Đồ án tốt nghiệp năm 2018 tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, ngành Điện tử-Viễn thông.

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ GIAO THỨC
NHẬN DẠNG THẺ TAG CHO HỆ THỐNG
PASSIVE RFID
Hà Nội, 6-2018
Sinh viên thực hiện: Hoàng Tuấn Linh 20132263
Lớp KSTN-ĐTVT K58
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Chuyên

2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ GIAO THỨC
NHẬN DẠNG THẺ TAG CHO HỆ THỐNG
PASSIVE RFID
Hà Nội, 6-2018
Sinh viên thực hiện: Hoàng Tuấn Linh 20132263
Lớp KSTN-ĐTVT K58
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thành Chuyên
Cán bộ phản biện:

3. Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Giảng viên đánh giá: TS. Nguyễn Thành Chuyên
Họ và tên Sinh viên: Hoàng Tuấn Linh MSSV: 20132263
Tên đồ án: Phân tích, thiết kế giao thức nhận dạng thẻ tag cho hệ thống passive RFID.
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
1
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng
dụng của đồ án
1 2 3 4 5
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5
4
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
được
1 2 3 4 5
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
1 2 3 4 5
6
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
1 2 3 4 5
7
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận
để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
1 2 3 4 5
Kỹ năng viết (10)
8
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic
và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số
thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu
cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
1 2 3 4 5
9
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
1 2 3 4 5
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
10a
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học
(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh
sáng chế
5
10b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chuyên ngành như TI contest.
2
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0
Điểm tổng /50
Điểm tổng quy đổi về thang 10

4. 3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
(giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.............................................................................................
Ngày: / 6 /2018
Người nhận xét
Nguyễn Thành Chuyên

5. Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá: ....................................................................................................
Họ và tên Sinh viên: Hoàng Tuấn Linh MSSV: 20132263
Tên đồ án: Phân tích, thiết kế giao thức nhận dạng thẻ tag cho hệ thống passive RFID.
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
1
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng
dụng của đồ án
1 2 3 4 5
2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5
3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5
4
Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt
được
1 2 3 4 5
Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực
hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
1 2 3 4 5
6
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng.
1 2 3 4 5
7
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết
quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận
để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai.
1 2 3 4 5
Kỹ năng viết (10)
8
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic
và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số
thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án, có căn lề, dấu
cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương và kết luận
chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định
1 2 3 4 5
9
Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập
luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)
1 2 3 4 5
Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
10a
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải
SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học
(quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng phát minh
sáng chế
5
10b
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên
nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt
giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế khác về
chuyên ngành như TI contest.
2
10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học 0
Điểm tổng /50
Điểm tổng quy đổi về thang 10

6. 3. Nhận xét thêm của Thầy/Cô
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
......................................
Ngày: / 6 /2018
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

7. Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID)
đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng nhận dạng tự động các
vật thể qua kênh truyền vô tuyến. RFID ngày càng đóng vai trò quan trọng như một
công nghệ lõi trong các hệ thống vạn vật kết nối (IoT), khi hàng triệu thiết bị được
vận hành và kiểm tra giám sát thường xuyên. Một trong những ứng dụng cơ bản khi
xây dựng một hệ thống RFID là bài toán nhận dạng, nghĩa là đầu đọc cần thu thập tất
cả mã thẻ có trong hệ thống. Tuy nhiên, quá trình nhận dạng thường bị cản trở bởi sự
xung đột xảy ra giữa các thẻ, khi mà có nhiều thẻ cùng lúc gửi ID của nó về đầu đọc.
Đồ án sẽ đề xuất một giao thức thu thập mã thẻ passive RFID tối ưu hơn về thời gian
và năng lượng so với các phương pháp hiện có.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy - TS. Nguyễn Thành Chuyên,
giảng viên Bộ môn Hệ thống Viễn thông trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, người đã trực
tiếp hướng dẫn và tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi cũng
xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Viện Điện tử - Viễn thông nói riêng và
trong trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung đã giảng dạy tâm huyết, giúp tôi
có được cơ sở lý thuyết và nền tảng kiến thức chuyên ngành vững vàng để thực hiện
thành công đồ án. Cuối cùng, cho phép tôi được gửi lời cám ơn tới gia đình và bạn bè,
những người đã luôn tạo điều kiện và động viên về mặt tinh thần cho tôi trong suốt
quá trình học tập và thực hiện đồ án này.
Hà Nội, tháng 6 năm 2018
Hoàng Tuấn Linh
1

8. Tóm tắt đề tài
Với mục tiêu tối ưu về năng lượng và thời gian, đồ án này đề xuất một giao thức
nhận dạng mới áp dụng cho các hệ thống sử dụng công nghệ nhận dạng băng tần vô
tuyến (RFID) quy mô lớn. Giao thức được phát triển dựa trên nguyên lý về cây xung
đột bậc M (MCT), trong đó các thẻ đang bị xung đột tại một nút của cây được phân
nhóm vào M các cây con khác nhau. Khác với MCT, giao thức được đề xuất sử dụng
một cơ chế tuyền-nhận mới giữa đầu đọc và thẻ, trong đó mỗi thẻ chỉ truyền lại một
bản tin ngắn cho đầu đọc để giải quyết xung đột. Cơ chế này dựa trên khái niệm cửa
sổ xung đột và mã hóa Manchester đã được sử dụng rộng rãi cho các hệ thống RFID.
Nhờ đó, tổng số lượng bít mà các thẻ RFID phải truyền về đầu đọc trong quá trình
nhận dạng giảm rõ rệt. Điều này giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống về cả hai mặt
thời gian và năng lượng. Các tính toán lý thuyết đã được thực hiện để chứng minh tính
chính xác của các phân tích. Mô phỏng Monte-Carlo trên máy tính cũng làm rõ tính
vượt trội của giao thức mới khi so sánh với các giao thức liên quan.
Abstract
This thethis proposes a novel time- and energy-efficient identification protocol
in dense radio frequency identification (RFID) systems. The protocol is based on the
conventional M-ary collision tree (MCT) where tags involving a collision are classi-
fied into other M sub-trees. Nevertheless, different from the MCT, we design a trans-
mission mechanism by which each tag only responds to the reader by a small number
of bits for a collision detection. The mechanism is relied on a collision window and
Manchester encoding that are widely used for RFID systems. Thanks to the mecha-
nism, the number of bits transmitted by tags is significantly reduced, which improves
the overall system performance in terms of both time and energy consumption. Perfor-
mance analysis is investigated to validate the correctness of the mechanism. Computer
simulations are also performed using Monte-Carlo method. The obtained results are
then compared with those of conventional protocols to confirm the effectiveness of
the proposed protocol.
2

9. Mục lục
Lời nói đầu 1
Tóm tắt đề tài 2
Mục lục 3
Danh sách hình vẽ 5
Danh sách bảng 7
Danh sách từ viết tắt 8
Phần mở đầu 9
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 10
1.1 Công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID) . . . . . . . . . . . 10
1.1.1 Tổng quan về công nghệ RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2 Phân loại thẻ RFID thụ động, chủ động và bán thụ động . . . . 13
1.1.3 Tần số hoạt động và đặc tính của các hệ thống RFID . . . . . . 14
1.2 Vấn đề xung đột khi nhận dạng và các giao thức giải quyết hiện có
trong các hệ thống RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Mục tiêu và phạm vi đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chương 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 20
2.1 Mô tả hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2 Mã hóa Manchester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Mô hình thời gian và năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3

10. Chương 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ GIAO THỨC MCwT 24
3.1 Giới thiệu giao thức MCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Đề xuất giao thức MCwT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của MCwT . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.2 Kích thước cửa sổ và xác suất phát hiện xung đột . . . . . . . . 32
3.2.3 Phương pháp ước lượng số thẻ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 36
4.1 Kiểm chứng phân tích lý thuyết và lựa chọn tham số tối ưu . . . . . . . 36
4.2 Đánh giá hiệu năng của MCwT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3 Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45
Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt-Anh 47
Tài liệu tham khảo 47
Phụ lục 52
4

11. Danh sách hình vẽ
Hình 1.1 Tổng giá trị của thị trường RFID trên thế giới (đơn vị: tỷ USD). 11
Hình 1.2 Vấn đề xung đột thẻ trong hệ thống RFID. . . . . . . . . . . . . 16
Hình 2.1 Link timing giữa đầu đọc và các thẻ với các loại collision,
empty và success slots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Hình 2.2 Mã hóa Manchester. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Hình 3.1 Cấu trúc cây xung đột bậc M (M-ary collision tree) trong giao
thức MCT với 6 thẻ A, B, C, D, E, F và M = 4. . . . . . . . . . 26
Hình 3.2 Cấu trúc cây xung đột bậc M (M-ary collision tree) trong giao
thức MCwT với kích thước cửa sổ (W) 2 bit và mức ngưỡng
(Nthres) 8 thẻ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Hình 3.3 Cấu trúc các bản tin của đầu đọc và thẻ trong các giao thức
MCT và MCwT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Hình 3.4 Pseudo-code mô tả hoạt động của đầu đọc trong giao thức
MCwT với M = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Hình 3.5 Pseudo-code mô tả hoạt động của thẻ trong giao thức MCwT
với M = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Hình 4.1 Xác suất xảy ra sự kiện có ít nhất 2 (M = 4) colliding bit xuất
hiện trong bản tin DM (W bit) dựa trên số thẻ biết trước. . . . . 37
Hình 4.2 Sai số toàn phương trung bình (MSE) của thuật toán ước lượng
tổng số thẻ trong giao thức MCwT. . . . . . . . . . . . . . . . 37
Hình 4.3 Thời gian và năng lượng trung bình để nhận dạng một thẻ trong
giao thức MCwT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5

12. Hình 4.4 Đánh giá hiệu năng của các giao thức MCwT, MCT và CwT
khi nhận dạng toàn bộ thẻ trong hệ thống: (a) Tổng số bit trong
các bản tin truyền bởi đầu đọc; (b) Tổng số bit trong các bản tin
từ thẻ gửi về đầu đọc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Hình 4.5 Đánh giá hiệu năng của các giao thức MCwT, MCT và CwT
khi nhận dạng toàn bộ thẻ trong hệ thống: (a) Tổng thời gian
nhận dạng; (b) Tổng năng lượng tiêu tốn. . . . . . . . . . . . . 41
Hình 4.6 Thời gian trung bình để nhận dạng một thẻ với MCT và MCwT
trong kênh truyền không lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Hình 4.7 Năng lượng trung bình để nhận dạng một thẻ với MCT và
MCwT trong kênh truyền không lý tưởng. . . . . . . . . . . . . 44
6

13. Danh sách bảng
Bảng 1.1 So sánh các công nghệ nhận dạng Barcode, QR-code và RFID. . 12
Bảng 1.2 Đặc điểm của các loại thẻ RFID. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Bảng 1.3 Đặc điểm của các hệ thống RFID theo tần số hoạt động. . . . . 15
Bảng 3.1 Ký hiệu viết tắt trong MCT và MCwT. . . . . . . . . . . . . . . 25
Bảng 3.2 Quá trình nhận dạng của MCT với ví dụ trong Hình 3.1. . . . . 26
Bảng 3.3 Quá trình nhận dạng của MCwT với ví dụ trong Hình 3.2. . . . 28
Bảng 4.1 Tham số trong mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7

14. Danh sách từ viết tắt
RF Radio Frequency
RFID Radio Frequency IDentification
IoT Internet of Things
ID IDentification
QT Query Tree
BT Binary Tree
OQTT Optimal Query Tracking Tree
CT Collison Tree
DPPS Dual Prefix Probe Scheme
ImATSA Improved Assigned Tree Slotted Aloha
MCT M-ary Collision Tree
CwT Collision window Tree
MCwT M-ary Collision window Tree
CW Continuous Waves
FIFO First-In-First-Out
LIFO Last-In-First-Out
MSE Mean Squared Error
DE Detection Error
CE Capture Effect
SNR Signal-to-Noise Ratio
BE Bit Error
8

