Xác định vị trí điện thoại di động

1. Tổng quan
Vấn đề xác định vị trí trong mạng di động không dây có thể xem xét ở 2 mốc quan trọng. Thứ nhất, việc xây dựng hệ thống xác định vị trí xe cộ (Automatic Vehicle Location – AVL) được thực hiện vào những năm 70. Hệ thống này nhằm để xác định vị trí xe cảnh sát và giao thông ở mặt đất trong quân đội. Hệ thống bao gồm một tập những trạm (base station) được xem là những điểm quan sát và sử dụng kỹ thuật AOA (angle of arrival) và TDOA (time difference of arrival) để xác định vị trí. Thứ hai, khi Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (Federal Communication Commission- FCC) lệnh cho các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động xây dựng hệ thống xác định vị trí của điện thoại di động cho dịch vụ khẩn cấp 911. Trong mệnh lệnh của FCC, yêu cầu phải xác định được vị trí của các thuê bao di động gọi tới số 911 với độ chính xác 125m với xác suất 67%.  Khi mệnh lệnh được đưa ra, rất nhiều nghiên cứu đã được thực thi trong giai đoạn này. Sau hơn 5 năm, yêu cầu của FCC đã đạt được và FCC ban hành lệnh mới nhằm tăng độ chính xác định vị (năm 2005). Mong muốn xác định vị trí chính xác cả trong môi trường indoor và outdoor luôn thách thức các nhà nghiên cứu mảng xác định vị trí này.
Ngoài ra, việc xác định vị trí của điện thoại di động còn có thể ứng dụng trong một số lĩnh vực khác. Thứ nhất, quảng cáo trên điện thoại di động (mobile advertising), biết được vị trí của khách hàng giúp cho việc quảng cáo trên điện thoại phù hợp hơn, mang lại hiệu quả cao hơn. Thứ hai, theo dõi tài sản (asset tracking), việc giám sát tài sản có thể thực hiện cả trong môi trường indoor và outdoor. Thứ ba, quản lý hạm đội (fleet management), ứng dụng này có thể dùng trong quân sự như tập trận chẳng hạn hay trong logistics. Thứ tư, tính hóa đơn điện thoại, việc xác định được vị trí khách hàng giúp nhà cung cấp mạng dễ dàng hơn trong việc tính toán hóa đơn điện thoại. Hay ứng dụng kỹ thuật xác định vị trí dựa trên mạng không dây có thể dùng để xác định vị trí các sensor trong mạng lưới sensor giám sát môi trường. Và còn nhiều ứng dụng khác.
Cũng trong những năm 90, hệ thống định vị toàn cầu GPS được xây dựng hoàn chỉnh (1994 với đầy đủ 24 vệ tinh) và bắt đầu đưa vào sử dụng. Khi phục vụ cho dân sự, GPS nhanh chóng được chú ý và đã được hầu hết các nước trên thế giới đón nhận. Rất nhiều những ứng dụng ngày nay ở các nước phụ thuộc vào hệ thống này. Tuy nhiên, vẫn còn đó nhiều trở ngại khi sử dụng GPS. GPS hoạt động đòi hỏi việc thu nhận tín hiệu line-of-sight (LOS) từ vệ tinh GPS, do đó nó sẽ không hoạt động tốt khi có sự cản trở của thực vật, những tòa nhà hay những trở ngại khác. Chi phí cho thiết bị GPS cầm tay không lớn nhưng việc trang bị nó cho một số lượng lớn những đối tượng cần giám sát thì đó là một khoảng đầu tư không nhỏ.
2. Về phân loại
Kỹ thuật xác định vị trí dựa trên điện thoại di động có thể được phân loại theo đối tượng tham gia vào quá trình xác định vị trí như : xác định vị trí dựa trên mạng (network-based), dựa trên thiết bị (handset-based), dựa trên SIM (SIM-based), và kỹ thuật tổng hợp thiết bị và mạng (hybrid).  Network-based tận dụng cơ sở hạ tầng của nhà cung cấp điện thoại di động để xác định vị trí điện thoại di động. Vấn đề khó khăn trong loại này là phải được sự giúp đỡ của nhà cung cấp mạng. Handset-based đòi hỏi phải cài đặt phần mềm vào thiết bị di động. Việc cài đặt phần mềm lên từng điện thoại sẽ ảnh hưởng đến chính sách riêng tư của các nhân sử dụng điện thoại và các phần mềm này có thể tiêu thụ pin của điện thoại. SIM-based là việc đo lường sóng radio thô từ thiết bị di động thường sử dụng trong mạng GSM (System for Mobile Communications) và UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Tùy vào nhà cung cấp mạng mà có SIM khác nhau nên việc xác định vị trí cũng khác nhau. Kỹ thuật hybird là việc kết hợp của 2 hay nhiều yếu tố đã nêu ở trên trong việc xác định vị trí mobile.
Việc phân loại ở trên dựa theo định nghĩa trên trên wikipedia, nhưng qua việc khảo sát những bài báo trong lĩnh vực này, người ta thường không quan tâm nhiều đế sự phân chia đó. Điều quan tâm lớn nhất là độ chính xác của việc xác định vị trí bởi trong các kỹ thuật này thường cho độ chính xác không cao.
3. Các kỹ thuật cơ bản
Kỹ thuật xác định vị trí dựa trên tín hiệu sóng điện thoại di động dựa trên bốn cách thức cơ bản : góc tới (Angle of Arrival - AOA) , thời gian tới (Time of Arrival - TOA), cường độ tín hiệu (Signal Strength) và sự phối hợp các kỹ thuật. Kỹ thuật dựa trên AOA xác định góc bằng cách so sánh hướng truyền sóng và một hướng tham khảo. Hướng tham khảo thường được chọn là hướng Bắc. Góc hợp bởi hướng truyền sóng và hướng Bắc gọi là góc tuyệt đối, còn góc hợp bởi 2 hướng truyền sóng gọi là góc tương đối. Sự định hướng là sự xác định được hướng của đối tượng cần xác định vị trí so với hướng Bắc. Trong trường hợp sự định hướng đã biết, xem xét hình đơn giản sau :

