Tài liệu định vị thiết bị di động bằng công nghệ bluetooth

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --- --- NGUYỄN VĂN THÔNG ĐỊNH VỊ THIẾT BỊ DI ĐỘNG BẰNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN QUANG VINH Hà Nội – 2011 MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... 4 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 5 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH ............................................. 6 1.1. Khái niệm Bluetooth ............................................................................................... 6 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của Bluetooth. ................................................... 6 1.3. Các đặc điểm của Bluetooth................................................................................. 8 1.4. Ứng dụng của Bluetooth. ..................................................................................... 9 Chƣơng 2 KỸ THUẬT BLUETOOTH . ..................................................................... 10 2.1. Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth. ................................................... 10 2.2. Cách thức hoạt động của Bluetooth....................................................................... 12 2.3. Các tầng giao thức trong Bluetooth. ...................................................................... 12 Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ............................................................ 14 3.1. Thời gian sóng tới .............................................................................................. 14 3.2. Sai khác của thời gian sóng tới .......................................................................... 14 3.3. Góc sóng tới ...................................................................................................... 14 3.5. Mức công suất thu ............................................................................................. 16 Chƣơng 4 4.1. HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ BẰNG BLUETOOTH ........................................... 19 Thiết kế của hệ thống định vị bằng Bluetooth .................................................... 19 4.1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống. ................................................................ 19 4.1.2. Widcomm Bluetooth SDK ............................................................................. 22 4.2. Thực thi hệ thống............................................................................................... 29 4.2.1. Phần cứng và phần mềm ................................................................................ 29 4.2.2. Lập trình ứng dụng định vị ............................................................................ 33 4.3. Kết quả thực nghiệm và đánh giá ....................................................................... 35 4.3.1. Xây dựng dữ liệu tƣơng quan giữa RSSI và khoảng cách. ............................. 35 4.3.2. Xác định vị trí từ cơ sở dữ liệu ...................................................................... 36 4.4. Một hệ thống định vị đề xuất trong tƣơng lai ..................................................... 39 4.4.1. Yêu cầu của một hệ thống định vị bằng Bluetooth ......................................... 