15. Phần mở đầu
Đồ án thiết kế giao thức thu thập mã thẻ RFID tối ưu về thời gian và năng lượng
sẽ tập trung giải quyết vấn đề xung đột khi nhận dạng thẻ trong các hệ thống passive
RFID. Mục tiêu của đồ án là đưa ra được một giao thức thu thập mã thẻ mới tối ưu
hơn về thời gian và năng lượng so với các giao thức đã có. Cụ thể, giao thức đề xuất
(MCwT) sẽ kế thừa những đặc tính quan trọng của giao thức tiền đề MCT, đồng thời
sử dụng cơ chế truyền tin mới theo cửa sổ (window mechanism) kết hợp với phương
pháp ước lượng thẻ xung đột để tiết kiệm số bit mà đầu đọc truyền-nhận. Điều này
giúp tối ưu hiệu năng của MCwT về cả thời gian và năng lượng. Phân tích lý thuyết
và mô phỏng trên máy tính đã được thực hiện để kiểm chứng và làm rõ tính hiệu quả
của cơ chế truyền tin mới.
Nội dung của đồ án được tổ chức như sau. Chương 1 trình bày vấn đề giải quyết
xung đột khi thu thập mã thẻ trong các hệ thống passive RFID, phân tích các giao
thức hiện có đồng thời đưa ra ý tưởng tối ưu của giao thức được đề xuất. Chương 2
trình bày về mô hình hệ thống và các thông tin liên quan khi phân tích một giao thức
nhận dạng RFID. Trong Chương 3, mô tả chi tiết cùng các phân tích lý thuyết về giao
thức mới (MCwT) sẽ được trình bày. Theo sau đó, kết quả mô phỏng trên máy tính
sẽ được phân tích trong Chương 4. Cuối cùng, các kết luận quan trọng và hướng phát
triển đề tài được trình bày trong Chương 5.
9

16. Chương 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong chương này, vấn đề giải quyết xung đột trong bài toán thu thập mã thẻ trong các
hệ thống RFID sẽ được trình bày. Các hướng tiếp cận và tiêu chí đánh giá hiệu năng
của các giao thức hiện có cũng sẽ được phân tích. Phần cuối của chương sẽ trình bày
về ý tưởng nền móng của giao thức được đề xuất (MCwT).
1.1 Công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID)
1.1.1 Tổng quan về công nghệ RFID
Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ cho phép một
thiết bị đọc thông tin chứa chip không tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách xa, không
thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào hoặc giữa hai vật không nhìn thấy nhau. Kỹ thuật
RFID sử dụng truyền thông không dây trong dải tần sóng vô tuyến để truyền dữ liệu
từ các thẻ (tag) đến các đầu đọc (reader). Thẻ có thể được đính kèm vào đối tượng
được nhận dạng ( bao gồm cả con người). Đầu đọc scan dữ liệu của thẻ và gửi thông
tin đến cơ sở dữ liệu có lưu trữ dữ liệu của thẻ.
Trong những năm gần đây, công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID)
đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhận dạng vật thể tự
động. RFID ngày càng đóng vai trò quan trọng như một công nghệ lõi của mạng lưới
vạn vật kết nối (IoT), khi hàng tỷ thiết bị được vận hành và kiểm tra giám sát thường
10

17. xuyên [1, 2]. Theo IDTechEx, tổng giá trị thị trường RFID trên thế giới hiện nay đã
vượt ngưỡng 10 tỷ USD và vẫn đang tiếp tục tăng, trong đó thị phần cho thẻ passive
RFID chiếm khoảng 45% tổng giá trị (Hình 1.1 [3]). Yếu tố chủ chốt chính tạo nên sự
tăng trưởng liên tục này là RFID cho phép nhận dạng vật thể qua giao tiếp không dây
(wireless) không cần trong tầm nhìn thẳng (line-of-sight) [4]. Bảng 1.1 [5] so sánh
đặc điểm của các công nghệ nhận dạng Barcode, QR-code và RFID. Mỗi công nghệ
nhận dạng đều có ưu điểm riêng và đều đã được triển khai thực tế trong các ứng dụng
khác nhau. Hiện nay, RFID đã được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực yêu cầu
nhận dạng nhanh hoặc giám sát vị trí với số lượng đối tượng rất lớn như kiểm kê hàng
hóa, quản lý nhà kho, quản trị thư viện và giám sát giao thông.
Hình 1.1: Tổng giá trị của thị trường RFID trên thế giới (đơn vị: tỷ USD).
11

18. Bảng1.1:SosánhcáccôngnghệnhậndạngBarcode,QR-codevàRFID.
BarcodeQR-codeRFID
Giaotiếptầmnhìnthẳng
(Line-of-sight)
BắtbuộcBắtbuộcKhôngbắtbuộc
Khoảngcáchđọctốiđa
Nhỏhơn1m
(Vàiinchđếnmộtfeet)
Nhỏhơn1m
(Vàiinchđếnmộtfeet)
ThẻPassive:Nhỏhơn10m
ThẻSemi-Passive:Dưới100m
ThẻActive:Lớnhơn100m
Nguyênlýtruyềntin
Quanghọc
(Optical)
Quanghọc
(Optical)
Sóngvôtuyến
(RadioFrequency)
Ứngdụngnhậndạng
Nhậndạngloạivậtthể
(mostlyidentifyonlytypeofitem)
Cóthểnhậndạngtừngvậtthểriêngbiệt
(identifyeachitemuniquely)
Cóthểnhậndạngtừngvậtthểriêngbiệt
(identifyeachitemuniquely)
Tốcđộnhậndạngvâtthể
Chậm.
Chỉnhândạngđượclầnlượttừngvậtthể.
Chậm.
Chỉnhândạngđượclầnlượttừngvậtthể.
Nhanh.
Nhậndạngtựđộngnhiềuvậtthểcùnglúc.
Tácđộngcủacácnhântố
môitrường
Chịuảnhhưởngnhiều
(VD:vạchbarcodebịmờ)
Chịuảnhhưởngnhiều
(VD:vạchQR-codebịmờ)
Ítbịtácđộnghơn
NhậndạngtựđộngKhônghỗtrợKhônghỗtrợCóhỗtrợ
Giámsátvịtrícủavật
thểtrongkhônggian
KhônghỗtrợKhônghỗtrợCóhỗtrợ
GiáthànhThấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
DunglượngthôngtinThấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
12

19. 1.1.2 Phân loại thẻ RFID thụ động, chủ động và bán thụ động
Một hệ thống RFID thông thường bao gồm một đầu đọc (reader) và rất nhiều thẻ
(tag) trong đó mỗi thẻ có một mã (ID) đặc trưng và không trùng lặp với các thẻ khác
[6]. Đầu đọc đặc thù là thiết bị được cung cấp nguồn năng lượng thường xuyên (dùng
pin hoặc nguồn cắm trực tiếp), có tài nguyên bộ nhớ lớn và khả năng tính toán phức
tạp. Ngược lại, các thẻ có rất nhiều loại với khả năng tính toán và tài nguyên khác
nhau. Chúng biến đổi từ các thẻ passive thuần túy (không được cung cấp nguồn năng
lượng liên tục và chỉ có khả năng hồi đáp các truy vấn từ đầu đọc) đến các thẻ active
thông minh (được trang bị bộ nhớ, khả năng tính toán và nguồn năng lượng riêng).
Trong các loại thẻ, thẻ passive RFID thường được sử dụng khi thiết kế các hệ thống
quy mô lớn do chi phí của chúng thấp [7].
Có ba loại thẻ RFID: thụ động (passive), chủ động (active) hoặc bán thụ động
(semi-passive) [6]. Các thẻ passive có khả năng tính toán rất hạn chế. Chúng không có
khả năng cảm nhận kênh truyền, phát hiện xung đột hay trao đổi thông tin với nhau.
Các thẻ semi-passive có đặc điểm tương tự như thẻ passive, ngoại trừ việc chúng được
trang bị nguồn cung cấp năng lượng liên tục (pin). Việc này giúp chúng có năng lượng
để nuôi các vi mạch (microchip) trên bo mạch. Thẻ active có giá thành cao nhất so
với hai loại trên. Chúng có khả năng cảm nhận về kênh truyền và phát hiện xung đột.
Bảng 1.2 [7] tổng hợp các đặc trưng của ba loại thẻ này.
Bảng 1.2: Đặc điểm của các loại thẻ RFID.
Thẻ thụ động
(Passive Tag)
Thẻ bán thụ động
(Semi-Passive Tag)
Thẻ chủ động
(Active Tag)
Đặc điểm
(Characteristics)
Không có nguồn năng lượng
liên tục. Được cấp năng
lượng qua sóng CW (Contin-
uous Waves) từ đầu đọc
Sử dụng nguồn năng lượng
từ pin để kích hoạt microchip
trên bo mạch. Tuy nhiên, để
truyền nhận dữ liệu với đầu
đọc, vẫn cần năng lượng qua
sóng CW từ đầu đọc
Có nguồn năng lượng liên tục
(vd, từ pin hoặc năng lượng
mặt trời). Không cần năng
lượng qua sóng CW của đầu
đọc để truyền tin.
Mô hình giao tiếp
(Comm. Model)
Reader Talks First (RTF) Tag Talk First (TTF)
Tần số hoạt động
(Operating Freq.)
LF, HF, UHF, Microwave UHF UHF, Microwave
Khoảng nhận dạng
(Read Range)
0.1m - 7m 60m - 80m Hơn 100m
Chi phí
(System Cost)
Thấp nhất <————————————————————–> Cao nhất
Độ phức tạp
(System Complexity)
Thấp nhất <————————————————————–> Cao nhất
13

20. 1.1.3 Tần số hoạt động và đặc tính của các hệ thống RFID
Các hệ thống RFID hoạt động ở nhiều tần số khác nhau theo các chuẩn công
nghiệp khác nhau, trong khoảng từ 100KHz đến 5.8GHz. Bảng 1.3 [7, 8, 9, 10] tổng
hợp các đặc điểm của các hệ thống RFID khác nhau dựa theo tần số hoạt động.
14

21. Bảng1.3:ĐặcđiểmcủacáchệthốngRFIDtheotầnsốhoạtđộng.
LFHFUHFMicrowave
Dảitần
(FrequencyRange)
<135kHz13.56MHz860-930MHz(1)2.45GHz
Loạithẻ
Thụđộng
(Passive)
Thụđộng,Bánthụđộng,Chủđộng
(Passive,Semi-Passive,Active)
Thụđộng,Chủđộng
(Passive,Active)
Khoảngcáchđọctốiđa2m0.1m-0.2m4m-7m(2)(3)1m(3)
Môitrườngnướchoặc
cơthể
Khôngảnhhưởng
Làmyếutínhiệu
(Attenuation)
Làmyếutínhiệu
(Attenuation)
Làmyếutínhiệu
(Attenuation)
Môitrườngkimloại
Làmnhiễutínhiệu
(Disturbance)
Làmnhiễutínhiệu
(Disturbance)
Làmyếutínhiệu
(Attenuation)
Làmyếutínhiệu
(Attenuation)
Chiphí
(SystemCost)
Yêucầukíchthướcantenlớn.Chi
phícaohơn
ChiphíthấphơnLF.Phùhợpnhất
vớinhữngứngdụngnhậndạng
trongkhoảngcáchngắn
ChiphíthấphơnLFvàHF,do
nhữngtiếnbộcủangànhthiếtkếIC.
Chiphícaonhất,sovớiLF,HFvà
UHF.
ỨngdụngAnimaltagging,Accesscontrol,
Vehicleidentification,Container
trackinginwastemanagement
AccessControl,Itemtagging,Tick-
eting,Documenttracking,Baggage
control,Laundies,Libraries
Baggagehandling,Tollcollection,
Supplychainmanagement
Electronictollcollection,Realtime
goodstracking,Productionline
tracking
TốcđộtruyềntinThấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
Nănglượngtiêutốn
phíathẻ
Thấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
KíchthướcthẻLớnnhất<————————————————————————————>Nhỏnhất
Độnhạyvềhướng
(OrientationSensitivity)
Thấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
Băngthông
(Bandwidth)
Thấpnhất<————————————————————————————>Caonhất
(1)NhậtBảncóchuẩnRFIDchotầnsố950MHztrongbăngtầnUHF.
(2)Thẻbánthụđộng(semi-passivetag)hoạtđộngởbăngtầnUHFcóvùngđọctốiđalà60m-80m.
(3)Thẻchủđộng(activetag)hoạtđộngởbăngtầnUHFvàMicrowavecóvùngđọctốiđalớnhơn100m.
15

