSI – Received Signal Strength Indicator) [4]. Các phương pháp này thường cho kết quả chính xác hơn, tuy nhiên việc yêu cầu thêm phần cứng hỗ trợ khiến chi phí tăng lên nhiều.
Nhóm phương pháp thứ hai, không dựa vào khả năng đo khoảng cách hay đo góc khi định vị. Mặc dù các phương pháp này thường sẽ mang lại kết quả kém chính xác hơn các phương pháp Range-based, nhưng nó lại hiệu quả về mặt kinh tế và tiết kiệm năng lượng. Bởi vì tính chất MANET là mạng của các thiết bị di động và mạng cảm biến, giá thành cũng như mức độ tiêu thụ năng lượng được quan tâm rất nhiều, do đó, các phương pháp Không dựa vào đo đạc trở thành lựa chọn khả thi hơn khi cần định vị các nút.
21
2.1. Phương pháp dựa vào đo đạc
Các cơ chế định vị dựa vào đo đạc khai thác các thông tin khoảng cách, góc để định vị, các thông số này được xác định bằng cách sử dụng các phương pháp RSSI, TOA, TDOA, AOA. Sử dụng thông tin về khoảng cách, các node sử dụng phép tính Trilateration để tính ra tọa độ của nút. Cùng với phương pháp Triangulation (sử dụng thông số về góc), phép tính Trilateration (sử dụng thông số về khoảng cách) được sử dụng trong hầu hết các phương pháp định vị, bất kể phương pháp đó có dựa vào đo đạc hay không, chi tiết về hai phương thức tính toán này sẽ được trình bày ở phần sau (trang 27 và 28). Bergamo và Mazzin đề xuất một cơ chế Trilateration sử dụng các khoảng cách ước lượng bằng công suất thu được và nghiên cứu các ảnh hưởng đến giải thuật bởi hiệu ứng fading và tính di động của cảm biến [5].
Các phương pháp này dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường khi có vật cản xuất hiện, hiệu ứng fading, hiệu ứng shadow, đồng thời yêu cầu số cột mốc phải nhiều, phải che phủ được hết các node. Nhiều phương pháp được áp dụng để phát hiện ra môi trường che chắn, đường truyền sóng không thẳng hàng, cũng như giảm sai số trong vấn đề đo đạc, tính toán.
Hình 2.1 – Hiệu ứng fading khiến cho việc đo đạc khoảng cách bị sai
22
Hình 2.2 – Định vị range-based ở mạng điện thoại
Tình huống các trạm BTS được trang trị phần cứng chuyên dụng nên dễ dàng phát hiện được hướng sóng đến thiết bị, từ đó gửi về trung tâm, cùng với tọa độ của mỗi BTS, từ đó có thể tính toán tọa độ chính xác của thiết bị
Nhìn chung, các phương pháp này cho phép đạt được mức sai số thấp, dưới 5 mét, nhưng nhược điểm là cần phần cứng hỗ trợ, điều này làm tăng chi phí thiết bị.
2.2. Phương pháp không dựa vào đo đạc
Để phù hợp với tính chất đặc trưng của mạng MANET, nhiều tác giả đã đề xuất các phương pháp định vị không cần thông số khoảng cách hay góc. Không có được khoảng cách đo trực tiếp, các phương pháp này thường dựa vào tọa độ của các cột mốc và sơ đồ kết nối của mạng để ước lượng một khoảng cách gần đúng đến các cột mốc rồi tính toán tọa độ dựa vào phương pháp Triangulation hoặc Trilateration. Belusu và Heidemann đã giới thiệu công thức Centriod để tính vị trí Node dựa trên tọa độ của các gói tin tìm đường chứa thông tin tọa độ của các cột mốc. Phương pháp DV-Hop, được đề xuất bởi Dragos và Nath, xác định khoảng cách hop giữa các nút đến các cột mốc, sau đó ước lượng khoảng cách đến các cột mốc này và tự xác định tọa độ bằng phương pháp Trilateration [6]. Phương pháp DV-Hop là một phương pháp tốt và được nhiều tác giả
23
chọn để cải tiến. Các cải tiến này có thể áp dụng thêm RSSI, thay đổi cách thức ước lượng khoảng cách và tọa độ. Một phương pháp dựa vào diện tích (APIT – Approximate Point-in trigulation) đã được phát triển để làm hẹp lại khoảng tọa độ có thể của nút. Các phương pháp này nhìn chung còn nhiều sai số và cần cải thiện thêm.
2.3. Định vị trong MANET
Bên cạnh định vị trong điều kiện mạng tĩnh, tức là các nút không di động, một số tác giả đã nghiên cứu các vấn đề xoay quanh các phương pháp định vị có quan tâm đến tính di động của nút. Sabrina [7] tổng hợp các vấn đề và thách thức của các bài toán định vị dựa trên khoảng cách tính được dựa vào khoảng cách hop trong MANET, các vấn đề được đề cập đến bao gồm mô hình mạng, các mô hình chuyển động riêng rẽ và chuyển động nhóm, lỗi định vị, các kiểm nghiệm thực tế. Sabrina cũng chỉ ra rằng tính chất di động của các nút có thể mang lại một ảnh hưởng tích cực lên kết quả định vị [8]. Terence Chung HsinSit đưa ra một cơ chế định vị sử dụng các nút robot có thể điều khiển được để di chuyển các robot đến nơi có mật độ kết nối thấp nhằm tăng độ kết nối của mạng tại khu vực đó, từ đó giảm sai số trong ước lượng khoảng cách từ nút đến cột mốc [9].
24
2.4. Tóm tắt
Như vậy, trong thời gian 2001-2013, nhiều đề tài nghiên cứu về các phương pháp định vị. Nhìn chung, có thể phân loại các phương pháp định vị và hướng cải thiện như sau:
Phương pháp định vị trong MANET:
a. Dựa vào đo đạc (Range-based) i. Đo khoảng cách
1. TOA: dựa vào thời gian đến của tín hiệu [1]
2. TDOA: dựa vào chênh lệch thời gian đến của tín hiệu [2]
3. RSSI: dựa vào cường độ sóng [4]
ii. AOA: Dựa vào góc sóng đến [3], [10]
b. Không dựa vào đo đạc (Range-free) i. DV-Hop [6]
ii. Các cải tiến DV-Hop [9], [11]
c. Kết hợp Range-based và Range-free i. DV-Distance [6]
ii. Euclidean [6]
25