39 4.4.2. Hệ thống định vị đề xuất................................................................................ 39 4.4.3. Ứng dụng của hệ thống định vị bằng công nghệ Bluetooth ............................ 40 TỔNG KẾT .................................................................................................................... 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 43 1 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACL Asynchronous Connectionless AGPS Assisted GPS AOA Angle Of Arrival API Application Programming Interface CRC Cyclic Redundancy Check DLL Dynamic-link Library EDR Enhanced Data Rate FCC Federal Communications Commission FTP File Transfer Profile GPS Global Positioning System GRPR Golden Received Power Range GSM Global System for Mobile Communications GUID Globally Unique Identifier HCI Host Controller Interface ISM Industrial, Scientific, Medical L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol LAN Local Area Network LBS Local Based Services LMP Link Manager Protocol LOS Light Of Sight LSE Least Squared Estimation MAC Media Access Control OBEX Object Exchange RSSI Received Signal Strength Indicator 2 SCO Synchronous Connection-Oriented SDK Software Development Kit SDP Service Discovery Protocol SIG Bluetooth Special Interest Group TDOA Time Difference Of Arrival TOA Time Of Arrival UUID Universal Unique Indentifier WLAN Wireless LAN 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 – Logo của Bluetooth................................................................................6 Hình 1.2 – Các thiết bị sử dụng Bluetooth...............................................................6 Hình 2.1 - Minh hoạ một Piconet...........................................................................10 Hình 2.2 - Minh hoạ một Scatternet.......................................................................11 Hình 2.3 – Hoạt động của một piconet...................................................................12 Hình 2.4 - Quá trình truy vấn tạo kết nối...............................................................12 Hình 2.5 - Các tầng nghi thức Bluetooth...............................................................13 Hình 3.1 – Phƣơng pháp AOA................................................................................15 Hình 3.2 – Phƣơng pháp nhận dạng cell.................................................................16 Hình 3.3 - Xác định vị trí từ công suất thu..............................................................17 Hình 3.4 – Liên hệ giữa công suất thu và khoảng cách...........................................18 Hình 4.1 – Khoảng Thu Vàng..................................................................................20 Hình 4.2 – Bluetooth stack dành cho Windows......................................................24 Hình 4.3 – Cửa sổ ứng dụng định vị.......................................................................33 Hình 4.4 – Đo trong phòng trống............................................................................35 Hình 4.5 – Đo trong phòng có đồ đạc.....................................................................36 Hình 4.6 – Sơ đồ bố trí thực nghiệm.......................................................................37 Hình 4.7 – Sơ đồ bố trí các access