22. 1.2 Vấn đề xung đột khi nhận dạng và các giao thức giải
quyết hiện có trong các hệ thống RFID
Sự xung đột khi có nhiều thẻ cùng lúc gửi thông tin về đầu đọc là một trong
những vẫn về cơ bản của trong các hệ thống RFID [2, 7] (Hình 1.2). Do việc sử dụng
cùng một kênh tần số, bản tin tại đầu đọc là tín hiệu tổng hợp của nhiều thẻ trong
vùng nhận dạng và không thể được giải mã thành công. Vấn đề xung đột thẻ gây cản
trở đến một trong những tác vụ cơ bản của đầu đọc là thu thập mã thẻ (hay nhận dạng
thẻ) trong hệ thống. Các thẻ, do đó, phải gửi lại ID của nó trong nhiều lần cho tới khi
chỉ có mình nó tại một thời điểm gửi tín hiệu về đầu đọc để được nhận dạng. Điều này
khiến quá trình nhận dạng tiêu tốn nhiều thời gian và năng lượng, đặc biệt khi các thẻ
xuất hiện với mật độ dày đặc trong hệ thống.
Hình 1.2: Vấn đề xung đột thẻ trong hệ thống RFID.
Để giải quyết vấn đề xung đột khi thu thập mã thẻ, rất nhiều giao thức đã được
đề xuất. Hầu hết các giao thức đều dựa trên hai cách tiếp cận chính là sử dụng truy
cập ngẫu nhiên (aloha-based) [11, 12, 13, 14, 15] hoặc cấu trúc cây phân nhánh (tree-
based) [16, 17, 18, 19].
Trong các giao thức dựa trên truy cập ngẫu nhiên (aloha-based), quá trình thu
thập mã thẻ diễn ra trong nhiều frame, mỗi frame gồm nhiều slot. Khi một frame xuất
hiện, các thẻ sẽ chọn ngẫu nhiên một trong các slot để gửi ID của mình về đầu đọc.
16

23. Nhiều nghiên cứu theo hướng này đã tìm ra các thuật toán ước lượng chính xác số
lượng thẻ để lựa chọn kích thước frame hợp lý, làm tăng tốc quá trình nhận dạng. Tuy
nhiên, các giao thức aloha-based nói chung đều có chung một nhược điểm, quá trình
nhận dạng có thể diễn ra trong một khoảng thời gian dài mà không đảm bảo chắc chắn
tất cả thẻ trong hệ thống đều đã được nhận dạng [20].
Các giao thức dựa trên cây phân nhánh (tree-based) phân chia các thẻ đang có
xung đột vào các nhóm nhỏ hơn cho tới khi chỉ có một thẻ trong mỗi nhóm. Do đó,
các giao thức tree-based đảm bảo việc thu thập tất cả mã thẻ trong hệ thống có thể
thực hiện trong một khoảng thời gian hữu hạn [20]. Dựa theo cơ chế phân nhánh, các
giao thức tree-based gồm hai loại là sử dụng cây nhị phân (BT) hoặc cây truy vấn
(QT). Trong quá trình phân nhánh, các giao thức QT sử dụng chính mã ID của thẻ,
trong khi BT sử dụng các số sinh ngẫu nhiên (và do đó, BT yêu cầu cao hơn về bộ
nhớ của thẻ để lưu các số này). Các phân tích trên cho thấy các giao thức dựa trên cây
truy vấn (QT) có nhiều ưu điểm và khả năng ứng dụng thực tế cao, và do đó chúng là
đối tượng nghiên cứu của đồ án.
Thời gian và năng lượng tiêu tốn để đọc hết mã thẻ là hai tiêu chí quan trọng
trong việc đánh giá hiệu quả của một giao thức nhận dạng RFID. Tuy nhiên, hầu hết
các nghiên cứu gần đây chỉ tập trung vào yếu tố thời gian, nghĩa là đưa ra các đề xuất
giúp tăng tốc quá trình nhận dạng. Các giao thức dựa trên cây truy vấn (QT-based) đạt
tối ưu về thời gian nhất hiện nay có điểm chung trong việc sử dụng kỹ thuật giám sát
bit (bit-tracking), bao gồm OQTT (Optimal Query Tracking Tree) [19], CT (Collision
Tree) [21], DPPS (Dual Prefix Probe) [22] và ImATSA (Improved Assigned Tree Slot
Aloha) [23]. Trong các giao thức này, mã Manchester được dùng để mã hóa cho các
bản tin phản hồi ở phía thẻ. Nhờ đó, đầu đọc có thể sử dụng vị trí của colliding bit đầu
tiên trong trong bản tin tổng hợp phía đầu đọc (DM) để xác định phần tiền tố chung
(common prefix) của các thẻ đang bị xung đột. Các thẻ này sau đó được phân nhánh
vò các nhóm nhỏ hơn đặc trưng bởi một phần tiền tố (prefix) mới. Prefix mới được
tạo ra bằng cách thêm một bit (OPTT, CT) hoặc nhiều bit (DPPS, ImATSA) vào phần
tiền tố chung (common prefix). Tuy nhiên, do chỉ có vị trí của colliding bit đầu tiên
được sử dụng, các giao thức này vẫn tạo ra rất nhiều collision slot.
17

24. Năng lượng mà đầu đọc tiêu tốn trong quá trình nhận dạng trong một hệ thống
passive RFID bao gồm hai thành phần, phần thứ nhất dùng để cung cấp năng lượng
cho thẻ qua sóng mang CW (continuous waves), phần còn lại để truyền/nhận các bản
tin với thẻ. Phần thứ nhất tỷ lệ với thời gian nhận dạng do trong quá trình đọc mã
đầu đọc luôn phải cung cấp năng lượng cho thẻ. Phần thứ hai phụ thuộc vào số lượng
bit trao đổi giữa đầu đọc và thẻ trong khi nhận dạng (lưu ý rằng, thẻ phải truyền một
phần/toàn bộ ID của nó trong nhiều lần mới có thể được nhận dạng do xung đột với
các thẻ khác). Do đó, để tối ưu về năng lượng khi nhận dạng, cả thời gian đọc thẻ và
tổng số bit truyền-nhận giữa đầu đọc và thẻ phải càng nhỏ càng tốt [24].
Mới đây, giao thức MCT (M-ary Collision Tree) đã được đề xuất để tối ưu cả
thời gian và năng lượng trong thang bậc hiệu năng (performance metrics) [25]. Trong
giao thức này, log2 M colliding bit đầu tiên trong DM được sử dụng để chia nhánh các
thẻ đang có xung đột vào M nhóm nhỏ hơn. Với việc tận dụng nhiều colliding bit,
tổng thời gian nhận dạng và số bit truyền nhận giữa đầu đọc và thẻ đều giảm đáng kể
trong MCT. Cụ thể, MCT đã được chứng minh có thể tiết kiệm 15% về thời gian và
năng lượng cho toàn bộ quá trình nhận dạng so với các giao thức tốt nhất hiện nay.
Tuy nhiên, số lượng bit mà đầu đọc nhận trong giao thức này vẫn rất lớn, đặc biệt
trong các hệ thống RFID có mật độ thẻ dày đặc. Do vậy, tôi tin tưởng rằng vẫn có thể
cải thiện hiệu năng của MCT hơn nữa.
1.3 Mục tiêu và phạm vi đề tài
Đề tài này tập trung phân tích các giao thức đã có để đưa ra một giao thức nhận
dạng mới tối ưu về thời gian và năng lượng áp dụng cho các hệ thống passive RFID.
Giao thức mới mang tên MCwT (M-arry Collision window Tree) sẽ được đề xuất, với
sự kế thừa những đặc tính quan trọng của MCT và hai ý tưởng cải thiện hiệu năng.
Thứ nhất, MCwT sử dụng một cơ chế truyền tin mới với khái niệm cửa sổ xung đột
(collision window), trong đó mỗi thẻ chỉ truyền về đầu đọc một vài bit ID trong cửa
sổ trượt (nếu cơ chế cửa sổ hoạt động) để phát hiện các colliding bit. Nếu cơ chế cửa
sổ bị vô hiệu, các thẻ, tương tự như MCT, sẽ truyền lại phần còn lại trong ID của nó
để được nhận dạng. Thứ hai, để hỗ trợ kích hoạt/vô hiệu cơ chế truyền tin theo cửa sổ,
18

25. một phương pháp ước lượng hiệu quả số thẻ xung đột cũng được đề xuất. Ý tưởng về
cửa sổ xung đột (collision window) xuất phát từ hoạt động của cơ chế cửa sổ đã được
đề xuất trong CwT [26], tuy vậy cơ chế mới hoàn toàn khác so với cái đã có (sự khác
biệt sẽ được làm rõ ở phần sau). Nhờ vậy, tổng số lượng bit truyền và nhận bởi đầu
đọc trong MCwT giảm thiểu rõ rệt so với MCT và CwT. Điều này giúp tối ưu hiệu
năng của MCwT về cả thời gian và năng lượng.
Phân tích lý thuyết ở phần sau sẽ làm rõ sự chính xác và tính hiệu quả của cơ chế
truyền tin mới. Các mô phỏng sử dụng phương pháp Monte-Carlo cũng đã được thực
hiện với sự xem xét điều kiện kênh truyền lý tưởng và không lý tưởng. Các kết quả sau
đó được so sánh với MCT và CwT để làm rõ sự hiệu quả của giao thức đề xuất. Cần
lưu ý thêm rằng, mặc dù MCwT hoàn toàn có thể áp dụng cho các hệ thống active
RFID, tuy nhiên do giới hạn về thời gian, đồ án chỉ tập trung phân tích và so sánh giao
thức này với các giao thức khác trong các hệ thống passive. Áp dụng MCwT cho các
hệ thống active là một trong các hướng phát triển của đề tài sẽ được thực hiện trong
tương lai.
1.4 Kết luận chương
Chương 1 đã trình bày tổng quan về bài toán và các phương pháp giải quyết vấn
đề xung đột khi nhận dạng thẻ. Đồ án sẽ đề xuất một giao thức mới giúp tối ưu về cả
thời gian và năng lượng khi thu thập mã thẻ trong các hệ thống passive RFID. Giao
thức mới (MCwT) sẽ kế thừa những đặc tính quan trọng của các giao thức MCT và
CwT. Ngoài ra, một cơ chế truyền tin theo cửa sổ và một phương pháp ước lượng thẻ
xung đột được đề xuất để giúp MCwT tối ưu hơn về thời gian-năng lượng so với các
giao thức đã có.
19

26. Chương 2
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Chương này trình bày mô hình của hệ thống passive RFID được sử dụng trong nghiên
cứu. Ngoài ra, phương pháp mã hóa Manchester và mô hình tính toán thời gian - năng
lượng cho một hệ thống RFID cũng được mô tả cụ thể trong phần này.
2.1 Mô tả hệ thống
Hệ thống passive RFID được nghiên cứu bao gồm một đầu đọc và một số lượng
lớn, ký hiệu bởi n, các thẻ passive RFID trong vùng nhận dạng. Mỗi thẻ có một mã
(ID) đặc trưng dài 128 bít và không bị trùng lặp với bất kỳ thẻ nào khác. Đầu đọc
và thẻ giao tiếp với nhau theo kiểu bán song công (half-duplex) trong điều kiện kênh
truyền lý tưởng. Trong đó, nhiệm vụ của đầu đọc là thu thập hết tất các các ID của
các thẻ có trong vùng nhận dạng sao cho tiết kiệm về mặt thời gian và năng lượng sử
dụng các giao thức dựa trên cây truy vấn. Nó thực hiện việc này bằng cách broadcast
một truy vấn (query) và đợi các bản tin phản hồi (response) của thẻ. Nếu một thẻ có
mã trùng với phần tiền tố (từ giờ trở đi gọi là prefix) trong bản tin truy vấn của đầu
đọc, nó sẽ gửi bản tin trả lời. Trong các trường hợp khác, thẻ sẽ giữ im lặng cho tới
khi có phần tiền tố prefix trùng với ID của mình. Trong suốt quá trình truyền tin, nếu
truy vấn của đầu đọc tạo ra xung đột, nghĩa là có nhiều thẻ cùng lúc gửi về các bản tin
khác nhau, M colliding bit đầu tiên trong bản tin (cơ chế phát hiện các colliding bit
trong bản tin nhận được ở phía đầu đọc sẽ được giải thích bên dưới) được sử dụng để
20

