Khảo sát hiệu năng mạng cảm biến không dây sử dụng cơ chế truyền thông tán xạ ngược

Đối với mỗi sinh viên thì đồ án tốt nghiệp là thành quả của nhiều năm học tập cũng là tiền đề quan trọng nhằm trang bị những kỹ năng quý báu, là hành trang của chặng đường sau này. Để hoàn thành tốt được đồ án này thì không thể thiếu sự chỉ dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Hà Đắc Bình, người đã quan tâm, chỉ bảo em trong suốt quá trình nghiên cứu và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án. Em xin được chân thành cảm ơn thầy Bên cạnh đó em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện Điện tử trường đại học Duy Tân và các thầy cô đã trực tiếp giảng dạy đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập. Sau cùng em xin được cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án. Với điều kiện thời gian cũng như trình độ còn hạn chế, đồ án không thể tránh được những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của quý thầy cô để em có điều kiện để bổ sung và nâng cao kiến thức của mình và hoàn thiện bản sau này.

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẶNG THỊ THUỲ TRANG

KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ

DỤNG CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG TÁN XẠ NGƯỢC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐÀ NẴNG: NĂM 2023

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ

DỤNG CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG TÁN XẠ NGƯỢC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

GVHD: PGS.TS Hà Đắc Bình SVTH: Đặng Thị Thuỳ Trang LỚP: K25EVT

MSSV: 25201609871

NIÊN KHÓA: 2019 - 2024

Đà Nẵng, ngày……, tháng……, năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

PGS.TS Hà Đắc Bình

LỜI CẢM ƠN

Đối với mỗi sinh viên thì đồ án tốt nghiệp là thành quả của nhiều năm học tập cũng

là tiền đề quan trọng nhằm trang bị những kỹ năng quý báu, là hành trang của chặngđường sau này Để hoàn thành tốt được đồ án này thì không thể thiếu sự chỉ dẫn tận tìnhcủa thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hà Đắc Bình, người đã quan tâm, chỉ bảo em trongsuốt quá trình nghiên cứu và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án Em xin được chânthành cảm ơn thầy!

Bên cạnh đó em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện - Điện tửtrường đại học Duy Tân và các thầy cô đã trực tiếp giảng dạy đã giúp đỡ và tạo điều kiệnthuận lợi cho em trong quá trình học tập

Sau cùng em xin được cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn độngviên, ủng hộ em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án

Với điều kiện thời gian cũng như trình độ còn hạn chế, đồ án không thể tránh đượcnhững thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình của quý thầy

cô để em có điều kiện để bổ sung và nâng cao kiến thức của mình và hoàn thiện bản saunày

Sinh viên thực hiện

Đặng Thị Thuỳ Trang

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan các số liệu và kết quả trong đồ án là trung thực là công trìnhnghiên cứu của cá nhân em trong thời gian qua cùng với sự giúp đỡ từ thầy giáo hướngdẫn.Trong quá trình viết báo cáo có sự tham khảo một số tài liệu có nguồn gốc rõ ràng và

đã được trích dẫn đầy đủ

Sinh viên thực hiện

Đặng Thị Thuỳ Trang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG TÁN XẠ NGƯỢC 4