point.................................................................39 Hình 4.8 – Mô hình hệ thống định vị đề xuất.........................................................40 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 – Các Class của WIDCOMM SDK........................................................24 Bảng 4.2 - Các giá trị GUID chuẩn cho các lớp dịch vụ Bluetooth.....................26 Bảng 4.3 – Hàm StartInquiry()..............................................................................27 Bảng 4.4 – Hàm StopInquiry()..............................................................................27 Bảng 4.5 – Hàm OnDeviceResponded() .............................................................28 Bảng 4.6 – Hàm OnInquiryComplete().................................................................28 Bảng 4.7 – Hàm GetConnectionStats().................................................................29 5 MỞ ĐẦU Đinh ̣ vi ̣đƣơ ̣c xem là mô ̣t chƣ́c năng quan tro ̣ng của truyề n thông di đô ̣ng . Khả năng nhâ ̣n biế t vi ̣trí cho phép thƣ̣c hiê ̣n các ƣ́ng du ̣ng và dich ̣ vu ̣ mới . Một số ứng dụng hữu ích có thể kể đến nhƣ giám sát tài sản, dò đƣờng… đã đƣợc triển khai trong thực tế nhờ có hệ thống định vi toàn cầu. Hê ̣ thố ng đinh ̣ vi ̣toàn cầ u (GPS) là một hệ thống dẫn đƣờng toàn cầ u dƣ̣a vào các vê ̣ tinh, trong đó vị trí của thiết bị di động có thể đƣợc xác định nếu biết đƣợc khoảng cách từ thiết bị đó đến 4 vệ tinh gần nhất. Tuy nhiên GPS không thể dùng trong nhà vì bô ̣ thu GPS thƣờng là vô du ̣ng nế u nhƣ mấ t đi đƣờng không che khuấ t (light of sight – LOS) tới vê ̣ tinh . Hê ̣ thố ng Assisted GPS (AGPS) có thể mở rộng tới môi trƣờng trong nhà , tuy nhiên khi ấ y bô ̣ thu trở nên lê ̣ thuô ̣c vào hỗ trơ ̣ của ma ̣ng . Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn nhƣ trên mà việc phát triển một kỹ thuật định vị mới cho các thiết bị trong tòa nhà hay nơi bị che khuất trở thành một vấn đề rất đƣợc quan tâm hiện nay. Tính năng định vị đã đƣợc thiết kế cho mạng cục bộ không dây (WLAN), tuy nhiên công nghệ này có nhiều hạn chế nhƣ số lƣợng thiết bị có chức năng wi-fi còn ít và đắt đỏ, năng lƣợng tiêu hao lớn nên không dùng đƣợc trong thời gian dài. Bluetooth cũng tƣơng tƣ̣ nhƣ WLAN hiê ̣n nay nế u xét về viê ̣c đinh ̣ vi ̣ , mặt khác công nghệ Bluetooth có nhiều ƣu điểm vƣợt trội cho một hệ thống định vị cục bộ. Do đó nảy sinh nhu cầ u đinh ̣ vi ̣với Bluetoot h, đă ̣c biê ̣t khi mà các thiế t bi ̣Bluetooth ngày càng đƣơ ̣c sƣ̉ du ̣ng nhiề u. Xuất phát từ những yếu tố đó, luận văn đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm một hệ thống định vị dùng công nghệ Bluetooth. Luận văn đƣợc tổ chức nhƣ sau: Chƣơng một giới thiệu tổng quan về công nghệ Bluetooth, bao gồm lịch sử phát triển và các đặc điểm cũng nhƣ ứng dụng. Chƣơng hai trình bày các lý thuyết và đặc điểm kỹ thuật của công nghệ Bluetooth. Chƣơng ba đề cập đến các phƣơng pháp định vị với Bluetooth. Và cuối cùng một hệ thống định vị bằng Bluetooth cùng với kết quả thu đƣợc sẽ đƣợc đề cập trong chƣơng bốn. Trong chƣơng này cũng sẽ đề xuất một hệ thống định vị để tiếp tục phát triển trong tƣơng lai. 6 Chƣơng 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH 1.1. Khái niệm Bluetooth Bluetooth là mô ̣t chuẩ n công nghệ không dây mở cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị di động trong