27. Query Query
Response
Qrep Qrep Qrep
Response
Success Slot Empty SlotCollision Slot
Frame (M slots)
No
colliding bit
At least one
colliding bit
No
response
CW CW CW CW
tQ t1
tT
t2 tR t1 t1
tT
t2 t3tR
Reader
Tag
Hình 2.1: Link timing giữa đầu đọc và các thẻ với các loại collision, empty và success slots.
phân nhóm các thẻ đang bị xung đột vào M nhóm nhỏ khác nhau. Ngoài ra, dựa trên
số lượng thẻ đồng thời phản hồi, các khe thời gian trong một khung được phân chia
thành ba loại: collision slot, empty slot và success slot. Cụ thể, không có thẻ nào phản
hồi trong một empty slot, trong khi đó chỉ có một thẻ phản hồi trong một success và
đầu đọc có thể nhận dạng thành công ID của thẻ. Trong các trường hợp khác, collision
slot xảy ra.
Để minh họa, Hình 2.1 mô tả liên kết về mặt thời gian (link timing) trong quá
trình truyền tin giữa đầu đọc và các thẻ. Quá trình nhận dạng diễn ra trong nhiều
khung (frame), mỗi khung có M khe thời gian (slot). Mỗi khung bắt đầu với một
yêu cầu truy vấn (kí hiệu là Query như trong hình) được truyền đi tới tất cả các thẻ
(broadcast) từ đầu đọc trong thời gian tQ, theo sau đó là M slot liên tiếp nhau. Mỗi slot
bắt đầu bằng yêu cầu Qrep từ đầu đọc trong thời gian tR, ngoại trừ slot đầu tiên trong
khung. tT là thời gian cần thiết cho một bản tin phản hồi của thẻ. t1 là thời gian đợi kể
từ khi truy vấn của đầu đọc phát ra cho tới khi các thẻ tán xạ ngược (backscattering)
tín hiệu cho đầu đọc. Cuối cùng, t3 là thời gian đợi kể từ khi đầu đọc không nhận được
bất kì tín hiệu từ thẻ nào cho tới khi nó có thể bắt đầu một slot hay một frame mới.
2.2 Mã hóa Manchester
Trong hệ thống được đề xuất, mã Manchester được sử dụng để mã hóa bản tin
của thẻ. Mã Manchester đã được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết cũng như nhiều
chuẩn (standard) cho các hệ thống RFID (ví dụ, ISO/IEC 1443) do những ưu điểm
của loại mã hóa này [19, 21, 22, 23]. Trong mã Manchester, mức logic 0 và 1 được mã
hóa bởi đường chuyển mức dương hay âm của tín hiệu. Hình 2.2 là một ví dụ minh
21

28. Tag 1
Tag 2
Combined signal
at the reader
Decoded
data stream
1 10 0? ?
1 10 00 1
1 10 01 0
1
1
1
Hình 2.2: Mã hóa Manchester.
họa với hai thẻ: thẻ 1 (1011001) và 2 (1010101). Xung đột xảy ra khi bit 0 và 1 đồng
thời được gửi về đầu đọc. Khi đó, tín hiệu tổng hợp (của bit 0 và 1) tại đầu đọc không
thể được giải mã, các bit này được kí hiệu bằng ký tự “?” trong ví dụ. Dựa vào cơ
chế này, đầu đọc có thể phát hiện được vị trí của các bit xung đột (colliding bit). Loại
mã hóa này yêu cầu sự đồng bộ giữa các bản tin của thẻ. Điều này đã được giải quyết
trong nhiều chuẩn thương mại cho các hệ thống RFID, ví dụ như ISO/IEC 1443 [27]
và EPC-C1G2 [28].
2.3 Mô hình thời gian và năng lượng
Dựa trên liên kết về thời gian (link timing) được minh họa trên Hình 2.1, thời
gian và năng lượng mà đầu đọc phải tiêu tốn để thực hiện quá trình nhận dạng được
tính toán như sau:
Mô hình thời gian: Thời gian thực hiện nhận dạng n thẻ được ký hiệu là T(n).
T(n) bao gồm thời gian để đầu đọc gửi các yêu cầu, thời gian để các thẻ phản hồi và
thời gian chờ, được ký hiệu lần lượt bởi Treq, Tres, và Twait. Treq bao gồm thời gian để
truyền một Query tại frame thứ i (được ký hiệu bởi TQi) và thời gian để truyền Qrep
tại thời điểm bắt đầu mỗi slot (được ký hiệu bởi tR). Về phía thẻ, tTj là thời gian để thẻ
phản hồi tại non-empty slot (collision/success slot) thứ j. Tóm lại, T(n) có thể tính
như sau:
T(n) =Treq +Tres +Twait. (2.1)
22

29. Mô hình năng lượng: Đối với hệ thống passive RFID, đầu đọc cần phải broad-
cast các sóng mang liên tục (contiuous waves - CWs) với năng lượng Ptx để cung cấp
năng lượng cho các thẻ trong suốt quá trình nhận dạng. Ngoài ra, đầu đọc cũng cần
năng lượng Prx để thu nhận tín hiệu khi thẻ phản hồi. Các tham số Ptx và Prx nhận được
từ [20] và được tính theo đơn vị J/s. Như vậy, để thu thập ID của n thẻ, năng lượng
tiêu tốn (ký hiệu bởi E(n)) được tính như sau:
E(n) = PtxT(n)+
S(n)−Ce(n)
∑
j=1
PrxtTj , (2.2)
trong đó, S(n) và Ce(n) được ký hiệu là là tổng số lượng slot và tổng số lượng empty
slot trong quá trình nhận dạng n thẻ.
2.4 Kết luận chương
Như vậy, Chương 2 đã trình bày mô hình hệ thống được sử dụng để phân tích
giao thức được đề xuất trong đồ án. Phương pháp mã hóa Manchester và phương pháp
tính thời gian-năng lượng tiêu tốn cũng đã được giới thiệu. Khi đi vào từng giao thức
cụ thể, các công thức 2.1 và 2.2 sẽ được phân tích cụ thể hơn. Các chương tiếp theo
sẽ trình bày chi tiết về giao thức được đề xuất MCwT.
23

30. Chương 3
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ
GIAO THỨC MCwT
Chương này trình bày phần mô tả chi tiết và các phân tích lý thuyết về giao thức được
đề xuất MCwT. Đầu tiên, giao thức MCT được giới thiệu, đây là giao thức đã được
chứng minh tiết kiệm ít nhất 15% về cả thời gian và năng lượng so với các giao thức
liên quan [25]. Sau đó, giao thức đề xuất MCwT được trình bày bằng cách làm rõ
những điểm cải thiện và khác biệt so với MCT. Cuối cùng, phân tích lý thuyết về xác
xuất phát hiện xung đột dựa trên cơ chế cửa sổ và phương pháp lựa chọn tham số tối
ưu được trình bày.
3.1 Giới thiệu giao thức MCT
Đầu tiên, giao thức MCT (M-ary Collision Tree) được giới thiệu và phân tích
dưới cùng mô hình kênh truyền và mô hình hệ thống với MCwT. Giao thức MCwT
(M-ary Collision window Tree) được đề xuất sẽ kế thừa các ưu điểm và đặc điểm cốt
lõi của MCT. Bảng 3.1 liệt kê danh sách các kí hiệu sử dụng cho cả hai giao thức. Lưu
ý rằng bp là bit thứ bp trong pre mà bị colliding, bit này sẽ không được sử dụng cho
quá trình matching. mPre và tID là các thành phần được sử dụng để điều khiển quá
trình phản hồi của thẻ. Nếu một thẻ có mPre = tID, nó sẽ phản hồi truy vấn của đầu
ide2bi(x,k) chuyển đổi số thập phân x sang dạng nhị phân của nó với k bit.
24

31. Bảng 3.1: Ký hiệu viết tắt trong MCT và MCwT.
Ký hiệu Định nghĩa
pre Phần tiền tố (prefix) với chiều dài l bit được truyền bởi đầu đọc khi bắt đầu mỗi
frame.
bpi Vị trí của bit nhiễu thứ i (i-th colliding bit) trong pre, trong đó i ∈ [1,log2M −1].
wd Bit khai báo trạng thái của window trong mỗi truy vấn (query) của đầu đọc. Cơ
chế window hoạt động nếu wd = 1 và bị vô hiệu khi wd = 0.
mPre Phần matching prefix để điều khiển sự phản hồi của thẻ, nhận được bằng cách
xóa đi tất cả các colliding bit trong pre.
tID Phần matching ID của thẻ, nhận được bằng cách xóa đi tất cả các colliding bit
trong đoạn ID(1 : l).
Q Hàng đợi chứa các query ở phía đầu đọc để lưu giá trị của các tham số trong giao
thức MCT.
S Ngăn xếp chứa các query ở phía đầu đọc để lưu giá trị của các tham số trong giao
thức MCwT.
Fi Chỉ số của frame, nghĩa là frame thứ i trong quá trình nhận dạng.
Sx Chỉ số của slot, nghĩa là slot thứ (x+1) trong frame hiện tại, trong đó x ∈ [0,M −
1].
Sb Dạng nhị phân của chỉ số slot, Sb = de2bi(x,log2 M)i, trong đó x ∈ [0,M −1].
comm Phần common prefix của mỗi slot.
DM Bản tin sau giải mã ở phía đầu đọc.
đọc. Ngược lại, nó sẽ đợi đến truy vấn tiếp theo và lặp lại quá trình so sánh.
Trong giao thức MCT, đầu đọc sử dụng cấu trúc hàng đợi FIFO (first-in-first-
out), ký hiệu bởi Q, để thực hiện quá trình nhận dạng. Mỗi phần tử của hàng đợi Q
được sử dụng cho một truy vấn (query) của đầu đọc, sau đó được xóa khỏi Q bằng
thủ tục Q.dequeue(). Một phần tử mới được thêm vào hàng đợi khi có xung đột xảy ra
thông qua thủ tục Q.enqueue(q)ii. Quá trình tiếp tục cho tới khi Q không còn phần tử
nào. Mỗi phần tử của Q bao gồm chuỗi bit của pre và các giá trị của bpi, trong đó i =
1,...,log2(M)−1. Hàng đợi khi được khởi tạo là Q = {(“11...1”
log2(M)−1
;1,2,...,log2(M)−
1)}. Khi một collision slot xảy ra, đầu đọc sẽ ghi nhớ vị trí của log2(M)−1 colliding
bit đầu tiên trong DM để phân chia các thẻ đang bị xung đột vào M nhóm con khác
nhau. Nói cách khác, quá trình nhận dạng được phân nhỏ vào các frame có M slot mà
mỗi slot tương ứng với một nhóm con. Trong phần tiếp theo, các đặc trưng của MCT
sẽ được giải thích chi tiết ở cả hai phía đầu đọc và thẻ với một ví dụ đơn giản gồm 6
thẻ A, B, C, D, E, F được biểu diễn trong Hình 3.1 và Bảng 3.2.
iiQ.dequeue() là thủ tục loại bỏ một phần tử ở phía đầu hàng đợi Q, trong khi Q.enqueue(q) là thủ tục thêm
một phần tử ký hiệu bởi q vào phía cuối hàng đợi Q.
iiiTrạng thái của các slot được ký hiệu bởi các chữ cái C, E, S, G, lần lượt tương ứng với các collision, empty,
25