1.1 Lịch sử hình thành và cấu tạo của hệ thống tán xạ ngược 4

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển 4

1.1.2 Cấu tạo hệ thống truyền thông tán xạ ngược 5

1.2 Phân loại 5

1.2.1 Truyền thông tán xạ ngược đơn tĩnh (MBC) 6

1.2.2 Truyền thông tán xạ ngược song tĩnh (BBC) 7

1.2.3 Truyền thông tán xạ ngược xung quanh (AmBC) 8

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AmBC 9

1.4 Cấu tạo thiết bị tán xạ ngược điển hình – RFID 11

1.5 Mối quan hệ giữa các thông số 13

1.6 Một số vấn đề còn tồn tại và cần khắc phục trong tương lai 14

1.7 Mạng di động thế hệ tiếp theo 14

1.7.1 Mạng 5G 14

1.7.2 Mạng 6G 16

1.8 Một số ứng dụng của truyền thông tán xạ ngược xung quanh vào mạng di động 18

1.9 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 20

2.1 Đề xuất mô hình hệ thống IoT sử dụng AmBC 20

2.1.1 Kênh truyền fading Nakagami-m 21

2.1.2 Hàm phân phối tích luỹ CDF và hàm mật độ xác suất PDF 21

2.1.3 Mô hình IoT sử dụng AmBC 22

2.2 Phân tích hiệu năng 25

2.3 Kết luận chương 2 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo 28

3.2 Giới thiệu công cụ mô phỏng MATLAB 30

3.3 Đánh giá hiệu năng hệ thống 32

3.3.1 Khảo sát xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách 33

3.3.2 Khảo sát xác suất dừng hệ thống theo tham số hình dạng m 35

3.3.3 Khảo sát xác suất dừng hệ thống theo thỉ số tín hiệu trên nhiễu phát trung bình 38

3.4 Tổng kết chương 3 39

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

1 Kết luận 40

2 Hướng phát triển của đề tài 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AmBC Ambient Backscatter Communications (Tán xạ ngược xung quanh)

BBC Bistatic Backscatter (Tán xạ ngược song tĩnh)

BS Base Station (Trạm thu phát)

CDF Cumulative Distribution Function (Hàm phân bố tích luỹ)

EM Electromagnetic Wave (Sóng điện từ)

I2C Inter – Integrated Circuit (Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ)

IoT Internet of Things (Internet vạn vật)

ISO International Organization for Standardization(Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế)MBC Monostatic Backscatter (Tán xạ ngược đơn tĩnh)

PDF Probability Density Function (Hàm mật độ xác suất)

RADAR Radio Detection and Ranging (Hệ thống dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến)

RF Radio Frequency (Tần số vô tuyến)

RFID Radio Frequency Identification (Nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến)SNR Signal – to – Noise Ratio (Tỉ số tín hiệu trên nhiễu)

SPI Serial Peripheral Interface (Giao diện ngoại vi nối tiếp)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Các thông số mô phỏng 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1 1 Cấu tạo một hệ thống truyền thông tán xạ ngược cơ bản 5

Hình 1 2 Ba loại truyền thông tán xạ ngược cơ bản 6

Hình 1 3 Các thành phần của bộ thiết bị RFID 7

Hình 1 4 Ví dụ về ứng dụng BBC vào việc theo dõi bệnh nhân 8

Hình 1 5 Ứng dụng AmBC vào việc theo dõi nhiệt độ cây trồng 9

Hình 1 6 Mô hình truyền thông tán xạ ngược xung quanh 10

Hình 1 7 Module RFID RC522 11

Hình 1 8 Sơ đồ chân RFID RC522 12

Hình 1 9 Biểu đồ quá trình phát triển của mạng viễn thông từ 1G đến 6G 15

Hình 1 10 Biểu đồ các thế hệ của mạng di động qua từng thời kỳ 17

Hình 2 1 Mô hình IoT sử dụng AmBC 20

Hình 3 1 Giao diện phần mềm mô phỏng MATLAB 32

Bảng 3 1 Các thông số mô phỏng 32

Hình 3 2 Xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách của trạm vô tuyến đến bộ gom với b = 0 34

Hình 3 3 Xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách của trạm vô tuyến đến thiết bị đầu cuối với b = 1 35

Hình 3 4 Xác suất dừng hệ thống theo tham số m1 với b = 0 36

Hình 3 5 Xác suất dừng hệ thống theo tham số m2 với b = 1 37

Hình 3 6 Xác suất dừng hệ thống theo tham số m3 với b = 1 38

Hình 3 7 Xác suất dừng hệ thống theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu phát trung bình 39

Hình 3 8 Xác suất dừng hệ thống theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu phát trung bình 40

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Internet of Things (IoT) nghĩa là kết nối vạn vật, một hệ thống mạng mở rộng dựatrên Internet Nó gồm các đối tượng vật lý hay người ta gọi là "vạn vật" được kết nối vớiInternet để tạo thành một mạng lưới khổng lồ có thể truyền dữ liệu qua mạng bất cứ lúcnào, ở bất kỳ đâu, kết nối con người, máy móc và tất cả mọi thứ Một thiết bị IoT sẽ đượcnhúng với các cảm biến tạo ra một lượng dữ liệu được truyền thông qua mạng Ví dụ: cóthể là các thiết bị tiêu chuẩn như đồng hồ thông minh, điện thoại di động, máy tính, chođến các thiết bị đơn giản như tủ lạnh, lò nướng, Hiện tại có trên 14 tỷ thiết bị IoT trêntoàn thế giới, con số này ước tính sẽ còn tăng cao lên tới 27 tỷ thiết bị vào năm 2025