Trong đó, u là đối tượng cần xác định vị trí, b₁, b₂ là trạm đã biết vị trí. ▲θ là góc định hướng của đối tượng. Khi đó, góc tới tuyệt đối của trạm b₁ là (θ₁+▲θ), do đó vị trí của đối tượng sẽ nằm trên tia xuất phát từ trạm 1 hợp với hướng Bắc 1 góc bằng (θ₁+▲θ). Tương tự, từ trạm thứ hai chúng ta có vị trí đối tượng nằm trên tia hợp với hướng Bắc góc (θ₂+▲θ). Giao của 2 hướng này sẽ giúp xác định vị trí đối tượng.
Trường hợp sự định hướng tại đối tượng không biết, chúng ta xem xét hình sau :

Trong hình trên, những góc b₁ub₂, b₁ub₃, b₂ub₃ là những AOA tương đối. Kiến thức hình học cơ bản cho thấy những góc trên đường tròn căng cùng 1 dây cung thì chúng sẽ bằng nhau. Trong hình trên, góc b₁ub₂ căng dây cung b₁b₂ nên vị trí đối tượng u sẽ nằm trên cung b₁b₂, tương tự, vị trí đối tượng u cũng nằm trên cung b₂b₃ và cung b₁b₃. Giao của 3 cung này sẽ xác định được vị trí đố tượng u.
Kỹ thuật dựa trên TOA là việc xác định vị trí đối tượng dựa trên thời gian tới của tín hiệu. Để thực hiện kỹ thuật này đòi hỏi phải đồng bộ về thời gian giữa các trạm. Trong ví dụ minh họa dưới đây sử dụng thời gian tới của tín hiệu tại 3 trạm khác nhau. Bởi vì tín hiệu truyền với vận tốc ánh sáng (c=300.000 km/s) nên khoảng cách giữa đối tượng và 1 trạm là :

r_i=(t_i-t₀)*c , i=1,2,3

Trong đó, t₀ là thời gian bắt đầu truyền sóng và t_i là thời gian nhận được sóng tại trạm hay gọi là thời gian tới (TOA). Các khoảng cách r₁, r₂, r₃ được sử dụng để tính tọa độ đối tượng u (x_m,y_m) bằng cách giải hệ sau :

r₁²=x_m² + y_m²

            r₂² =(x₂-x_m)²+(y₂-y_m)²

           r₃²=(x₂-x_m)²+(y₂-y_m)²

Dễ dàng thấy được các phương trình trên là những phương trình đường tròn nên nghiệm của chúng là giao của 3 đường tròn đó. Từ đó vị trí của đối tượng sẽ được ước tính.