phạm vi ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tần ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong daỹ tần 2.40 - 2.48 GHz. Công nghệ này tạo ra một mô hình mạng dữ liệu phạm vi nhỏ gọi là mạng cá nhân (Personal Area Netwoks – PAN) có độ bảo mật cao. Đƣợc khởi phát từ Ericsson Mobile Communication giữa thập niên 90 nhƣ là mô ̣t công nghê ̣ thay thế dây cáp , Bluetooth đã trở nên phổ biế n sau mô ̣t thời gian ngắ n . Ngày nay đƣợc hỗ trợ bởi hơn 18000 công ty trên toàn thế giới [10]. Công nghệ Bluetooth đƣợc quản lý và chuẩn hóa bởi một nhóm gọi là SIG (Bluetooth Special Interest Group). Các thành viên của SIG hiện rất đông đảo, bao gồm các lĩnh vực viễn thông, máy tính, mạng và điện tử tiêu dùng. Nhóm SIG quản lý các chƣơng trình thẩm định chất lƣợng và bảo vệ thƣơng hiệu, để một thiết bị đƣợc chứng nhận là một thiết bị Bluetooth, thiết bị đó phải đáp ứng đƣợc các chuẩn do SIG đặt ra. Bên cạnh việc điều chỉnh các giao thƣ́c tƣ̀ mƣ́c trên cùng tới mƣ́c dƣới cùng của chồ ng giao thƣ́c, Bluetooth SIG còn ta ̣o ra các nhóm làm viê ̣c khác nhau để tâ ̣p trung vào mô ̣t ƣ́ng dụng đặc thù và một phạm vi dịch vụ . Mỗi nhóm tâ ̣p trung vào viê ̣c chuẩ n hó a mô ̣t Bluetooth profile. Bluetooth profile ta ̣o ra mô ̣t lát cắ t thẳ ng đƣ́ng qua các lớp giao thƣ́c để định nghĩa một tập con phù hợp của chuẩn đó nhằm hỗ trợ một dịch vụ cụ thể.[1] Hình 1.1 – Logo của Bluetooth 1.2. Lịch sử hình thành và phát tri ển của Bluetooth. Hình 1.2 – Các thiết bị sử dụng Bluetooth Thuật ngữ "Bluetooth" (có nghĩa là "răng xanh") đƣợc đặt theo tên của một vị vua Đan Mạch, vua Harald Bluetooth, là vị vua đã thống nhất Đan Mạch và Na Uy. Tên gọi này 7 xuất phát từ việc ám chỉ Bluetooth là một công nghệ có thể làm điều tƣơng tự với các giao thức truyền thông, hợp nhất các chuẩn này thành một chuẩn chung.[1] Năm 1994 hãng viễn thông Ericsson đề xuất một chuẩn không dây tầm ngắn để thay thế dây cáp RS232, cho phép kết nối vài thiết bị cùng lúc, giải quyết đƣợc vấn đề đồng bộ giữa các thiết bị. Các đặc tả dành cho công nghệ Bluetooth đƣợc chuẩn hóa bởi nhóm SIG, là một tổ chức đƣợc thành lập vào năm 1998 bởi các công ty hàng đầu bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia, và sau đó có sự tham gia của nhiều công ty khác. Tất cả các phiên bản của Bluetooth đƣợc thiết kế để có thể tƣơng thích ngƣợc. Các phiên bản đƣợc phát triển cho đến nay bao gồm: [10] Bluetooth v1.0 và v1.0B Phiên bản v1.0 và v1.0B có nhiều nhƣợc điểm khiến cho các thiết bị giao tiếp khó khăn. Bluetooth v1.1 Là chuẩn không dây IEEE 802.15.1-2002, đã chỉnh sửa các lỗi của phiên bản trƣớc, đồng thời hỗ trợ cho các kênh không mã hóa. Nó cũng đƣa ra chỉ số cƣờng độ công suất thu (RSSI). Bluetooth v1.2 Là chuẩn IEEE 802.15.1-2005, tƣơng thích với phiên bản 1.1 và có một số cải tiến đáng kể nhƣ: - Kết nối và dò tìm nhanh hơn Công nghệ trải phổ nhảy tần thích nghi (AFH) giúp tránh nhiễu. Tốc độ truyền thông cao hơn, lên đến 721 kbit/s. Kết nối đồng bộ mở rộng (eSCO) giúp nâng cao chất lƣợng âm thanh bằng cách cho phép truyền lại các gói tin bị mất và có tùy chọn cho việc tăng độ trễ truyền âm thanh để tăng tốc truyền dữ liệu. Host Controller Interface (HCI) hỗ trợ chuẩn UART 3 dây nối. Đƣa vào các chế độ điều khiển luồng và truyền lại trong lớp L2CAP Bluetooth v2.0 + EDR Đƣợc phát hành năm 2004 và tƣơng