Nền tảng của IoT là khả năng kết nối giữa các thiết bị, đòi hỏi công nghệ truyềnthông để cho phép trao đổi dữ liệu Kết nối không dây không phù hợp với các hệ thốngIoT quy mô lớn và phức tạp, do đó kết nối không dây là cần thiết và đóng vai trò quantrọng trong hạ tầng Internet of Things

Công nghệ truyền thông không dây đã trở thành sự thúc đẩy cho sự phát triển củaIoT và là công nghệ truyền thông được sử dụng rộng rãi nhất trong những năm gần đây

Ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây gồm những đột phá về thời gian vàkhông gian, khả năng thu thập dữ liệu từ xa, từ các môi trường khó tiếp cận, nâng cao khảnăng truyền thông

Truyền thông trong mạng cảm biến không dây sử dụng các kỹ thuật như Wi-Fi,Bluetooth để truyền dữ liệu từ nút cảm biến đến thiết bị truyền tải và trung tâm thu nhập,giao tiếp hiệu quả đảm bảo dữ liệu được truyền tải một cách chính xác và đáng tin cậy.Một số công nghệ mới được đề xuất trong những năm gần đây: Nhận dạng tần số vô tuyến(RFID), LoRaWAN, Zigbee Mỗi công nghệ có những ưu thế khác nhau cho các ứngdụng khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu của các ứng dụng, các giải pháp IoT khác nhau cóthể được áp dụng

Trong bối cảnh hệ sinh thái IoT đã đi sâu vào đời sống con người và không ngừng

mở rộng với nhiều tính năng mới nâng cao chất lượng sống con người Các ứng dụng IoT

dựa trên 5G bao gồm nhiều cảm biến được trang bị pin và yêu cầu kết nối nguồn điện ổnđịnh Với vô số cảm biến yêu cầu nguồn năng lượng để hoạt động như vậy thì vấn đề vềtiết kiệm năng lượng là vân đề cấp thiết Để giải quyết vấn đề tiết kiệm năng lượng côngnghệ truyền thông tán xạ ngược xung quanh (AmBC) là 1 công nghệ mới đầy tiềm năng.AmBC cho phép truyền thông với nguồn năng lượng cực thấp, cho phép các thiết bịtruyền thông với nhau bằng cách sử dụng tín hiệu RF xung quanh làm năng lượng AmBC

có thể hiểu là một hệ thống chia sẻ phổ tần mà các thiết bị AmBC chia sẻ phổ tần với các

hệ thống phát sóng không dây xung quanh

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đề xuất một mô hình hệ thống sử dụng cơ chế truyền thông tán xạ ngược chomạng cảm biến không dây

- Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống

- Kiểm chứng hệ thống bằng mô phỏng Monte-Carlo

- Đánh giá hiệu năng hệ thống

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về truyền thông tán xạ ngược và truyền thông tán xạ ngượcxung quanh, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ thiết bị tán xạ ngược (RFID)

- Tìm hiểu công nghệ 5G, 6G

- Vấn đề tồn tại cần nghiên cứu cải tiến của AmBC trong tương lai

- Nghiên cứu mô tả hệ thống IoT sử dụng truyền thông tán xạ ngược Trình bày quytrình truyền tín hiệu từ trạm phát đến thiết bị đầu cuối và bộ thu Xây dựng đượcbiểu thức đánh giá hiệu năng và mô phỏng trên phần mềm MATLAB

- Khảo sát hành vi của hệ thống đề suất theo các tham số quan trọng: tỉ số tín hiệu

trên nhiễu, khoảng cách, tham số hình dạng Nakagami-m.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kênh truyền Nakagami-m.

- Lý thuyết xác suất thống kê

- Xác suất dừng hệ thống

- Mạng IoT sử dụng truyền thông tán xạ ngược.