Kỹ thuật dựa trên cường độ tín hiệu (Signal Strength - SS) là việc xác định vị trí dựa trên cường độ tín hiệu có thể là tín hiệu nhận tại trạm. Phương pháp này có độ chính xác kém hơn so với các phương pháp trên nhưng việc thực hiện nó đơn giản và có chi phí thấp. Nguồn sai số phần lớn của phương pháp này là do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như hiện tượng đa đường (multipath), hay sóng bị hấp thụ bởi các vật liệu, none-line-of-sight (NLOS), … Để thể hiện đôi nét về ý tưởng của việc xác định vị trí sử dụng RSS, thuật toán Range-free được sử dụng để xem xét. Thuật toán được mô tả như sau. Cho một tập những trạm với vị trí đã biết b_i, và một đối tượng cần xác định vị trí u. Mỗi trạm sẽ nhận tín hiệu đến từ các trạm khác và từ đối tượng u. Tín hiệu đến tại 1 trạm có thể chia làm 2 nhóm. Nhóm 1 có giá trị không lớn hơn giá trị tín hiệu nhận tại trạm của đối tượng u. Và nhóm 2 có giá trị lớn hơn tín hiệu nhận tại trạm của đối tượng u. Bởi vì thuật toán này giả sử khoảng cách là 1 hàm của tín hiệu : khoảng cách càng xa tín hiệu càng nhỏ, do đó, giá trị lớn nhất trong nhóm 1 sẽ có vị trí gần với đối tượng u nhất và sẽ xác định một vòng tròn tâm tại trạm và có bán kính R₁. Tương tự, giá trị nhỏ nhất trong nhóm 2 cũng sẽ có vị trí gần đối tượng u nhất và sẽ xác định vòng tròn bán kính R₂. Hai vòng tròn xác định bởi vòng tròn bán kính R₁ và vòng tròn bán kính R₂ sẽ xác định cận dưới và cận trên của vị trí đối tượng u. Lặp lại quá trình trên tất cả các trạm sẽ xác định được khu vực là giao của tất cả các vòng tròn. Tâm trọng lực (center of gravity) của phần giao này chính là vị trí đối tượng u cần tìm.

Hình bên trên thể hiện thuật toán vừa nêu, với 3 trạm A,B,C và đối tượng chưa biết vị trí U.
Tóm lại, ba kỹ thuật được nêu ở trên chỉ để minh họa vài nét về các kỹ thuật. Trong mỗi kỹ thuật có rất nhiều nghiên cứu để có thể cải thiện độ chính xác trong vấn đề xác định vị trí. Ngoài ra còn có các kỹ thuật là sự cải tiến hay xem xét các khía cạnh khác của các kỹ thuật trên như : TDOA (Time Difference of Arrival), UTDOA (Uplink Time Difference of Arrival), EOTD (Enhanced Observed Time Difference), Location Fingerprinting (LF), …
Ngoài ra còn có một kỹ thuật đơn giản dựa trên đặc trưng của mạng điện thoại di động là Cell Site Identification (Cell ID). Mạng di động thường được phân chia thành những hình lục giác. Mỗi hình lục giác thường sẽ có 1 trạm thu phát sóng. Vị trí của điện thoại sẽ được xác định trong một hình lục giác dựa trên tín hiệu mà nó kết nối với trạm (bởi điện thoại di động sẽ kết nối với trạm gần nó nhất). Độ chính xác của kỹ thuật này phụ thuộc vào kích thước hình lục giác. Kích thước hình lục giác thường từ 100m – 3000m.
Mặt khác, một số kỹ thuật xác định vị trí có được dựa trên sự tổng hợp các kỹ thuật có sẵn nhằm tận dụng thế mạnh của các kỹ thuật và hạn chế các yếu điểm của chúng như TDOA kết hợp với AOA chẳng hạn.
                                                                                                                          NNS

Tài liệu tham khảo :Caffery, J. J. & Stuber, G. L. (1998). Overview of radiolocation in CDMA Cellular systems. IEEE Communication Mag., 36, 4, 38-45Sayed, A. H., Tarighat, A. & Khajehnouri, N. (2005). Network-Based Wireless Location: Challenges faced in developing techniques for accurate wireless location information. IEEE Signal Processing Mag.
Rong Peng and Mihail L (2006). Sichitiu. Angle of Arrival Localization for Wireless Sensor Networks. Sensor and Ad Hoc Communications and Networks, 2006. SECON '06. 2006 3rd Annual IEEE Communications Society on, vol.1, Issue 28.

PS: Và một số tài liệu khác, tôi không nhớ nữa, nói chung tất cả đều là tôi tổng hợp lại.