thích với phiên bản 1.2. Khác biệt lớn nhất là sự ra đời của công nghệ truyền dữ liệu tăng cƣờng (Enhanced Data Rate – EDR) giúp truyền dữ liệu nhanh hơn. EDR là một tính năng tùy chọn đi kèm. Bluetooth v2.1 + EDR Đƣợc phát hành năm 2007 với tính năng nổi bật là Secure simple pairing (SSP) giúp cải thiện khả năng pairing giữa các thiết bị trong khi tăng cƣờng tính bảo mật. 8 Bluetooth v3.0 + HS Phiên bản này đƣợc đƣa ra năm 2009, cho tốc độ truyền dữ liệu lên tới 24 Mbit/s. Tính năng HS (High Speed) giúp truyền thông tốc độ cao qua chuẩn 802.11. Bluetooth v4.0 Bao gồm ba giao thức: Classic Bluetooth, Bluetooth high speed và Bluetooth low energy. Phiên bản này đƣợc phát hành năm 2010. 1.3. - - - - Các đặc điểm của Bluetooth Đặc điểm nổi bật của công nghệ Bluetooth là tiêu thụ năng lƣợng thấp, cho phép ứng dụng đƣợc trong nhiều loại thiết bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động với giá thành thiết bị rẻ.[1] Khoảng cách giao tiếp cho phép : • Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và 5m trong nhà. • Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngoài trời và 30m trong nhà. Tuy công suất tiêu thụ thấp nhƣng tốc độ truyền dữ liệu của Bluetooth có thể đạt tới mức tối đa 24Mbps (v4.0) mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau. Nhờ có các chuẩn “Bluetooth Profile” nên dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng nhƣ hệ điều hành sử dụng. Trong một mạng cá nhân (PAN) có 3 kênh để truyền tiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu Tính an toàn và bảo mật đƣợc tích hợp với sự xác nhận và mã hóa ( build in authentication and encryption). Tính tƣơng thích cao, đƣợc nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng nhƣ phần mềm hỗ trợ. [1] Nhờ giao tiếp bằng sóng radio mà dữ liệu Bluetooth có thể xuyên qua các vật thể rắn và phi kim. Sóng radio của Bluetooth đƣợc truyền đi bằng cách nhảy tần số (frequency hopping), có nghĩa là mọi packet đƣợc truyền trên những tần số khác nhau. Tốc độ nhảy nhanh giúp tránh nhiễu tốt. Hầu hết các nƣớc dùng 79 bƣớc nhảy, mỗi bƣớc nhảy cách nhau 1MHz, bắt đầu ở 2.402GHz và kết thúc ở 2.480GHz. Bluetooth đƣợc thiết kế để hoạt động ở mức năng lƣợng rất thấp. Đặc tả đƣa ra 3 mức năng lƣợng từ 1mW tới 100 mW [1] o Mức năng lƣợng 1 (100mW): Đƣợc thiết kế cho những thiết bị có phạm vi hoạt động rộng (~100m) o Mức năng lƣợng 2 (2.5mW): Cho những thiết bị có phạm vi hoạt động thông thƣờng (~10m) o Mức năng lƣợng 3 (1mW): Cho những thiết bị có phạm vi hoạt động ngắn (~5m) Những thiết bị có khả năng điều khiển mức năng lƣợng có thể tối ƣu hóa năng lƣợng bằng cách dùng những lệnh LMP (Link Manager Protocol). 9 1.4. Ứng dụng của Bluetooth. Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị nhƣ điện thoại di động, điện thoại cố định, máy tính xách tay, PC, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và video game console.[10] Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm: - Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây. Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông. Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn nhƣ chuột, bàn phím và máy in. Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX. Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông. Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại. Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác. Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử nhƣ Wii - Máy chơi trò chơi điện tử thế hệ 7 của Nintendo và PlayStation 3 của Sony. Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di động thay modem. 10 Chƣơng 2 KỸ THUẬT BLUETOOTH . 2.1. Các khái niệm dùng trong công nghệ Bluetooth. 2.1.1. Master Unit Master thiết lập đồng hồ đếm xung và kiểu bƣớc nhảy (hopping) để đồng bộ tất cả các thiết bị trong cùng piconet mà nó đang quản lý và nó cũng quyết định số kênh truyền thông. 2.1.2. Slaver Unit Là tất cả các thiết bị còn lại trong piconet, một thiết bị không là Master thì ph ải là Slave. 2.1.3. Piconet Picotnet là một loại kết nối bao gồm một tập hợp các thiết bị đƣợc hình thành thông qua kỹ thuật Bluetooth theo mô hình Ad -Hoc. Các thiết bị Bluetooth sẽ đóng vai trò các thiết bị ngang hàng, có thể đóng vai trò là master hay slave. Tuy nhiên trong 1 Piconet thì ch ỉ có 1 thiết bị là Master còn các thiết bị khác là slave. Tối đa 7 Slave cùng hoạt động trao đổi dữ liệu đồng thời trong 1 Piconet. Hình 2.1 - Minh hoạ một Piconet Hai Slave muốn thực hiện liên lạc phải thông qua Master bởi chúng không trực tiếp trao đổi đƣợc với nhau. 2.1.4. Scatternet: Là 2 hay nhiều Piconet độc lập và không đồng bộ, các Piconet này kết hợp lại truyền thông với nhau.[1] Một Scatternet đƣợc hình thành khi một thành viên của một piconet (master hay slave) đƣợc chọn để trở thành slave của một piconet khác. Hiện tại việc thực thi scatternet còn rất hạn chế vì giới hạn của Bluetooth và giao thức địa chỉ MAC. 11 Hình 2.2 - Minh hoạ một Scatternet 2.1.5. Kết nối theo kiểu ad hoc Kết nối ad hoc dựa vào sự liên lạc giữa các điểm, không cần thiết bị hỗ trợ kết nối giữa các thiết bị di động, không cần mạch điều khiển trung tâm cho các unit dựa vào để thiết lập kết nối. Trong Bluetooth, đó là một số lƣợng lớn các kết nối ad hoc cùng tồn tại trong một vùng mà không cần bất kỳ một sự sắp xếp nào, các network độc lập cùng tồn tại chồng chéo lên nhau [1] 2.1.7. Trạng thái của thiết bị Bluetooth Có 4 trạng thái chính của 1 thiết bị Bluetooth trong một piconet: [1] - Inquiring device (inquiry mode): thiết bị đang phát tín hiệu tìm thi ết bị Bluetooth khác. - Inquiry scanning device (inquiry scan mode): thiết bị nhận tín hiệu inquiry của thiết bị đang thực hiện inquiry và trả lời. - Paging device (page mode): thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với thiết bị đã inquiry từ trƣớc. - Page scanning device (page scan mode): thiết bị nhận yêu cầu kết nối từ paging device và trả lời. 12 2.2. Cách thức hoạt động của Bluetooth. Hình 2.3 – Hoạt động của một piconet - - Một kết nối mới đƣợc thiết lập dựa trên tiến trin ̀ h INQUIRY và PAGE. Tiến trin ̀ h Inquiry giúp một thiết bị dò tìm phát hiện các thiết bị khác trong tầm hoạt động cùng với địa chỉ và xung đồng hồ (clock) của nó. Sau đó thiết bị thực thi tiến trin ̀ h Paging để tạo kết nối. Thiết bị nào thiết lập kết nối sẽ phải thực hiện tiến trin ̀ h paging và t ự động trở thành Master của kết nối. Có hai dạng paging. Một chiến lƣợc paging bắt buộc tất cả các thiết bị Bluetooth đều phải hỗ trợ, dùng khi các Unit gặp trong lần đầu tiên, và trong trƣờng hợp tiến trin ̀ h paging theo ngay sau tiến trin ̀ h inquiry . Hai Unit sau khi kết nối nhờ dùng chiến lƣợc bắt buộc này, sau đó có thể chọn dạng paging khác. Sau thủ tục Paging (PAGE), Master thăm dò Slave bằng cách gửi packet POLL thăm dò hay packet NULL rỗng theo nhƣ Slave yêu cầu. Chỉ có Master gửi tín hiệu POLL cho Slave, ngƣợc lại không có.