32. C
S
E
Collision slot
Success slot
Empty slot
C
S1 S2 S3
A 1100111
B 1100001
C 1111010
D 0001101
E 0011011
F 0110011
Tag ID
S4
F1: (pre, bp, wd) = (“1”, 1)
C
C E E S
(A, B, C)
(A, B)
S1 S2 S3 S4
S E E S
(A)(B)
F4: (pre, bp, wd) = (“11001”, 5)
S1 S2 S3 S4
F3: (pre, bp, wd) = (“111”, 3)
EC
(D, E)
E S E S
F2: (pre, bp, wd) = (“001”, 3)
S1 S2 S3 S4
(D) (E) (C)
S
(F)
Hình 3.1: Cấu trúc cây xung đột bậc M (M-ary collision tree) trong giao thức MCT với 6 thẻ
A, B, C, D, E, F và M = 4.
Bảng 3.2: Quá trình nhận dạng của MCT với ví dụ trong Hình 3.1.
Frame Query
Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4
Query Queue
Stateiii Message State Message State Message State Message
1 (“1", 1) C “????1" S “10011” E – C “?????" Q = (“001”,3),(“111”,3)
2 (“001", 3) E – S “101” E – S “011" Q = (“111”,3)
3 (“111", 3) C “??1" E – E – S “010" Q = (“11001”,5)
4 (“11001", 5) S “1" E – E – S “1" Q = ∅
Quá trình so khớp prefix ở phía thẻ: Sau khi nhận truy vấn từ đầu đọc, mỗi
thẻ sẽ tính toán mPre và tID bằng cách xóa đi các bit ở vị trí thứ bpi trong pre và
ID(1 : l)iv, trong đó l là độ dài theo bit của phần tiền tố pre. Ví dụ, trong frame thứ
3 của Hình 3.1, ba thẻ A, B, C đang bị xung đột. Truy vấn của đầu đọc khi đó là
(pre,bp)=(“111”, 3). (M = 4 và l = 3 trong trường hợp này). Lưu ý rằng các bit được
gạch chân là các collision bit trong phần tiền tố pre. Nếu tID không khớp với mPre,
các thẻ không tham gia nhận dạng vào frame hiện tại. Trong trường hợp ngược lại,
các thẻ sẽ dựa vào các bit ID(bp1,...,bplog2(M)−1,l +1) để xác định chỉ số slot Sx và
truyền đi phần ID còn lại của nó (ID(l +2 : end)) trong slot thứ Sx +1. Trong ví dụ,
các thẻ A, B, C có mPre = tID =“11”, do đó chúng sẽ truyền lại ID(5 : 7). Cụ thể,
thẻ C truyền “010” trong slot S4 (vì ID(bp1,l + 1)=“11”) và được nhận dạng thành
công. Thẻ A và B đồng thời truyền (tương ứng) “111” và “001” trong slot S1 (do
ID(bp1,l + 1)=“00”), dẫn tới một collision slot. Ngoài ra, cần chú ý rằng trong truy
vấn đầu tiên của đầu đọc, log2(M)−1 bit trong phần tiền tố pre đều được đánh dấu là
colliding bit, và do đó mPre = tID = (chuỗi rỗng). Khi đó, các thẻ đơn giản truyền
lại log2(M) bit đầu tiên trong ID của nó.
success, ongoing slot
ivKý hiệu str(i) đại diện cho bit thứ i và ký hiệu str(i : j) đại diện cho chuỗi bit từ str(i) đến str(j) trong
chuỗi str. Nếu j =“end” thì bit cuối cùng trong chuỗi str đang được nhắc đến. Trong khi đó, str(i : j) là chuỗi
26

33. Quá trình tạo prefix ở phía đầu đọc: Để thuận tiện cho giải thích, phần tiền
tố chung (common prefix) cho mỗi slot được ký hiệu là comm, nghĩa là comm=“pre(1 :
bp1 −1)||Sb(1)||pre(bp1 +1 : bp2 −1)||Sb(2)||...||pre(bplog2(M)−1 −1 : l)||Sb(log2 M)”iv.
Ví dụ, phần tiền tố chung comm của slot S4 trong frame F3 là “1111”. Nếu đầu
đọc không phát hiện được colliding bit trong DM, nó có thể suy ra toàn bộ ID của
thẻ như comm||DM. Ví dụ, trong slot S4 của frame F3, bản tin reader nhận được là
DM =“010”, và do đó mã ID của thẻ C được nhận dạng thành công là “1111010”.
Mặt khác, nếu xung đột xảy ra, đầu đọc, dựa vào mã hóa Manchester, sẽ phát hiện và
đánh dấu vị trí các colliding bit trong DM (Vị trí của colliding bit thứ i (i ∈ [1,log2 M])
trong DM được ký hiệu là Ci). Sau đó, các colliding bit được thay thế bởi các bit “1”
và một prefix mới được tạo ra như sau pre =“comm||DM(1 : C1 −1)||1||DM(C1 +1 :
C2 −1)||1||...||DM(Clog2(M)−1 +1 : Clog2 M −1)”. Phần tiền tố pre này được thêm vào
hàng đợi Q và sẽ được sử dụng trong các frame sau đó. Trong slot S1 của F3, bản tin
DM phía đầu đọc là “??1”, và do đó pre mới được xác định là “11001’ (pre này được
sử dụng trong frame F4).
Dựa trên hoạt động của giao thức MCT, thời gian để nhận dạng n thẻ, ký hiệu là
T(n), được tính như sau:
T(n) =
[Cc(n)+Ce(n)+Cs(n)]/M
∑
i=1
[tQi +(M −1)tR]+
Cc(n)+Cs(n)
∑
j=1
tTj
+ (t1 +t2) Cc(n)+Cs(n) +(t1 +t3)Ce(n) , (3.1)
trong đó, thành phần thứ nhất, thứ 2 và thứ 3 của (3.1) lần lượt là Treq, Tres, và Twait
trong (2.1). Cc(n) và Cs(n) lần lượt là tổng số lượng collision và success slot phát sinh
trong quá trình nhận dạng.
rỗng nếu i > j. Ký hiệu str1||str2 đại diện cho một chuỗi bit mới bằng cách nối hai chuỗi bit str1 và str2.
27

34. C
S1 S2 S3
A 1100111
B 1100001
C 1111010
D 0001101
E 0011011
F 0110011
Tag ID
C
S
Collision slot
Success slot
E Empty slot
G Ongoing slot
S4
F1: (pre, bp, wd) = (“1”, 1, 1)
C
C E E G
(A, B, C)
(A, B)
S1 S2 S3 S4
S E E S
(A)(B)
F4: (pre, bp, wd) = (“11001”, 5, 0)
S1 S2 S3 S4
F2: (pre, bp, wd) = (“111”, 3, 1)
EC
(D, E)
E S E S
F6: (pre, bp, wd) = (“001”, 3, 0)
S1 S2 S3 S4
(D) (E) (C)
G
S
(F)
F5: (pre, bp, wd)
= (“011”, 0, 0)
(F)
S
F3: (pre, bp, wd)
= (“11110”, 0, 0)
(C)
Hình 3.2: Cấu trúc cây xung đột bậc M (M-ary collision tree) trong giao thức MCwT với
kích thước cửa sổ (W) 2 bit và mức ngưỡng (Nthres) 8 thẻ.
Bảng 3.3: Quá trình nhận dạng của MCwT với ví dụ trong Hình 3.2.
Frame Query
Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4
Query Stack
State Msg. State Msg. State Msg. State Msg.
1 (“1", 1, 1) C “0?" G “11” E – C “1?" S = (“001”,3,0),(“011”,0,0),(“111”,3,1)
2 (“111", 3, 1) C “0?" E – E – G “10” S = (“001”,3,0),(“011”,0,0),(“11001”,5,0),(“11110”,0,0)
3 (“11110", 0, 0) S “10" S = (“001”,3,0),(“011”,0,0),(“11001”,5,0)
4 (“11001", 5, 0) S “01" E – E – S “11" S = (“001”,3,0),(“011”,0,0)
5 (“011", 0, 0) S “0011" S = (“001”,3,0)
6 (“001", 3, 0) E – S “1101” E – S “1011" S = ∅
3.2 Đề xuất giao thức MCwT
3.2.1 Nguyên lý hoạt động của MCwT
Giao thức MCwT kế thừa các đặc điểm cơ bản của giao thức MCT, bao gồm mã
hóa Manchester và cấu trúc cây xung đột bậc M (M-ary collision tree). Ngoài ra, hai
điểm mới được đề xuất để cải thiện hiệu năng về thời gian và năng lượng trong quá
trình nhận dạng. Trong phần này, sự khác biệt giữa MCwT và MCT sẽ được phân tích
cụ thể khi xem xét cùng một ví dụ. Cấu trúc cây xung đột và quá trình nhận dạng của
MCwT được minh họa trên Hình 3.2 và Bảng 3.3. Mã pseudo-code mô tả hoạt động
của đầu đọc và thẻ trong giao thức MCwT với M = 4 được trình bày ở Hình 3.4 và
Hình 3.5.
Thứ nhất, một cơ chế truyền theo cửa sổ xung đột (collision tree) được sử dụng
trong MCwT để giới hạn chiều dài của chuỗi bit được truyền bởi các thẻ. Nếu tID =
mPre, thẻ chỉ truyền lại một vài bit nằm trong cửa sổ có kích thước định trước (ký
hiệu kích thước cửa sổ là W), thay vì toàn bộ phần còn lại như trong MCT. Để thực
hiện cơ chế cửa sổ, mỗi truy vấn của đầu đọc bao gồm ba trường thông tin: phần pre
lưu tiền tố prefix, phần bpi lưu vị trí của các colliding bit trong prefix, và phần wd
28

35. lưu trạng thái cửa sổ. Trạng thái của cửa sổ bao gồm hoạt động (active) hoặc vô hiệu
(inactive) nên chỉ cần một bit cho wd. Cấu trúc của bản tin truy vấn của đầu đọc và
các bản tin hồi đáp của thẻ trong giao thức MCwT tương tự như trong MCT ngoại trừ
bit wd như có thể thấy trên Hình 3.3. Khi wd = 1, cơ chế cửa sổ được kích hoạt, do
đó các thẻ sẽ chỉ truyền lại W bit từ bit thứ (l + 1) đến bit thứ (l +W) trong ID của
nó trong slot thứ Sx của frame hiện tại (Hình 3.5, dòng 7). Ví dụ, trong Hình 3.2, các
thẻ bị xung đột chỉ truyền lại 2 bit về đầu đọc (W = 2). Việc áp dụng cơ chế truyền
theo cửa sổ khi nhận dạng làm phát sinh một loại slot mới, gọi là ongoing slot. Điều
này xảy ra khi các bit được gửi về đầu đọc được giải mã thành công, nhưng toàn bộ
mã thẻ vẫn chưa thể xác định, hay nói cách khác, l +W < K với K là chiều dài ID thẻ.
Ví dụ như ở các slot S2 và S4 của frame F1 và F2 (lần lượt) trong Hình 3.2. Mặt khác,
nếu cơ chế cửa sổ bị vô hiệu bởi đầu đọc, hay wd = 0, thì các thẻ sẽ truyền lại phần
còn lại trong ID của mình như trong giao thức MCT (Hình 3.5, dòng 9). Đầu đọc sẽ
vô hiệu cơ chế truyền cửa sổ khi (1) ongoing slot xảy ra trong frame hoặc (2) số lượng
thẻ đang bị xung đột nhỏ hơn mức ngưỡng định trước (mức ngưỡng được ký hiệu bởi
Nthres và sẽ được giải thích bên dưới). Trong ví dụ ở Hình 3.2, cơ chế cửa sổ được vô
hiệu trong các frame F3 và F5 (do xuất hiện ongoing slot), và trong frame F4 và F8
(do số lượng thể nhỏ hơn ngưỡng Nthres = 8).
Thứ hai, để áp dụng cơ chế truyền theo cửa sổ và ước lượng số lượng thẻ trong
suốt quá trình nhận dạng, đầu đọc trong MCwT sử dụng cấu trúc ngăn xếp LIFO (last-
in-first-out), ký hiệu là S, thay vì một hàng đợi như trong MCT. Mỗi phần tử của ngăn
xếp S bao gồm một chuỗi bit của phần tiền tố pre, log2(M)−1 giá trị của các bpi, và
giá trị của wd. Giá trị khởi tạo của S là S = {(“11...1”
log2(M)−1
;1,2,...,log2(M)−1);1} với
trạng thái ban đầu của window là active (wd = 1). Mỗi phần tử của S được sử dụng
cho một truy vấn của đầu đọc và sau đó bị loại bỏ khỏi S bằng thủ tục S.pop(), trong
khi một phần tử mới được thêm vào S qua thủ tục S.push(q)vnếu xuất hiện collision
slot. Trong pseudo-code mô tả hoạt động của đầu đọc, giá trị khởi tạo của stack là
S = (“1”,1,1) do M = 4 (Hình 3.4, dòng 1). So với việc sử dụng hàng đợi, cách
lưu các tham số vào ngăn xếp không làm thay đổi cấu trúc và số lượng các nút của cây
xung đột mà chỉ làm they đổi thứ tự broadcast của các truy vấn (như có thể thấy trên
29

