Định Vị Tính Toán Khắp Nơi

-I-
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC
I
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
IV
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
V
DANH MỤC CÁC BẢNG
VII
LỜI MỞ ĐẦU
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KHẮP NƠI
3
1.1 Giới thiệu
3
1.2 Một số quan điểm về tương lai của máy tính
4
1.2.1 Quan điểm của Mark Weiser
4
1.2.2 Quan điểm về máy tính vô hình của Norman (invisible computer)
6
1.2.3 Một số quan điểm và thuật ngữ khác
7
1.3 Tính toán khắp nơi và hiện thực ảo
8
1.4 Một số nghiên cứu ban đầu về tính toán khắp nơi tại trung tâm Xerox
PARC
9
1.5 Công nghệ Calm
12
1.6 Tính toán khắp nơi và bài toán định vị
13
1.7 Kết luận
13
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ
15
2.1 Giới thiệu
15
2.2 Phương pháp định vị tiệm cận (proximity sensing)
15
2.3 Phương pháp phân tích cảnh (scene analysis)
16
2.4 Phương pháp giao khoảng cách (lateration)
17
2.4.1 Giao đường tròn (circular lateration)
18
2.4.2 Giao hyperbolic (hyperbolic lateration)
24
2.5 Phương pháp giao góc (angulation)
28
2.6 Phương pháp dấu vân tay trong mạng cục bộ không dây (WLAN
Fingerprint)
30



-II-
2.7 Phương pháp tiên đoán (Dead Reckoning)
35
2.8 Các phương pháp lai (hybrid)
37
2.9 Các phương pháp xác định khoảng cách sử dụng trong định vị
38
2.9.1 Đo thời gian từ đó xác định khoảng cách
38
2.9.1.1 Phương pháp đo khoảng cách sử dụng xung (Pulse ranging)
38
2.9.1.2 Phương pháp đo khoảng cách sử dụng pha sóng mang
(Carrier phase ranging)
39
2.9.1.3 Phương pháp đo khoảng cách sử dụng pha mã (Code phase
ranging)
40
2.9.2 Xác định khoảng cách thông qua xác định cường độ tín hiệu thu
nhận RSS (Received signal strength )
41
2.10 Kết luận
41
CHƯƠNG 3: CÁC CÔNG NGHỆ ĐỊNH VỊ
43
3.1 Giới thiệu
43
3.2 Công nghệ hồng ngoại
43
3.3 Công nghệ siêu âm
44
3.4 Công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến RFID
45
3.5 Công nghệ mạng cục bộ không dây WLAN
46
3.6 Công nghệ Bluetooth
50
3.7 Công nghệ điện từ trường
52
3.8 Công nghệ quang
53
3.9 Kết luận
53
CHƯƠNG 4: ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG TÍNH
TOÁN KHẮP NƠI.
57
4.1 Giới thiệu
57
4.2 Các đặc điểm của một hệ thống định vị
57
4.2.1 Thông tin về vị trí mà hệ thống có thể cung cấp - vị trí vật lý và vị
trí biểu tượng
57
4.2.2 Hệ thống định vị tuyệt đối và tương đối
57



-III-
4.2.3 Khả năng tự xác định vị trí
59
4.2.4 Độ chuẩn xác và độ chính xác
60
4.2.5 Tính co giãn
60
4.2.6 Nhận dạng
61
4.2.7 Chi phí của hệ thống
62
4.2.8 Các giới hạn của hệ thống định vị
62
4.3 Kết luận
63
CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TRONG
TÍNH TOÁN KHẮP NƠI
64
5.1 Giới thiệu
64
5.2 Hệ thống định vị Active Badge
64
5.3 Hệ thống định vị Active Bat
68
5.4 Hệ thống định vị RADAR
70
5.5 Hệ thống định vị Cricket
74
5.6 Kết luận
76
TỔNG KẾT
78
+ Các kết quả đạt được của luận văn
78
+ Hướng nghiên cứu và phát triển
78
+ Vấn đề triển khai và áp dụng tại Việt Nam
79
TÀI LIỆU THAM KHẢO
81
TÓM TẮT LUẬN VĂN
83