[1] Hình 2.4 - Quá trin ̀ h truy vấn tạo kết nối. 2.3. Các tầng giao thức trong Bluetooth. Công nghệ Bluetooth sử dụng rất nhiều giao thức khác nhau. Các giao thức cốt lõi đƣợc định nghĩa bởi tổ chức SIG. Các giao thức khác đƣợc đƣa vào bởi các tổ chức khác. Chồng giao thức Bluetooth đƣợc chia thành hai phần: một phần là “controller stack” chứa giao diện radio và một phần là “host stack” giải quyết mức dữ liệu bậc cao. Tầng controller stack đƣợc thực thi tại một thiết bị silicon giá thành thấp chứa Bluetooth radio và một vi xử lý. Tầng host stack thƣờng đƣợc thực thi nhƣ là một thành phần của hệ điều hành hoặc nhƣ một thành phần có thể cài đặt vào một hệ điều hành. Với các thiết bị tích hợp nhƣ tai nghe Bluetooth thì host stack và controller stack có thể chạy chung trên cùng một vi xử lý để giảm giá thành, đây đƣợc gọi là một hệ thống hostless.[10] 13 Hình 2.5 - Các tầng nghi thức Bluetooth. 14 Chƣơng 3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐỊNH VỊ Các phƣơng pháp định vị bao gồm sự tác động qua lại giữa hai hay nhiều thiết bị truyền thông với nhau. Một thiết bị truyền thông có thể đóng vai trò là máy phát hoặc máy thu tại một thời điểm nào đó. Trong tất cả các phƣơng pháp định vị thì một tín hiệu sẽ đƣợc phát đi từ máy phát và truyền qua kênh truyền để đi đến máy thu. Máy thu ƣớc lƣợng vị trí của nó dựa trên tín hiệu thu đƣợc và các đặc điểm của nó. Các đặc điểm này thay đổi khi tín hiệu truyền qua kênh và khác nhau với từng phƣơng pháp định vị. Có nhiều phƣơng pháp định vị một thiết bị di động bằng công nghệ sóng radio. Dựa vào các đặc tính truyền sóng mà ta có thể có các cách tiếp cận khác nhau đối với việc định vị. [7] 3.1. Thời gian sóng tới Một phƣơng pháp để xác định vị trí của một thiết bị di động là bằng cách đo thời gian tới (Time Of Arrival – TOA) của tín hiệu, khi biết đƣợc thời điểm truyền và tốc độ truyền. Nguồn tín hiệu xuất phát từ một thiết bị tĩnh đã biết vị trí chính xác. Quá trình đo bao gồm việc ƣớc lƣợng khoảng cách giữa thiết bị di động và thiết bị tĩnh (nguồn phát tín hiệu). Mỗi một khoảng cách đo đƣợc sẽ tạo thành một vòng tròn có tâm là thiết bị tĩnh. Vị trí của thiết bị di động đƣợc xác định từ giao điểm của các vòng tròn đó. Khoảng cách đo đƣợc sẽ tƣơng ứng với thời gian tới, quan hệ ở đây là tỉ lệ thuận: khoảng cách bằng thời gian nhân với tốc độ truyền. Trong thực tế thì độ chính xác của phƣơng pháp TOA chịu ảnh hƣởng rất lớn của hệ thống đồng hồ. Ta biết rằng tốc độ truyền tín hiệu không dây trong không khí là 3x10 8 m/s, và với một sai số 1µs sẽ dẫn tới sai số đo khoảng cách vào khoảng 300m. Do đó phƣơng pháp này yêu cầu độ chính xác rất cao của ứng dụng cũng nhƣ độ chính xác của phép đo TOA mà điều này phụ thuộc vào phần cứng. 3.2. Sai khác của thời gian sóng tới Một phƣơng pháp định vị khác là đo sai khác thời gian của sóng tới (TDOA). Hệ thống này dùng nhiều bộ thu tĩnh có sự đồng bộ hóa rất cao về mặt thời gian. Tín hiệu truyền đi từ thiết bị di động đến các bộ thu đã đồng bộ hóa. Mỗi bộ thu lƣu lại thời gian lúc nó nhận đƣợc tín hiệu này và truyền tới các bộ thu khác. Thời gian sai khác giữa hai bộ thu liên tiếp tƣơng ứng với khoảng cách giữa thiết bị di động và bộ thu tĩnh. Phƣơng pháp TDOA này cũng giống nhƣ TOA, yêu cầu một hệ thống đồng hồ độ chính xác cao, mà điều này thì thƣờng không có với các thiết bị di động thông thƣờng. 