36. Hình 3.2).
Head bp1 ... bplog2(M)−1 Pre CRC-16
37 bits 8 bits ... 8 bits Var. 16 bits
(a) Cấu trúc câu lệnh của đầu đọc trong giao thức MCT.
Head bp1 ... bplog2(M)−1 wd Pre CRC-16
37 bits 8 bits ... 8 bits 1 bit Var. 16 bits
(b) Cấu trúc bản tin của đầu đọc trong giao thức MCwT.
Preamble Data
9 bits Var.
(c) Cấu trúc bản tin của thẻ trong các giao thức MCT và MCwT.
Hình 3.3: Cấu trúc các bản tin của đầu đọc và thẻ trong các giao thức MCT và MCwT.
Bên cạnh đó, trong phương pháp ước lượng số thẻ, tổng số lượng thẻ (ký hiệu
bởi ˆn) được khởi tạo là không (Hình. 3.4, dòng 2) và được cập nhật mỗi khi có một
thẻ mới được nhận dạng (Hình. 3.4, dòng 17). Khi xảy ra một collision slot, đầu đọc
sẽ ước lượng số lượng thẻ đang bị xung đột, ký hiệu là nc, dựa trên ˆn để quyết định
kích hoạt hay vô hiệu cơ chế cửa sổ ở frame sau đó (Hình. 3.4, dòng 22). Chi tiết về
phương pháp ước lượng thẻ sẽ được trình bày ở phần cuối của chương này.
Hoạt động của thẻ trong giao thức MCwT (được mô tả trong Hình 3.5) bao
gồm các thủ tục tương tự như trong MCT: kiểm tra bit (bit checking), xác định chuỗi
(string composing) và chuyển đổi từ số sang chuỗi (string-to-number conversion). Do
đó, việc triển khai giao thức MCwT không chỉ phù hợp với các hệ thống active RFID
mà còn phù hợp với các hệ thống passive RFID hiện có. Hơn nữa, các chuẩn cho thẻ
passive RFID trong công nghiệp hiện nay, như EM4305, TRF7960 và TRF7964, cũng
hỗ trợ bộ mã hóa Manchester để phát hiện vị trí của colliding bit trong các bản tin
[25]. Điều này cũng cho thấy giao thức MCwT là một để xuất khả thi.
vS.pop() là thủ tục xóa đi phần tử vừa được thêm vào trong ngăn xếp S. Trong khi đó, S.push(q) là thủ tục
thêm một phần tử mới, ký hiệu bởi q, vào phần đỉnh của ngăn xếp S.
30

37. Algorithm 1: Reader Operation.
1 QueryStack.push(“1”, 1, 1);
2 initiate ˆn as zero;
3 while QueryStack is not empty do
4 Query(pre,bp1,wd) ← QueryStack.pop();
5 broadcast Query(pre,bp1,wd);
6 for slot runs from 1 to M do
7 if no response then
// empty slot
8 nEmpty++;
9 else
10 calculate pre and (bp1, bp2) from pre and DM;
11 if no colliding bit then
12 if length(pre)+length(DM) < K then
// ongoing slot
13 nOngoing++;
14 QueryStack.push(pre, 0, 0) ;
15 else
// success slot
16 nSuccess++;
17 update ˆn based on equation (3.7);
18 end
19 else
// collision slot
20 nCollision++;
21 estimates nc from equation (3.8);
22 if nc < Nthres then
23 QueryStack.push(pre, bp1, 0);
24 else
25 QueryStack.push(pre, bp1, 1);
26 end
27 end
28 end
29 end
30 end
Hình 3.4: Pseudo-code mô tả hoạt động của đầu đọc trong giao thức MCwT với M = 4.
Thời gian nhận dạng đối với giao thức MCwT được tính như sau:
T(n) = Treq +Tres +Twait
=


Q(n)
∑
i=1
tQi +
Q(n)−Cg(n)
∑
i=1
(M −1)tR

+
S(n)−Ce(n)
∑
j=1
tTj
+(t1 +t2) Cc(n)+Cs(n)+Cg(n) +(t1 +t3)Ce(n), (3.2)
31

38. Algorithm 2: Tag Operation.
1 receive(pre,bp1,wd);
2 l ← length(pre);
3 calculate tID and mPre;
4 if tID = mPre then
5 calculate slot index Sx;
6 if wd = 1 then
7 backscatter(ID[l +1 : l +W],Sx);
8 else
9 backscatter(ID[l +1 : end],Sx);
10 end
11 end
Hình 3.5: Pseudo-code mô tả hoạt động của thẻ trong giao thức MCwT với M = 4.
trong đó Cg(n) là tổng số ongoing slot và Q(n) là tổng số truy vấn phát sinh trong
quá trình nhận dạng. Tổng số truy vấn được tính như sau: Q(n) = [Cc(n) +Ce(n) +
Cs(n)]/M +Cg(n).
3.2.2 Kích thước cửa sổ và xác suất phát hiện xung đột
Trong giao thức MCwT, một cơ chế truyền tin theo cửa sổ (window mechanism)
được đề xuất để giảm số lượng bit từ phía thẻ như đã trình bày ở trên. Cơ chế này
khác với cơ chế cửa sổ được đề xuất trong giao thức CwT [26] ở hai điểm quan trọng.
Thứ nhất, cơ chế thay đổi kích thước cửa sổ của CwT và MCwT có sự khác biệt. Cửa
sổ trong CwT được tăng kích thước theo chiều dài của phần tiền tố prefix trong truy
vấn của đầu đọc mỗi khi ongoing slot xảy ra. Cơ chế này sẽ làm phát sinh rất nhiều
ongoing slot do cửa sổ không được vô hiệu đúng lúc trong quá trình nhận dạng. Trong
khi đó, cửa sổ trong MCwT có kích thước định trước và sẽ bị vô hiệu nếu ongoing slot
xảy ra hoặc nếu số lượng thẻ đang bị xung đột nhỏ hơn mức ngưỡng định trước. Với
cơ chế mới, số lượng ongoing slot được giảm đáng kể. Thứ hai, phần lưu thông tin
kích thước cửa sổ trong CwT có độ dài biến thiên trong khi trường này có độ dài cố
định một bit trong MCwT. Với CwT, các thẻ cần có chức năng đặc biệt để phân biệt
hai trường thông tin có độ dài bit không cố định trong truy vấn của đầu đọc là phần
tiền tố prefix và phần lưu giá trị cửa sổ [26]. Với MCwT, kích thước cửa sổ được cố
định nên chỉ cần một bit trong mỗi truy vấn để lưu trạng thái active/inactive của cơ
32

39. chế cửa sổ, điều này giúp MCwT có tính thực tế hơn khi triển khai.
Trong MCwT, kích thước cửa sổ được chọn sao cho có giá trị nhỏ nhất mà đầu
đọc vẫn có thể phát hiện đủ log2 M colliding bit từ n bản tin phản hồi phía thẻ để thực
hiện quá trình phân nhánh (splitting process). Giả sử tất cả các thẻ có mã ID phân bố
đều (uniform distribution), xác suất một bit được truyền là colliding bit khi có n thẻ
đồng thời truyền về phía đầu đọc, ký hiệu là q(n), được xác định như sau:
q(n) =
2n −2
2n
. (3.3)
Tiếp theo, sự kiện có chính xác k colliding bit trong bản tin DM phía đầu đọc khi mỗi
thẻ trong n thẻ truyền một bản tin gồm W bit, ký hiệu là p(n,W,k), tuân theo quy luật
phân phối nhị thức B k,W,q(n) vi. Hệ quả là, xác xuất để có ít nhất log2 M colliding
bit được phát hiện trong bản tin DM, ký hiệu là P(n,W,M), được xác định như sau:
P(n,W,M) = 1−
log2 M−1
∑
k=0
p(n,W,k)
= 1−
log2 M−1
∑
k=0
W
k
q(n)k
1−q(n)
W−k
, (3.4)
trong đó W
k là tổ hợp chập k của W. Tóm lại, dựa trên (3.4), đầu đọc luôn luôn chọn
được kích thước cửa sổ tối thiểu để tìm thấy log2 M colliding bit với P(n,W,M) và n
cho trước. Ví dụ, với M = 4 và n = 8, đầu đọc có thể tìm thấy 2 colliding bit trong
bản tin DM 4 bit với xác suất 99,9998%.
3.2.3 Phương pháp ước lượng số thẻ
Như đã phân tích ở trên, cơ chế cửa sổ trong giao thức MCwT dựa trên số lượng
thẻ đang bị xung đột trong mỗi slot. Điều này dẫn tới việc cần thiết phải có một thuật
toán ước lượng số thẻ trong quá trình nhận dạng. Để thực hiện việc này, đầu đọc trước
hết ước lượng tổng số thẻ trong hệ thống (ký hiệu là n) và sau đó tính toán số thẻ trong
mỗi slot dựa trên giả thiết quy luật phân bố đều của không gian mã thẻ. Cụ thể, ước
viVề phân phối nhị thức, xem thêm trong phần Phụ lục
33

40. lượng của tổng số thẻ n, ký hiệu là ˆn, được tính như sau:
ˆn = α ∗ML
, (3.5)
trong đó r là phép toán lấy số nguyên lớn nhất không vượt quá r. M là số lượng
slot trong một frame (hay hệ số phân nhánh của cây xung đột), L là bậc trung bình
của các success slot trong cây xung đột (collision tree). Để rõ hơn, nếu có n success
slot thì L được tính như sau L = 1
n ∗∑n
i=1 Li, trong đó Li là bậc (level) của success slot
thứ i trong cấu trúc cây xung đột. Nói cách khác, ước lượng của n được cập nhật mỗi
khi một successslot được phát hiện hay một thẻ mới được nhận dạng. α là tham số tỷ
lệ (scaling factor) được xác định trước để làm tăng độ chính xác của thuật toán ước
lượng. Tham số này được chọn sao cho sai số toàn phương trung bình (MSE) giữa số
lượng thẻ thực tế và số lượng thẻ ước lượng là nhỏ nhất. Giá trị tối ưu của α (để MSE
nhỏ nhất) được xác định sau quá trình lựa chọn với N không gian khác nhau và mỗi
không gian thẻ có n thẻ. Cụ thể:
˜α = argmin
α∈(0,1)
1
N
∗
N
∑
i=1
(ˆni −n)2
, (3.6)
trong đó ˆni tương ứng với không gian thẻ thứ i và được tính từ (3.5).
Tổng số lượng thẻ trong MCwT được ước lượng như sau:
ˆnm = ˜α ∗MLm
, (3.7)
trong đó ˆnm và Lm là giá trị ước lượng của tổng số lượng thẻ và bậc trung bình của các
success slot khi đã có m thẻ được nhận dạng. Lưu ý rằng, ˆnm và Lm sẽ được cập nhật
trong suốt quá trình đọc mã thẻ mỗi khi có thẻ mới được nhận dạng, hay nói cách khác
một success slot xảy ra. Như vậy, sau m success slot đầu tiên, số thẻ đang bị xung đột
trong một slot ở bậc L sẽ được ước lượng như sau:
nc(m,L) =
˜α ∗MLm
ML
= ˜α ∗MLm−L
, (3.8)
trong đó nc(m,L) là ước lượng của số thẻ trung bình cần tìm.
34

41. 3.3 Kết luận chương
Trong Chương 3, hoạt động của giao thức MCwT đã được trình bày chi tiết cùng
với các phân tích lý thuyết. Hai đề xuất để cải thiện thời gian và năng lượng trong quá
trình nhận dạng là (1) cơ chế truyền tin theo cửa sổ (window mechanism) và (2) thuật
toán ước lượng số thẻ bị xung đột. Trong chương tiếp theo, kết quả mô phỏng trên
máy tính sẽ được trình bày để kiểm chứng các phân tích lý thuyết và chứng minh sự
hiệu quả của giao thức mới.
35