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu tài liệu về truyền thông tán xạ ngược

- Tính toán để tìm ra biểu thức đánh giá được hiệu năng hệ thống

- Từ biểu thức đã tính toán tiến hành mô phỏng trên ứng dụng mô phỏng MATLAB

- Phân tích và đánh giá khả năng hệ thống để đưa ra khuyến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG TÁN XẠ NGƯỢC

1.1 Lịch sử hình thành và cấu tạo của hệ thống tán xạ ngược

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Lịch sử của giao tiếp tán xạ ngược có thể bắt nguồn từ Thế chiến thứ hai Nguyêntắc giao tiếp tán xạ ngược ban đầu dựa trên công nghệ Radar (Radio Detection andRanging - phát hiện và đo đạc khoảng cách bằng sóng vô tuyến) Các nước như Đức, NhậtBản, Mỹ và Anh đều sử dụng Radar để cảnh báo về những chiếc máy bay đang đến gầnkhi chúng còn cách xa ngàn dặm Radar truyền sóng EM theo một hướng nhất định, nếu

có vật cản nằm trên đường đi của sóng chúng sẽ bị tán xạ lại Bằng cách tính toán thờigian bay của các tín hiệu có thể xác định vị trí khoảng cách của các vật cản

Năm 1948, bài báo của Harry Stockman đề xuất công nghệ truyền thông sử dụngnăng lượng phản xạ cho phép truyền thông bằng cách tán xạ ngược tín hiệu RF, đặt nềnmóng cho kỹ thuật truyền thông tán xạ ngược Nguyên tắc dựa trên sự phản xạ của sóngđiện từ, sóng điện từ tương tác với các vật thể vật lý khi chúng truyền trong không gian,một phần năng lượng sau đó sẽ bị phân tán khỏi vật thể, được gọi là tín hiệu tán xạ ngược.Điều này củng cố cho các hệ thống Radar hiện đại, trong đó các dạng sóng điện từ tán xạngược được so sánh với các tín hiệu truyền ban đầu để có thể xác định được vị trí và vậntốc của đối tượng mục tiêu Trong một hệ thống truyền thông tán xạ ngược, thay vì tạo ramột tín hiệu RF mới thì thiết bị tán xạ điểu chỉnh và tán xạ ngược một tín hiệu RF đểtruyền thông tin Một ứng dụng nổi bật của truyền thông tán xạ ngược là nhận dạng tần số

vô tuyến – RFID, rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong thời kỳ IoT phát triển nhưhiện nay Tương lai nếu áp dụng truyền thông tán xạ ngược vào mạng 5G hay 6G thì việc

mở rộng phạm vi kết nối là điều rất khả thi vì các hệ thống truyền thông tán xạ ngược cầnrất ít năng lượng để hoạt động Có thể cung cấp một phương pháp truyền tải dữ liệu tiếtkiệm năng lượng, tăng cường độ bao phủ và khả năng kết nối của các thiết bị

1.1.2 Cấu tạo hệ thống truyền thông tán xạ ngược

Cấu tạo của một hệ thống truyền thông tán xạ ngược như hình 1.1 bao gồm 3 thành

phần cơ bản:

- Bộ tán xạ: có nhiệm vụ nhận các tín hiệu tới, khi nhận được tín hiệu tới sẽ tán

xạ ngược lại cho thiết bị nhận tín hiệu chứa thông tin cần gửi

- Thiết bị nhận: nhận tín hiệu và xử lý thông tin được gửi từ bộ tán xạ

- Nguồn sóng mang: là nguồn phát ra sóng điện từ, bộ tán xạ dựa vào nguồn tínhiệu này tán xạ lại cho thiết bị nhận

Hình 1 1 Cấu tạo một hệ thống truyền thông tán xạ ngược cơ bản.

1.2 Phân loại

Truyền thông tán xạ ngược cơ bản có thể được tách thành 3 loại như hình 1.2:

- Truyền thông tán xạ ngược đơn tĩnh (MBC)

- Truyền thông tán xạ ngược song tĩnh (BBC)

- Truyền thông tán xạ ngược xung quanh (AmBC)

Hình 1 2 Ba loại truyền thông tán xạ ngược cơ bản.