3.3. Góc sóng tới 15 Phƣơng pháp định vị bằng góc sóng tới (AOA) của một tín hiệu nhận đƣợc dùng góc này nhƣ một chỉ số góc từ máy thu so với nguồn tín hiệu. Việc đo AOA của một tín hiệu yêu cầu phải có một anten định hƣớng. Anten này đƣợc tạo bởi một dãy các phần tử anten mà có khả năng chia các búp sóng tƣơng đƣơng nhau theo các hƣớng khác nhau. Tại búp sóng mà có cƣờng độ cao nhất thì đó chính là vị trí góc mà sóng thu đƣợc. Trong hệ thống này thiết bị di động đóng vai trò là máy phát và thiết bị tĩnh đóng vai trò là máy thu, do các thiết bị di động thƣờng không có anten định hƣớng. Hệ thống định vị AOA cần rất nhiều anten, điều này là rất bất lợi trong thực tế. Hình 3.1 – Phƣơng pháp AOA 3.4. Nhận dạng cell Mọi thiết bị Bluetooth đều có một con số nhận dạng duy nhất. Ngay khi một thiết bị kết nối tới một piconet, nó sẽ nhận đƣợc các số nhận dạng (ID) duy nhất từ các thiết bị khác. Các giá trị ID này là chìa khóa cho việc định vị bằng nhận dạng cell. Một trạm cơ sở cố định sẽ gửi số ID của nó cho thiết bị mới kết nối tới. Vì một thiết bị Bluetooth chỉ hoạt động trong khoảng 10m nên ngƣời dùng với thiết bị Bluetooth sẽ biết đƣợc là anh ta đang ở trong phạm vi 10m so với trạm cơ sở. Giá trị ID này còn có thể đƣợc lƣu vào cơ sở dữ liệu cho phép định vị với độ chính xác 10m. Độ chính xác của phƣơng pháp này có thể đƣợc nâng cao nếu nhƣ có nhiều trạm cơ sở hơn. Nếu thiết bị có thể kết nối tới hai hay nhiều trạm cơ sở thì độ chính xác đƣợc tăng đáng kể. Khi đó vị trí của thiết bị nằm trong vùng giao nhau của các đƣờng tròn. 16 Hình 3.2 – Phƣơng pháp nhận dạng cell 3.5. Mức công suất thu Một cách khác để định vị là đo công suất tín hiệu thu. Vì công suất thu suy giảm khi tín hiệu truyền qua không khí và độ suy giảm tỷ lệ với khoảng cách nên khoảng cách này có thể đƣợc ƣớc lƣợng khi biết công suất tín hiệu thu.Phƣơng pháp này dựa trên công suất từ một số nguồn.Từ các giá trị đó vị trí của thiết bị di động có thể đƣợc xác định từ giao điểm của các đƣờng tròn tƣơng ứng với mỗi nguồn phát. Độ chính xác của phƣơng pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của việc truyền tín hiệu tại một công suất cố định và độ chính xác của việc đo công suất tại máy thu. Mặt khác, bất kỳ sự biến thiên công suất truyền nào đều là ẩn số đối với máy thu, và nhƣ vậy máy thu sẽ cho rằng những sự biến thiên nhƣ vậy là do suy giảm theo khoảng cách. Do đó hệ thống cần ƣu tiên nguồn phát mà có công suất phát cố định. Các tác động khác có ảnh hƣởng tới cƣờng độ tín hiệu là độ lợi của anten và nhiễu đa đƣờng.[3] 17 Hình 3.3 - Xác định vị trí từ công suất thu Độ suy giảm công suất thu có thể đƣợc mô tả bằng mô hình truyền sóng trong không gian tự do: 𝑃𝑅𝑋 = 𝑃𝑇𝑋 + 𝐺𝑇𝑋 + 𝐺𝑅𝑋 + 20 log 𝑐 − 10𝑛𝑙𝑜𝑔 𝑑 4𝜋𝑓 Trong đó PRX là mức công suất thu, PTX là mức công suất phát; GTX, GRX lần lƣợt là độ lợi của anten phát và thu (đo bằng dBi) ; c là vận tốc truyền sóng (3.10 8 m/s); f là tần số sóng mang; n là hệ số suy giảm ( n bằng 2 trong không gian tự do); và d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu. Mối liên hệ giữa công suất thu và khoảng cách theo mô hình truyến sóng đƣợc biễu diễn nhƣ hình dƣới đây. [4]