42. Chương 4
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Phần đầu tiên của chương sẽ trình bày các kết quả mô phỏng để kiểm chứng phân tích
lý thuyết và lựa chọn tham số tối ưu cho giao thức MCwT như đã đề cập ở Chương
3. Sau đó, hoạt động của giao thức được đề xuất (MCwT) và các giao thức liên quan
(MCT và CwT) sẽ được đánh giá với các thiết lập tham số khác nhau ở phần tiếp theo.
Phần cuối của chương sẽ so sánh ảnh hưởng của điều kiện kênh truyền không lý tưởng
tới hoạt động của hai giao thức MCwT và MCT.
4.1 Kiểm chứng phân tích lý thuyết và lựa chọn tham số
tối ưu
Trước hết, phân tích lý thuyết về cửa sổ xung đột (collision window) sẽ được
kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng. Hình 4.1 thể hiện xác suất theo lý thuyết và mô
phỏng cho sự kiện phát hiện đủ log2 M colliding bit (M = 4 trong mô phỏng) đối với
kích thước cửa sổ và số lượng thẻ biết trước. Mô phỏng được thực hiện 50.000 lần độc
lập cho kết quả trùng khớp với phân tích lý thuyết. Đồ thị cũng cho thấy rõ rằng, ngay
cả khi có rất ít thẻ bị xung đột trong một slot, đầu đọc cũng có thể dễ dàng phát hiện
đủ (log2 M) colliding bit với kích thước cửa sổ nhỏ (bản tin phản hồi của thẻ rất ngắn).
Ví dụ, với W = 2, xác suất để cả hai bit này đều là colliding bit tiến tới gần như tuyệt
đối (100%) khi có 10 thẻ cùng tham gia truyền tin.
36

43. 0 5 10 15 20
Number of tags (n)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ProbabilityP(n)(%)
W = 2 (theory)
W = 2 (simulation)
W = 4 (theory)
W = 4 (simulation)
Hình 4.1: Xác suất xảy ra sự kiện có ít nhất 2 (M = 4) colliding bit xuất hiện trong bản tin
DM (W bit) dựa trên số thẻ biết trước.
Hình 4.2 thể hiện sai số toàn phương trung bình (MSE) của n với các giá trị khác
nhau của α theo thang đo lograrithm. Dựa vào đồ thị ta có thể tìm được hệ số tỷ lệ
(scaling factor) α được đề cập trong 3.6. Mỗi điểm là sai số trung bình của N = 100
không gian thẻ được sinh ngẫu nhiên, mỗi không gian có n thẻ khác nhau đôi một về
ID. Có thể thấy rõ rằng α = 0.45 cho sai số nhỏ nhất với tất cả giá trị n được khảo
sát, do đó có thể được chọn làm giá trị tối ưu cho khoảng biến thiên của số lượng thẻ
đang được xem xét (từ 1000 đến 5000 thẻ).
Possible values of α
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
MSEofn
104
105
106
107
n = 1000
n = 2000
n = 3000
n = 4000
n = 5000
Hình 4.2: Sai số toàn phương trung bình (MSE) của thuật toán ước lượng tổng số thẻ trong
giao thức MCwT.
Tiếp theo, giá trị tối ưu của số lượng thẻ ngưỡng (Nthres) để vô hiệu cơ chế tuyền
tin theo cửa sổ được lựa chọn dựa trên Hình 4.3. Đồ thị thể hiện thời gian và năng
lượng tiêu tốn trung bình cho một thẻ đối với các giá trị khác nhau của Nthres trong
37

44. giao thức MCwT. Có thể thấy rõ rằng, Nthres = 6 sẽ giúp giao thức đạt tối ưu về cả thời
gian và năng lượng. Giá trị này cũng được sử dụng để đánh giá hiệu năng của MCwT
trong phần tiếp theo.
5 10 15 20
Threshold of number of contention tags (Nthres
)
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Timeconsumptionpertag(s)
×10-3
n = 1000 tags
n = 3000 tags
n = 5000 tags
1
1.5
2
Energyconsumptionpertag(J)
×10-3
Time consumption
Energy consumption
Hình 4.3: Thời gian và năng lượng trung bình để nhận dạng một thẻ trong giao thức MCwT.
4.2 Đánh giá hiệu năng của MCwT
Trong phần này, hiệu năng của MCwT sẽ được so sánh với hai giao thức MCT
và CwT trong điều kiện kênh truyền lý tưởng. MCT là một trong những giao thức
dựa trên cây truy vấn (QT-based protocol) tối ưu nhất về thời gian-năng lượng [25].
Trong khi đó, CwT là phiên bản tốt nhất sử dụng ý tưởng về cơ chế cửa sổ (window
mechanism) trong bài toán nhận dạng RFID [26]. Lưu ý rằng, MCwT mặc dù có cùng
ý tưởng nhưng có cơ chế truyền tin theo cửa sổ hoàn toàn khác so với CwT như đã
phân tích trong Chương 3.
Các tham số mô phỏng trong phần này được lựa chọn như sau. Số lượng thẻ
trong hệ thống (n) dao động từ 1000 đến 5000 thẻ với giả thiết không gian mã thẻ
phân phối đều (uniform distribution). Các tham số khác được lựa chọn tương như [25]
và được tổng hợp trong Bảng 4.1. Trong đó, Dr là tốc độ truyền bit ở cả phía đầu đọc
và thẻ. Lcmd là chiều dài theo bit của phần header trong bản tin truy vấn phía đầu đọc.
Trong MCwT, Lcmd tăng thêm một bit so với trong MCT, nghĩa là Lcmd = 62, để lưu
trạng thái kích hoạt/vô hiệu cơ chế cửa sổ trong truy vấn hiện tại. Lpre và Lres lần lượt
38

45. Bảng 4.1: Tham số trong mô phỏng.
Parameter Value Parameter Value
Qrep 4 bits Dr 160 kbps
t1, t2 25 us t3 12.5 us
tQ (Lcmd + Lpre)/Dr tT Lpream +Lres /Dr
Ptx 825 mW Prx 125 mW
là chiều dài theo bit của phần tiền tố prefix và hồi đáp của thẻ. Lpream dài 9 bit là phần
mào đầu (preamble) trong mỗi bản tin hồi đáp của thẻ để thực hiện đồng bộ bản tin.
Kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp Monte Carlo với số lần lặp là 1000 lần.
Hiệu năng của các giao thức (MCwT, MCT và CwT) sẽ được phân tích trên bốn
tiêu chí: tổng số bit đầu đọc phải truyền và nhận, tổng thời gian nhận dạng, và tổng
năng lượng tiêu tốn để thu thập toàn bộ mã thẻ trong hệ thống. Ngoài ra, để đánh giá
hiệu quả của pha ước lượng trong suốt quá trình nhận dạng, hoạt động của MCwT sẽ
được xem xét trong ba giả thiết sau đây:
• Giả thiết S0: Đầu đọc biết chính xác có bao nhiêu thẻ đang bị xung đột trong
mỗi slot trong suốt quá trình nhận dạng. Đây là trường hợp lý tưởng với thuật
toán ước lượng chính xác tuyệt đối. Thời gian và năng lượng tiêu tốn trong giả
thiết này là tối ưu nhất có thể đạt được với giao thức MCwT.
• Giả thiết S1: Đầu đọc biết chính xác tổng số lượng thẻ trong hệ thống trước khi
quá trình nhận dạng diễn ra. Số lượng thẻ trong một slot sau đó, với giả thiết
không gian thẻ phân phối đều, được ước lượng đơn giản dựa trên tổng số thẻ đã
biết và bậc của slot đó.
• Giả thiết S2: Đầu đọc không biết trước thông tin gì về không gian thẻ, ngoại trừ
độ dài theo bit của mã thẻ. Tổng số lượng thẻ và số thẻ bị xung đột trong một
slot được ước lượng trong suốt quá trình nhận dạng.
Trong tất cả các giả thiết bên trên, kích thước cửa sổ được chọn là W = 4 và ngưỡng
để vô hiệu cơ chế cửa sổ là Nthres = 6. Để đơn giản hóa trong mô phỏng, kích thước
cửa sổ là cố định (khi cơ chế cửa sổ được kích hoạt), tuy nhiên nó có thể được thiết
kế để có nhiều lựa chọn trong các giai đoạn khác nhau của quá trình nhận dạng. Việc
đưa ra nhiều mức kích thước cửa sổ sẽ đòi hỏi yêu cầu phần cứng cao hơn cho các thẻ
39

46. passive và chỉ phù hợp khi số lượng thẻ lớn hơn rất nhiều so với mức biến thiên trong
mô phỏng.
Number of tags
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Numberofbitstransmittedbyreader
×10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CwT
MCT
Proposed MCwT (W=4) - S0
Proposed MCwT (W=4) - S1
Proposed MCwT (W=4) - S2
(a)
Number of tags
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Numberofbitsreceivedbyreader
×105
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CwT
MCT
Proposed MCwT (W=4) - S0
Proposed MCwT (W=4) - S1
Proposed MCwT (W=4) - S2
(b)
Hình 4.4: Đánh giá hiệu năng của các giao thức MCwT, MCT và CwT khi nhận dạng toàn
bộ thẻ trong hệ thống: (a) Tổng số bit trong các bản tin truyền bởi đầu đọc; (b) Tổng số bit
trong các bản tin từ thẻ gửi về đầu đọc.
Tổng số bit mà đầu đọc truyền trong quá trình nhận dạng tương ứng với số lượng
thẻ khác nhau được thể hiện trên Hình 4.4(a). Đồ thị cho thấy rõ CwT sử dụng nhiều
bit hơn cho các truy vấn của đầu đọc so với hai giao thức còn lại (MCT và MCwT).
Có hai nguyên nhân dẫn tới kết quả này. Thứ nhất, việc phát sinh nhiều ongoing slot
sẽ làm tăng số lượng bit mà đầu đọc phải truyền, bởi vì sau mỗi ongoing slot, đầu đọc
cần ít nhất thêm một truy vấn nữa để nhận đầy đủ ID của thẻ. Cơ chế truyền tin theo
cửa sổ trong CwT luôn được kích hoạt trong suốt quá trình nhận dạng nên làm phát
sinh rất nhiều ongoing slot. Trong MCwT, đầu đọc sẽ vô hiệu cơ chế này khi số lượng
thẻ đang bị xung đột nhỏ; số lượng ongoing slot phát sinh, nhờ đó, giảm rõ rệt. Lưu
ý rằng, trong MCT không xuất hiện ongoing slot do các thẻ luôn gửi lại toàn bộ phần
còn lại trong ID của mình. Nguyên nhân thứ hai là sự khác biệt về cấu trúc cây phân
nhánh được sử dụng trong các giao thức. MCT và MCwT dựa trên cấu trúc cây phân
nhánh bậc M (M-ary collision tree) (M = 4 trong mô phỏng), trong khi CwT dựa trên
40

47. cấu trúc cây nhị phân (binary tree). Cây phân nhánh bậc cao giúp làm giảm số lượng
collision slot phát sinh, do đó làm giảm số truy vấn của đầu đọc.
Bên cạnh đó, Hình 4.4(a) cũng cho thấy tổng số bit mà đầu đọc truyền trong hai
giao thức MCwT và MCT tương đương nhau, bởi vì (i) Cấu trúc câu lệnh truy vấn của
đầu đọc chỉ khác nhau một bit giữa MCwT (phần header dài 62 bit) và MCT (phần
header dài 61 bit) do MCwT cần thêm một bit để lưu trữ trạng thái hoạt động/vô hiệu
của cơ chế tuyền tin theo cửa sổ. (ii) Số lượng ongoing slot phát sinh do áp dụng cơ
chế truyền tin mới trong MCwT được giảm thiểu rất hiệu quả nhờ phương pháp ước
lượng thẻ chính xác.
Number of tags (n)
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
ExecutiontimeT(n)(s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CwT
MCT
Proposed MCwT (W=4) - S0
Proposed MCwT (W=4) - S1
Proposed MCwT (W=4) - S2
(a)
Number of tags (n)
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
EnergyconsumptionE(n)(J)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
CwT
MCT
Proposed MCwT (W=4) - S0
Proposed MCwT (W=4) - S1
Proposed MCwT (W=4) - S2
(b)
Hình 4.5: Đánh giá hiệu năng của các giao thức MCwT, MCT và CwT khi nhận dạng toàn
bộ thẻ trong hệ thống: (a) Tổng thời gian nhận dạng; (b) Tổng năng lượng tiêu tốn.
Tiếp theo, Hình 4.4(b) cho thấy rõ tổng số bit đầu đọc nhận trong giao thức
MCwT là nhỏ nhất trong ba giao thức nhờ vào cơ chế truyền tin theo cửa sổ được đề
xuất. Trong MCwT, các thẻ chỉ truyền lại một vài bit trong cửa sổ (bản tin rất ngắn)
thay vì truyền lại toàn bộ phần còn lại của mã thẻ như trong MCT. Điều này giúp giảm
thiểu rất hiệu quả tổng số lượng bit truyền-nhận giữa đầu đọc và thẻ. Mặc dù CwT
cũng sử dụng cơ chế truyền tin theo cửa sổ, kết quả mô phỏng cho thấy số lượng bit
đầu đọc nhận vẫn có thể giảm thiểu hơn nữa nếu áp dụng cơ chế truyền tin mới trong
41