-IV-


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.
AP Access Point
API Application Programming Interface
BS Base Station
BSA Basic Service Area
BSS Basic Service Set
BSSI Basic Service Set Identifier
CRT Cathode Ray Tube
ECEF Earth-Centered, Earth-Fixed
ESS Extended Service Set
GPS Global Posion System
GRPR Golden Received Power Range
GRPR Golden Received Power Range.
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
ISM Industrial, Scientific and Medical radio bands
LMP Link Manager Protocol layer
MAC Medium Access Layer
NNSS Nearest Neighbor in Signal Space
RF Radio Frequency
RFID Radio Frequency IDentication
RSS received signal strength
RSS Received Signal Strength
SNR Signal- to Noise Ratio
TDoA Time Difference of Arrival
ToA Time of Arrival
Ubicomp Ubiquitous Computing
WIPS Wireless Indoor Positioning System
WLAN Wireless Local Area Network



-V-
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

Trang
Hình 1-1 Xu hướng phát triển của tính toán khắp nơi 5
Hình 1-2. So sánh của Mark Weiser về hiện thực ảo và tính toán khắp nơi 9
Hình 1-3 Thiết bị Tab của hãng Xerox Parc 11
Hình 1-4 Một loại thiết bị ParcPad của hãng Xerox Parc 11
Hình 1-5 Mô phỏng dung lượng mạng thông qua sợi dây Dangling 12
Hình 2-1 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp định vị tiệm cận. 15
Hình 2-2 Một ví dụ về phương pháp phân tích cảnh. 17
Hình 2-3 Phương pháp giao đường tròn trong không gian hai chiều. 19
Hình 2-4 Phương pháp giao đường tròn trong không gian 3 chiều. 20
Hình 2-5 Các khả năng lỗi trong phương pháp giao đường tròn. 21
Hình 2-6 Tập hợp các điểm có cùng TDoA tới hai trạm thu sẽ nằm trên hai
nửa của hình Hyperbol.
25
Hình 2-7 Phương pháp giao Hyperbolic. 26
Hình 2-8 Khả năng lỗi trong phương pháp giao hyperbolic. 27
Hình 2-9 Xác định vị trí đối tượng qua phương giao góc. 28
Hình 2-10 Các khả năng lỗi trong phương pháp giao góc. 29
Hình 2-11 Ví dụ về một môi trường áp dụng phương pháp fingerprinting 32
Hình 2-12 Các mô hình hoạt động của phương pháp fingerprinting. 33
Hình 2-13 Minh hoạ nguyên lý hoạt động của phư
ơng pháp định vị tiên
đoán
35
Hình 2-14 Minh hoạ kết hợp giữa phương pháp định vị tiệm cận với đo
khoảng cách và góc.
37
Hình 2-15 Sử dụng phương pháp xung để xác định khoảng cách. 39
Hình 2-16 Sử dụng phương pháp pha sóng mang để xác định khoảng cách. 39
Hình 2-17 Sử dụng phương pháp pha mã để xác định khoảng cách 40
Hình 3-1 Các ngăn trong Bluetooth. 51


-VI-
Hình 3-2 Một ví dụ Piconet của Bluetooth gồm một thiết bị chủ (master) và
bốn thiết bị tớ (slave)
52
Hình 5-1 Hệ thống định vị Active badge 65
Hình 5-2 Sơ đồ khối của Active Badge 66
Hình 5-3 Cấu trúc bộ cảm biến và sơ đồ kết nối mạng trong hệ thống Active
badge
66
Hình 5-4 Thiết bị Active bat của AT&T. 69
Hình 5-5 Bố trí các bộ cảm biến và kết nối cơ bản trong hệ thống Active
Bat.
69
Hình 5-6 Ví dụ về mô hình của hệ thống RADAR 73
Hình 5-7 Tương tác giữa tín hiệu RF và siêu âm trong hệ thống cricket 76