1.2.1 Truyền thông tán xạ ngược đơn tĩnh (MBC)

Hệ thống truyền thông tán xạ ngược đơn tĩnh gồm một thiết bị đọc và một thiết bịtán xạ ngược, đầu đọc vừa tạo ra tín hiệu RF vừa phát hiện tín hiệu tán xạ ngược từ thiết

bị tán xạ Điển hình cho MBC là công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến – RFID Một hệthống RFID có hai phần cơ bản: thẻ và đầu đọc Đầu đọc phát ra sóng vô tuyến và nhậnlại tín hiệu từ thẻ RFID, trong khi thẻ sử dụng sóng vô tuyến để truyền đạt danh tính vàthông tin khác

Công nghệ này đã được sử dụng từ trước những năm 1970 và đã trở nên phổ biếnhơn nhiều trong những năm gần đây, một số ứng dụng của RFID có thể kể đến như:

- Quản lý kho hàng: RFID có thể được sử dụng để ghi lại các đối tượng trong khohàng, bao gồm số lượng, loại hàng hóa, và các thông tin khác Điều này giúp choviệc theo dõi và kiểm tra kho hàng dễ dàng hơn

- Quản lý nhân sự: RFID có thể được sử dụng để theo dõi các nhân viên trong công

ty, bao gồm thời gian làm việc, vị trí, và các thông tin khác

- Quản lý thực phẩm: RFID có thể được sử dụng để theo dõi các sản phẩm thựcphẩm từ nguồn gốc đến kết thúc, bao gồm thời gian hết hạn, chất lượng, và cácthông tin liên quan khác

- Quản lý người bệnh: RFID có thể được sử dụng để ghi lại và theo dõi thông tin vềlịch sử bệnh nhân như: thời gian khám bệnh, lịch sử điều trị, và các thông tin khác

- Quản lý tài sản: RFID có thể được sử dụng để theo dõi và quản lý các tài sản củamột công ty, bao gồm thông tin về số lượng, loại tài sản, và các thông tin khác.Điều này giúp cho việc theo dõi và kiểm tra tài sản dễ dàng hơn.

Ngoài ra, ta cũng có thể phát hiện công nghệ RFID trong một số lĩnh vực như:

 Theo dõi vật nuôi và gia súc

 Theo dõi tài sản và theo dõi thiết bị

 Hậu cần hàng hóa và chuỗi cung ứng

 Theo dõi xe

 Dịch vụ khách hàng và kiểm soát tổn thất

 Cải thiện khả năng hiển thị và phân phối trong chuỗi cung ứng

 Kiểm soát truy cập trong các tình huống an ninh

 Chăm sóc sức khỏe

 Chế tạo

 Doanh số bán lẻ

 Thanh toán bằng thẻ tín dụng tap-and-go

Hình 1 3 Các thành phần của bộ thiết bị RFID.

1.2.2 Truyền thông tán xạ ngược song tĩnh (BBC)

Trong các hệ thống BBC, anten phát và anten thu là hai thiết bị riêng biệt: bộ phátsóng mang và thiết bị đọc để thu nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Truyền thông tán xạngược song tĩnh có thể được sử dụng để truyền thông giữa các thiết bị thông qua việc sử

dụng tín hiệu phản xạ từ môi trường xung quanh

Các ứng dụng của BBC cũng như MBC nhưng nó được sử dụng cho các khônggian rộng hơn và tiêu hao nhiều năng lượng hơn Có thể kể đến như ứng dụng theo dõi

bệnh nhân như hình 1.4, thẻ tag sẽ được đeo ở cổ tay mỗi bệnh nhân khi nhập viện Mỗi

thẻ sẽ lưu trữ thông tin của người bệnh như: tên, ID, hồ sơ bệnh án, dị ứng, tình trạng hiệntại, kết quả xét nghiệm, đơn thuốc, ngày hẹn,… Nhân viên bệnh viện sẽ gửi tín hiệu theothời gian tuỳ chỉnh, khi bệnh nhân di chuyển trong bệnh viện các đầu đọc gắn trên tườngdọc theo hành lang sẽ nhận được tín hiệu tán xạ từ thẻ tag sau đó nhận và truyền thông tincủa bệnh nhân Như vậy nhân viên bệnh viện và bác sĩ có thể theo dõi tình trạng hiện tạicũng như vị trí của bệnh nhân trong thời gian thực, họ có thể cập nhật thông tin gần đây

và trạng thái của người bệnh ngay cả khi đang ngủ Điều tương tự cũng áp dụng cho nhânviên trong bệnh viện và bác sĩ có thể gọi cho họ trong trường hợp cấp cứu dễ dàng hơn

Hình 1 4 Ví dụ về ứng dụng BBC vào việc theo dõi bệnh nhân.