48. MCwT.
Cuối cùng, Hình 4.5(a) và Hình 4.5(b) biểu diễn tổng thời gian và năng lượng
tiêu tốn để nhận dạng tất cả thẻ trong hệ thống khi sử dụng ba giao thức. Đồ thị cho
thấy rõ, thời gian nhận dạng và năng lượng tiêu tốn của MCwT trong cả ba giả thiết
(S0, S1, S2) đều nhỏ hơn đáng kể so với hai giao thức còn lại. Nguyên nhân là do sự
hiệu quả của cơ chế truyền tin theo cửa sổ trong việc giảm thiểu tổng số bit truyền-
nhận giữa đầu đọc và thẻ như đã phân tích bên trên. Trong MCwT, tổng số bit đầu đọc
nhận giảm đáng kể, trong khi tổng số bit đầu đọc truyền chỉ tăng không đáng kể. Do
đó, MCwT đạt tối ưu hơn hai giao thức còn lại với mô hình thời gian và năng lượng
được mô tả trong (2.1) và (2.2). Bên cạnh đó, hiệu quả (về thời gian và năng lượng
tiết kiệm được) của MCwT rõ ràng tăng lên khi số lượng thẻ tăng lên, do giao thức
tiết kiệm được càng nhiều bit hơn. Giao thức MCwT, do vậy, đặc biệt thích hợp với
các hệ thống RFID quy mô lớn với mật độ thẻ dày đặc. Ngoài ra, trong cả ba giả thiết
(S0, S1, S2), hiệu năng (về cả bốn tiêu chí) của MCwT gần như bằng nhau, điều này
minh chứng cho sự hiệu quả của phương pháp ước lượng thẻ được đề xuất.
4.3 Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng
Ảnh hưởng của kênh truyền không lý tưởng tới hoạt động của giao thức MCwT
sẽ được phân tích trong phần này. Hai hiện tượng phổ biến của kênh truyền không lý
tưởng đối với hệ thống RFID là detection error (DE) và capture effect (CE) [25, 29,
30]. DE xảy ra khi tín hiệu phản hồi của thẻ không được đầu đọc phát hiện do fading
và nhiễu. Hệ quả là, một success slot hoặc ongoing slot ban đầu có thể trở thành một
empty slot. Tương tự, một collision slot có thể trở thành một success slot, ongoing slot
hoặc thậm chí là empty slot. Bên cạnh đó, CE xảy ra khi tín hiệu của một thẻ có cường
độ vượt trội so với tất cả các tín hiệu khác và lấn át các tín hiệu này, do hiệu ứng xa
gần. Tại đầu đọc khi đó chỉ xác nhận có một tín hiệu gửi về. Hệ quả là, một collision
slot có thể trở thành một ongoing slot hoặc success slot. Để đánh giá tác động của hai
hiện tượng trên trong phần tiếp theo, tương tự trong [25], tôi ký hiệu Pd là xác xuất mà
tín hiệu một thẻ bất kỳ được phát hiện bởi đầu đọc, Pc là xác xuất hiện tượng CE xảy
ra đối với một collision slot bất kỳ. Lưu ý rằng, ảnh hưởng của tỷ lệ lỗi bit (BE) không
42

49. được xem xét ở đây, bởi vì theo [31], tỷ lệ lỗi bit trong trường hợp này là quá nhỏ và
gần như không ảnh hưởng đến quá trình nhận dạng. Cụ thể, khi khoảng cách giữa đầu
đọc và thẻ nhỏ hơn 10m trong môi trường trong nhà (indoor communications), tỷ lệ
tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống passive RFID lớn hơn 15dB, và tỷ lệ lỗi bit
(BE) nhỏ hơn 10−6.
Trong phần này, các mô phỏng của MCwT và MCT được thực hiện với giả thiết
đầu đọc biết trước tổng số lượng thẻ trong hệ thống trước khi thu thập mã thẻ. Đầu
đọc sẽ tiếp tục quá trình thu thập cho tới khi tất cả các thẻ trong hệ thống đều được
nhận dạng. Trong thực tế, đầu đọc cần thực hiện quá trình này trong nhiều vòng đọc
và thường xuyên thay đổi vị trí của nó để giải quyết hiện tượng mất thẻ (hidden tag)
gây ra do hai hiện tượng trên [25, 29].
Detection Probability (Pd)
0.8 0.85 0.9 0.95 1
ExcutionTime(s)
foronetagidentification
×10-3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
MCT (Pc = 0)
MCT (Pc = 0.1)
MCT (Pc = 0.2)
MCwT (Pc = 0)
MCwT (Pc = 0.1)
MCwT (Pc = 0.2)
Hình 4.6: Thời gian trung bình để nhận dạng một thẻ với MCT và MCwT trong kênh truyền
không lý tưởng.
Hình 4.6 và Hình 4.7 biểu thị thời gian và năng lượng tiêu tốn trung bình cho
một thẻ khi Pc và Pd biến đổi đối với hai giao thức MCwT và MCT. Đồ thị cho thấy rõ
thời gian và năng lượng đối với cả hai giao thức đều tăng lên khi Pd tăng. Khi DE xảy
ra, tín hiệu của thẻ trong một success slot có thể không được phát hiện, đầu đọc do đó
cần nhiều truy vấn hơn để nhận dạng toàn bộ thẻ trong hệ thống. Ngoài ra, khi Pc nhỏ
(Pc < 20%), hiệu năng (về thời gian và năng lượng) của MCwT tốt hơn nhiều so với
MCT, do cơ chế truyền tin theo cửa sổ và phương pháp ước lượng thẻ được đề xuất.
Pc tăng sẽ làm xác suất xảy ra success slot lớn hơn (do một phần collision slot chuyển
thành success slot dưới ảnh hưởng của CE), điều này làm tăng tốc độ quá trình nhận
43

50. Detection Probability (Pd)
0.8 0.85 0.9 0.95 1
Energyconsumption(J)
foronetagidentification
×10-3
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
MCT (Pc = 0)
MCT (Pc = 0.1)
MCT (Pc = 0.2)
MCwT (Pc = 0)
MCwT (Pc = 0.1)
MCwT (Pc = 0.2)
Hình 4.7: Năng lượng trung bình để nhận dạng một thẻ với MCT và MCwT trong kênh truyền
không lý tưởng.
dạng. Trong khi đó, khi CE xảy ra, xác suất xuất hiện ongoing slot (thay vì success
slot) trong MCwT tăng lên, điều này khiến đầu đọc mất nhiều thời gian và năng lượng
hơn để nhận dạng toàn bộ thẻ. Trong trường hợp này, hiệu năng của MCwT không
còn tốt hơn MCT nữa. Kết quả mô phỏng này sẽ là một cân nhắc hữu ích khi thiết kế
các hệ thống passive RFID. Việc chọn giao thức phù hợp cần dựa trên các giả thiết về
không gian thẻ và môi trường truyền tin trong thực tế.
4.4 Kết luận chương
Trong chương này, các kết quả mô phỏng đã được trình bày để kiểm chứng các
phân tích lý thuyết trong Chương 3 và làm rõ sự hiệu quả của các đề xuất mới trong
giao thức MCwT. Các tham số hệ thống và kết quả mô phỏng đều đã được trình bày
và phân tích cụ thể. Các kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết về nhận
dạng qua tần số vô tuyến (RFID) mà còn có ý nghĩa trong việc lựa chọn giải pháp cho
các hệ thống thực tế.
44

51. Chương 5
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong báo cáo này, vấn đề giải quyết xung đột trong bài toán nhận dạng thẻ ở
các hệ thống passive RFID đã được phân tích và giải quyết. Để tối ưu về thời gian và
năng lượng khi nhận dạng, báo cáo đã đề xuất giao thức mới mang tên MCwT với sự
kế thừa những đặc tính quan trọng của các giao thức tiền đề MCT và CwT. Thứ nhất,
một cơ chế truyền tin theo cửa sổ (window mechanism) đã được đề xuất, trong đó các
thẻ chỉ cần phải truyền một số lượng nhỏ các bit trong một cửa sổ trượt để phát hiện
các colliding bit. Nhờ vậy, lượng thông tin trao đổi (tính theo bit) giữa đầu đọc và thẻ
RFID được giảm thiểu rõ rệt, giúp đẩy nhanh quá trình nhận dạng đồng thời tiết kiệm
năng lượng phía đầu đọc. Thứ hai, báo cáo cũng đề xuất một phương pháp ước lượng
thẻ để hỗ trợ cho cơ chế truyền tin mới. Nhờ phương pháp ước lượng này, đầu đọc
có thể thu thập tất cả mã thẻ trong hệ thống mà không cần biết trước thông tin gì về
không gian thẻ, ngoại trừ chiều dài bit của ID.
Các phân tích toán học và mô phỏng trên máy tính đã được thực hiện để kiểm
định các lập luận lý thuyết và sự hiệu quả của giao thức mới. Kết quả cho thấy, giao
thức mới MCwT tối ưu hơn về cả thời gian và năng lượng so với các giao thức liên
quan MCT và CwT, đặc biệt khi áp dụng cho các hệ thống RFID quy mô lớn với mật
độ thẻ dày đặc. Bên cạnh đó, các mô phỏng để so sánh hiệu năng của MCT và MCwT
dưới điều kiện kênh truyền không lý tưởng với ảnh hưởng của các hiệu ứng detection
error và capture effect cũng đã được thực hiện. Tôi tin tưởng rằng, các kết quả này
không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết về nhận dạng qua tần số vô tuyến (RFID) mà còn
45

52. có ý nghĩa trong việc lựa chọn giải pháp cho các hệ thống thực tế.
Khi áp dụng giao thức MCwT vào các bài toán thực tế, một số vấn đề bên ngoài
giới hạn của báo cáo cần được xem xét thêm. Thứ nhất, trong các ứng dụng yêu cầu
về bảo mật, mã thẻ được dấu kín do đó một mã giả thay thế (pseudo-ID) có thể được
sử dụng cho nhận dạng. Do hoạt động của MCwT dựa trên giả thiết các thẻ có ID
không trùng lặp (khác nhau đôi một), quá trình tạo mã pseudo-ID có thể ảnh hưởng
đến quá trình nhận dạng. Thứ hai, giao thức MCwT dựa trên mã hóa Manchester ở
lớp vật lý mà một số chuẩn cho thẻ RFID có thể không hỗ trợ loại mã hóa này. Điều
này dẫn tới một giải pháp thay thế có thể áp dụng cho nhiều loại thẻ RFID. Thứ ba,
khi áp dụng giao thức MCwT cho các hệ thống active RFID, liên kết thời gian (link
timing) trong quá trình truyền tin và các tham số về thời gian và năng lượng sẽ thay
đổi, do đó MCwT cần được phân tích thêm khi xem xét các mô hình này. Nếu có thể
áp dụng MCwT cho hệ thống active RFID, giao thức này hứa hẹn sẽ giải quyết hiệu
quả bài toán về tiết kiệm năng lượng cả ở phía đầu đọc và thẻ. Trên đây là các vấn đề
nằm ngoài phạm vi nghiên cứu và cũng là hướng phát triển trong tương lai của đề tài.
46

53. Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt-Anh
Giao thức nhận dạng Identification protocol
Nhận dạng qua tần số vô tuyến Radio Frequency IDentification (RFID)
Giao tiếp trong tầm nhìn thẳng Line-of-sight communications
Giao thức dựa trên cấu trúc cây phân nhánh Tree-based protocol
Giao thức dựa trên truy cập ngẫu nhiên Aloha-based protocol
Giao thức dựa trên cây truy vấn QT-based protocol
Giao thức dựa trên cây nhị phân BT-based protocol
Cây phân nhánh bậc M M-ary tree
Cửa sổ xung đột Collision window
Vùng nhận dạng Interogation Zone
Giao tiếp bán song công Half-duplex communication
Khe thời gian Slot
Khung thời gian Frame
Sai số toàn phương trung bình Mean Squared Error (MSE)
Mã giả thay thế Pseudo-ID
Tỷ lệ lỗi bit Bit Error (BE)
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu Signal-to-Noise Ratio (SNR)
Kỹ thuật giám sát bit Bit-tracking technique
47