-VII-
DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang
Bảng 2.1: Ví dụ về một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin được xác định
trước trong phương pháp fingerprinting.
31
Bảng 3.1 Tổng kết một số công nghệ định vị phổ biến trong môi trường
trong nhà.
53
Bảng 5.1 Tổng kết một số hệ thống định vị thông dụng. 77

Luận văn cao học - 1 - Hồ văn Tiến
LỜI MỞ ĐẦU.

Các hệ thống tính toán khắp nơi và các dịch vụ liên quan đang ngày càng trở
nên phổ biến trong thực tế, điển hình nhất trong số chúng là hệ thống định vị vệ tinh
toàn cầu GPS. Tuy nhiên trong môi trường trong nhà (indoor) vẫn chưa xuất hiện
nhiều các hệ thống định vị mang tính thương mại do hệ thống định vị vệ tinh không
thể hoạt động được trong môi trường indoor mà nguyên nhân chính xuất phát từ
hiện tượng đa đường và yêu cầu giữa bộ phát và thu phải nhìn thấy nhau trong quá
trình định vị.
Vấn đề định vị đối tượng trong tính toán khắp nơi đã và đang thu hút được sự
quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu khắp nơi trên thế giới. Kết quả là nhiều công
nghệ, phương pháp và hệ thống định vị mới đã ra đời chẳng hạn như các hệ thống
định vị sử dụng các công nghệ hồng ngoại, siêu âm, sóng vô tuyến… cùng với các
phương pháp định vị như phương pháp gần kề, giao khoảng cách, giao góc…
Do mỗi phương pháp chỉ giải quyết một vấn đề nhỏ hoặc chỉ phục vụ các
ứng dụng khác nhau nên chúng khác nhau trong nhiều tham số và chỉ tiêu của hệ
thống chẳng hạn như các phương pháp, công nghệ mà hệ thống áp dụng, nguồn
năng lượng yêu cầu, giá thành cơ sở hạ tầng, khả năng mở rộng, chịu lỗi… Để giải
quyết vấn đề trên luận văn này sẽ đi sâu vào phân tích, tổng hợp đánh giá nhằm
giúp cho những ai quan tâm đến lĩnh vực nghiên cứu hoặc triển khai các hệ thống
định vị có một bức tranh tổng hợp về công nghệ, phương pháp, đặc điểm và một số
định hướng liên quan về vấn đề trên.
Luận văn này chủ yếu đề cập đến vấn đề định vị trong môi trường indoor,
các vấn đề định vị vệ tinh không thuộc phạm vi của luận văn này.
Cấu trúc của luận văn được chia thành 5 chương trong đó chương 1 trình bày
tổng quan về tính toán khắp nơi đề cập đến các nội dung như quan điểm của một số
nhà khoa học hàng đầu về mô hình của máy tính trong tương lai, công nghệ Calm,
một số nghiên cứu tiêu biểu ban đầu về tính toán khắp nơi tại trung tâm nghiên cứu
Xerox PARC…