1.2.3 Truyền thông tán xạ ngược xung quanh (AmBC)

Ambient Backscatter Communication là một công nghệ không dây tiên tiến, chophép các thiết bị giao tiếp mà không cần nguồn năng lượng riêng Thay vì sử dụng nguồnnăng lượng và tín hiệu riêng, công nghệ này tận dụng tín hiệu môi trường có sẵn, chẳnghạn như sóng điện từ từ các nguồn phát khác để truyền thông tin Ví dụ như: tín hiệu từ bộ

phát sóng TV, các điểm truy cập Wi-Fi hoặc các trạm cơ sở mạng (BS),… Các hệ thốngAmBC có ưu điểm là rẻ hơn vì không cần phải quan tâm tới các nguồn phát RF.

Hình 1 5 Ứng dụng AmBC vào việc theo dõi nhiệt độ cây trồng.

Công nghệ AmBC có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm Internet ofThings, mạng cảm biến không dây, và các ứng dụng giao tiếp không dây khác Nó có thểcung cấp một giải pháp tiết kiệm năng lượng và chi phí cho các thiết bị không dây, đặcbiệt là trong các môi trường mà việc thay đổi pin hoặc sạc pin là không thể hoặc khó

khăn Như ở hình 1.5, đây là ứng dụng theo dõi nhiệt độ của cây trồng, các cảm biến gắn

trên cây sẽ đo nhiêt độ của cây và gửi tín hiệu về bộ thu, sau đó bộ thu sẽ tổng hổng hợp

và gửi dữ liệu về trung tâm AmBC sử dụng nguồn RF có sẵn nên chi phí sẽ rẻ hơn rấtnhiều, do đó có thể gắn hàng loạt các thẻ mà không cần quá quan tâm đến chi phí Tuynhiên, công nghệ AmBC cũng đặt ra một số thách thức, bao gồm khả năng truyền thônghạn chế và độ tin cậy thấp do tán xạ ngược bị ảnh hưởng bởi môi trường và các tín hiệukhác Các nghiên cứu vẫn đang tiếp tục để nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng củacông nghệ này

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AmBC

AmBC là một công nghệ mới sử dụng các tín hiệu xung quanh để đơn giản hoá cấutrúc liên kết không dây thành nút cảm biến và mạch thu, loại bỏ nhu cầu về sóng mangchuyên dụng Nó dựa trên kỹ thuật tán xạ ngược điều chế và sử dụng tần số vô tuyếntrong môi trường xung quanh để truyền tin Một hệ thống truyền thông tán xạ ngược xung

quanh như hình 1.6, gồm 3 thành phần chính:

Hình 1 6 Mô hình truyền thông tán xạ ngược xung quanh.

- Nguồn sóng mang xung quanh: có 3 nguồn cơ bản tồn tại, các mạng cục bộkhông dây (WiFi), nguồn sử dụng trong mạng di động và các nguồn phát tínhiệu trên phạm vi phủ sóng lớn Ví dụ như tín hiệu TV có thể được phát hiện vàtán xạ ngược từ khoảng cách vài kilometer

- Bộ tán xạ: hay còn gọi là thẻ tag, là thiết bị tán xạ ngược các tín hiệu RF tới từcác nguồn sóng xung quanh để truyền thông tin Thành phần của thẻ tag baogồm một anten dùng kết nối với thiết bị đọc và một con chip dùng để lưu trữ dữliệu Dữ liệu được đọc/ghi mà không phụ thuộc vào hướng hay vị trí chỉ cần thẻnằm trong vùng phủ sóng Ngoài việc điều chế tín hiệu tán xạ ngược thẻ cònphải mã hoá dữ liệu để bảo đảm tính bảo mật cho các thông tin khi phát ra bênngoài Trong AmBC thì thẻ là thiết bị thụ động thu năng lượng từ các nguồnsóng xung quanh nên thẻ có công suất rất thấp

- Thiết bị đọc (máy thu tán xạ ngược): nhận tín hiệu tán xạ từ thẻ tag Máy thugồm anten để nhận tín hiệu, một vi xử lý để xử lý và giải mã tín hiệu nhận từthẻ tag Vấn đề của máy thu là xử lý nhiễu để thu đúng tín hiệu tán xạ ngược

1.4 Cấu tạo thiết bị tán xạ ngược điển hình – RFID

1.4.1 Module RFID RC522:

Module RFID RC522 là module đọc/ghi thẻ RFID (Radio Frequency IdentificationDetection) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như: quản lý lưu thông hàng hoá,kho hàng, quản lý thu phí đường bộ, quản lý nhà máy, bãi giữ xe, khoá cửa,…

Module RFID RC522 được sản xuất bởi công ty NXP Semiconductors, một trongnhững nhà sản xuất linh kiện điện tử lớn nhất thế giới Hoạt động ở tần số 13,56MHz vàtuân theo chuẩn ISO 14443A cho thẻ RFID Nó được tích hợp sẵn các tính năng bảo mật

để đảm bảo an toàn thông tin khi sử dụng Hỗ trợ giao tiếp qua các giao thức SPI, I2C vàUART Thường được sử dụng với các kit như Arduino và Raspberry Pi để tạo ra các ứngdụng phức tạp hơn

Hình 1 7 Module RFID RC522.

Sơ đồ chân Module RFID RC522:

Hình 1 8 Sơ đồ chân RFID RC522.

 SDA (Serial Data): Dùng để truyền và nhận dữ liệu giữa module RFID RC522 và

 IRQ (Interrupt Request): Chân ngắt kết nối, chân này là tuỳ chọn và được sử dụngtrong các ứng dụng nâng cao Nó được kết nối với chân GPIO của vi điều khiển

 GND (Ground): Chân kết nối với chân GND của vi điều khiển

 RST (Reset): Chân đặt lại module RFID RC522 Khi chân này được kích hoạt,module sẽ được đặt lại về trạng thái ban đầu

 VCC: Nguồn cấp 3.3V cho module

Thông số kĩ thuật Module RFID RC522:

 Giao tiếp: SPI

 Tốc độ truyền dữ liệu: tối đa 10Mbit/s

 Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 80 ° C

 Tốc độ cao SPI: 10Mbit/s

Một số ứng dụng của Module RFID RC522:

 Ứng dụng trong gia đình: Module RFID RC522 có thể được sử dụng để xácđịnh và kiểm soát quyền truy cập vào các khu vực như cửa ra vào, hệ thốngbảo mật gia đình, hoặc để nhận dạng thành viên trong gia đình

 Ứng dụng trong giao thông: Module RFID RC522 có thể được sử dụng đểquản lý và kiểm soát quyền truy cập vào các phương tiện giao thông côngcộng, bãi đỗ xe, hoặc hệ thống thu phí tự động

 Ứng dụng trong bảo mật: Module RFID RC522 có thể được sử dụng để xácđịnh và kiểm soát quyền truy cập vào các khu vực nhạy cảm như văn phòng,kho lạnh, hoặc hệ thống bảo mật tài sản

 Ứng dụng trong quản lý hàng hóa: Module RFID RC522 có thể được sử dụng

để quản lý và theo dõi hàng hóa trong các cửa hàng, siêu thị, hoặc hệ thốngkho bãi

 Ứng dụng trong y tế: Module RFID RC522 có thể được sử dụng để xác định

và theo dõi thông tin về bệnh nhân trong các bệnh viện, phòng khám, hoặc hệthống quản lý y tế

1.5 Mối quan hệ giữa các thông số

Trong một hệ thống truyền thông tán xạ ngược cơ bản, thiết bị đọc sẽ nhận mộttín hiệu y[n] bao gồm các tín hiệu từ nguồn x[n] xung quanh và các tín hiệu đến từ bộtán xạ ngược, do đó có công thức:

y[n] = x[n] + ηB[n]x[n] + w[n] (1.1)Trong đó:

B[n]: bit được truyền bởi bộ tán xạ.

η: là hệ số phản xạ, với η<|1|.

w[n]: nhiễu từ môi trường.