Luận văn cao học - 2 - Hồ văn Tiến
Chương 2 trình bày về các phương pháp định vị thường được sử dụng trong
tính toán khắp nơi, bao gồm các phương pháp: xác định tiệm cận (proximity
sensing), phân tích cảnh (scence analysis), giao khoảng cách, giao góc, dấu vân tay
(fingerprint) và một số phương pháp khác. Trong chương này cũng trình bày các
phương pháp thường được áp dụng để xác định khoảng cách phục vụ cho các
phương pháp định vị nêu trên như phương pháp đo sử dụng xung, sử dụng pha sóng
mang, sử dụng pha mã, sử dụng cường độ tín hiệu thu nhận…
Chương 3 trình bày về các công nghệ thường được áp dụng trong các hệ
thống định vị như công nghệ hồng ngoại, siêu âm, nhận dạng tần số vô tuyến, công
nghệ mạng cục bộ không dây, Bluetooth, điện từ trường và công nghệ quang.
Chương 4 tổng hợp những đặc điểm cơ bản của một hệ thống định vị như:
loại thông tin định vị mà hệ thống cung cấp, hệ thống định vị tương đối và hệ thống
định vị tuyệt đối, khả năng tự xác định vị trí của một hệ thống định vị, độ chính xác,
tính co giãn, khả năng nhận dạng, giới hạn và chi phí của hệ thống.
Chương 5 sẽ tìm hiểu một số hệ thống định vị phổ biến đã được nghiên cứu
và triển khai trong môi trường indoor sử dụng các phương pháp và công nghệ đã đề
cập như các hệ thống định vị Active Badge, hệ thống Active bat, hệ thống RADAR,
hệ thống Cricket… và cuối cùng là một số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo
của luận văn.
Do hiểu biết, thời gian nghiên cứu hạn chế kính mong các Thầy, Cô và các
bạn giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn này được hoàn thiện và hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội tháng 11 năm 2008.

Luận văn cao học - 3 - Hồ văn Tiến
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KHẮP NƠI.
1.1Giới thiệu
Công nghệ tin học đã trải qua một sự thay đổi lớn chỉ trong vài thập kỷ qua.
Đầu những năm 1970 các máy tính cỡ lớn mainframe thống trị trong lĩnh vực tính
toán trên nguyên tắc một máy tính phục vụ đồng thời nhiều người sử dụng, tới
những năm 1980 các máy tính trên đã dần dần bị loại bỏ và thay thế bằng các máy
tính cá nhân và các máy tính xách tay, điểm đáng lưu ý trong giai đoạn này đó là
một máy tính phục vụ một người sử dụng, tới những năm 1990 với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghệ điện tử bán dẫn, các công nghệ mạng không dây, giá thành
thiết bị giảm… chúng ta đang chứng kiến một kỷ nguyên mới của máy tính cá nhân,
đó là hiện tượng nhiều máy tính phục vụ một người.
Thông qua một thời gian dài các công nghệ đã tác động rất lớn đến cuộc
sống của chúng ta thay đổi cách thức chúng ta sống, làm việc, giải trí Ngày nay
công nghệ bán dẫn đã đạt tới trình độ có thể cho phép các nhà sản xuất tạo ra được
các chíp, vỉ mạch bán dẫn nhỏ gọn đến mức chúng có thể được nhúng vào các đồ
vật mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Công nghệ cũng cho phép các máy tính trên thế
giới có thể kết nối với nhau một cách dễ dàng, xoá nhoà khoảng cách về địa lý.
Hầu hết mọi người khi đề cập đến thuật ngữ máy tính đều hình dung đó là
những chiếc máy tính cá nhân hoặc các máy tính để bàn thông thường. Tuy nhiên
trong cuộc sống hàng ngày, rất nhiều người lại sử dụng “máy tính” hoặc ít nhất một
công nghệ máy tính liên quan chẳng hạn như các vi xử lý, vi điều khiển trong khi họ
không xem như đó là những máy tính. Các thiết bị thông thường như điện thoại di
động, máy nghe nhạc MP3, tivi, máy giặt thường được gắn kèn các công nghệ máy
tính. Tuy nhiên người sử dụng vẫn chỉ coi tivi như mọi chiếc ti vi thông thường
khác mà không hề xem chúng như một loại máy tính nào đó có giao tiếp đặc biệt và
khác nhau.
Để giúp hình dung rõ dàng hơn về tương lai của máy tính sau giai đoạn máy
tính cá nhân hiện nay, chúng ta sẽ xem xét một số quan điểm nổi bật về vấn đề trên.

Xem chi tiết: Định Vị Tính Toán Khắp Nơi