Thẻ có 2 trạng thái tán xạ: B[n] = 0 và B[n] = 1 Trường hợp B[n] = 0 thì thẻkhông tán xạ lại bất cứ sóng nào, trường hợp B[n] = 1 sẽ tán xạ lại một sóng EM.

Với cấu hình này, thiết bị sẽ nhận được các mức năng lượng khác nhau tuỳthuộc vào trạng thái của thẻ, do đó thiết bị đọc có thể xem là bộ phát hiện năng lượng

1.6 Một số vấn đề còn tồn tại và cần khắc phục trong tương lai

Các hệ thống truyền thông tán xạ ngược truyền thống như RFID còn một sốhạn chế Trước tiên, yêu cầu bộ tán xạ phải nằm gần nguồn RF, do đó giới hạn vùngphủ sóng của các thẻ Thứ hai, thiết bị đọc phải gửi tín hiệu RF cho thẻ do đó tiêu tốnnhiều năng lượng để phát tín hiệu

Các hệ thống truyền thông tán xạ ngược xung quanh sử dụng các tín hiệu sóng

vô tuyến xung quanh, mà các tín hiệu đó không dành riêng cho việc sử dụng này, do

đó tín hiệu này không tối ưu cho mục đích của AmBC Từ đó dẫn đến vấn đề chủ yếucủa AmBC là nhiễu tín hiệu

Thách thức lớn nhất đối với AmBC là hiệu suất phụ thuộc vào vị trí thẻ tag và

bộ thu Do đó để phát triển và cải thiện hệ thống cần phải:

 Cải thiện chất lượng tín hiệu trên thẻ bằng cách cải thiện mức công suất tínhiệu tại thẻ, nhờ đó công suất tín hiệu tán xạ ngược sẽ tăng lên

 Giảm nhiễu từ tín hiệu xung quanh và tín hiệu tán xạ ngược tại thiết bị đọc

1.7 Mạng di động thế hệ tiếp theo

1.7.1 Mạng 5G

5G là viết tắt của 5th Generation, hay được gọi là thế hệ thứ 5 của mạng di động với nhiều cải tiến hơn so với 4G 5G được thiết kế để tăng tốc độ và khả năng phản hồi nhanh chóng của mạng không dây

Hình 1 10 Biểu đồ quá trình phát triển của mạng viễn thông từ 1G đến 6G.

Mạng 5G vốn đã hiệu quả hơn, xử lý nhiều kết nối hơn và tốc độ nhanh hơn chomỗi người dùng Mạng 5G cũng được thiết kế để hoạt động trên nhiều dải tần số vô tuyến(RF) hơn, mở ra khả năng mới trong dải tần mmWave (sóng milimet) cực cao để các nhàmạng mở rộng dịch vụ mạng của họ Tuy nhiên, vì 5G là một công nghệ hoàn toàn mới vàhoạt động trên các tần số và hệ thống mới cho nên điện thoại 4G không tương thích vớimạng 5G mới

Dưới đây là một số tính năng và khả năng của mạng 5G:

- Tốc độ dữ liệu cao nhất: 5G cung cấp tốc độ dữ liệu nhanh hơn đáng kể Tốc độ dữliệu cao nhất có thể đạt 20Gbps tải xuống và 10Gbps tải lên trên mỗi trạm di động.Xin lưu ý, đó không phải là tốc độ người dùng sẽ trải nghiệm với 5G (trừ khi cókết nối chuyên dụng) Đó là tốc độ được chia sẻ bởi tất cả người dùng trên thiết bị

di động và thậm chí tốc độ này có thể còn cao hơn trong tương lai

- Tốc độ 5G thực tế: Mặc dù tốc độ dữ liệu cao nhất nghe có vẻ khá ấn tượng, nhưngtốc độ thực tế sẽ không giống nhau Thông số kỹ thuật 5G cho phép người dùng tảixuống tốc độ 100Mbps và tốc độ tải lên 50Mbps

- Độ trễ: Độ trễ (thời gian cần để dữ liệu di chuyển từ điểm này đến điểm khác) ởmức 4 mili giây trong trường hợp lý tưởng và ở mức 1 mili giây đối với các trườnghợp sử dụng yêu cầu tốc độ tối đa