nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

Các phương pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa cũng như độ tin cậy của dữ liệu.. Do đó, với kết quả của lu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ CÔNG CƯỜNG

NÂNG CAO HIỆU QUẢ MÃ HÓA TẦN SỐ CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ CÔNG CƯỜNG

NÂNG CAO HIỆU QUẢ MÃ HÓA TẦN SỐ CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP

Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 GS TS PHẠM THỊ NGỌC YẾN 2 PGS TS ĐÀO TRUNG KIÊN

Hà Nội - 2024

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận án và các kết quả được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu khoa học của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Hà nội, ngày 22 tháng 8 năm 2024

Nghiên cứu sinh

Lê Công Cường

Giáo viên hướng dẫn

GS TS Phạm Thị Ngọc Yến PGS TS Đào Trung Kiên

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến và PGS.TS Đào Trung Kiên Cô và Thầy đã tận tính hướng dẫn, định hướng cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu để có thể hoàn thành được luận án này

Tiếp theo tôi xin chân thành cảm ơn đến Quý thầy cô tại Nhóm chuyên môn Cảm biến và KT Đo lường, Khoa Tự động hóa, Trường Điện-Điện tử, Ban Đào tạo, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và hỗ trợ tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh và viết luận án này

Hà nội, ngày 22 tháng 8 năm 2024 Nghiên cứu sinh

Lê Công Cường

1.1 Giới thiệu về công nghệ định danh bằng sóng điện từ 6

1.2 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ có sử dụng chip 7

1.2.1 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ trong trường gần 7

1.2.2 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ trong trường xa 9

1.3 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip 11

1.3.1 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền thời gian…… 12

1.3.2 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền tần số 13 1.4 Các phương pháp mã hóa dữ liệu đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số 17

1.4.1 Phương pháp mã hóa OOK 17

2.2.1 Xác định tần số cộng hưởng mã hóa dựa trên biến đổi Fourier 29

2.2.2 Xác định tần số cộng hưởng mã hóa dựa trên diện tích phản xạ ra-đa 33

2.3 Ảnh hưởng của hỗ cảm đối với đối với độ tin cậy mã hóa tần số 36

3.2.1 Vấn đề sai lệch tần số cộng hưởng mã hóa 43

3.2.2 Giải pháp cố định tần số mã hóa sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn 45

3.3 Thiết kế thẻ tag cố định theo tần số mã hóa xác định trước bằng giải pháp đề xuất… 50

3.3.1 Lựa chọn bộ tần số cộng hưởng mã hóa và kiểu cấu trúc thẻ tag mã hóa 50

3.3.2 Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu theo các tần số xác định trước 53

3.4 Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số tham chiếu 60

3.5 Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số xác định trước 63

4.2 Đề xuất giải pháp khởi tạo phần tử cho thuật toán tối ưu bầy đàn 72

4.3 Đề xuất quy trình thiết kế nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag 75

4.4 Thiết kế thẻ tag mã hóa tần số với yêu cầu nâng cao sử dụng giải pháp thiết kế đề xuất 80

4.4.1 Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) – 3 dBsm 80

4.4.2 Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm 89

4.4.3 Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,6 6,8 6,9 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm 93

4.5 Các kết quả thực nghiệm và phân tích 95

4.5.1 Chế tạo thẻ tag mẫu và thiết lập hệ thống đo 95

4.5.2 Kết quả đo của thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số được cố định 100

4.5.3 Kết quả đo của thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số nâng cao 103

4.6 Kết luận Chương 4 108

KẾT LUẬN 110

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 113

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACO Ant Colony Optimization Tối ưu hóa đàn kiến ASK Amplitude Shift Keying Điều chế theo biên độ tín hiệu FPC Frequency Predetermined Coding Mã hóa theo tần số xác định trước FRC Frequency Reference Coding Mã hóa theo tần số tham chiếu FSC Frequency Shift Coding Mã hóa theo tần số dịch

GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền IC Integrated Circuit Mạch điện tích hợp ISM Industrial - Scientific - Medical Công nghiệp – Kho học – Y tế OOK On-Off Keying Điều chế theo bật tắt tín hiệu PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu hóa bầy đàn

RCS Radar Cross Section Diện tích phản xạ ra-đa SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt

STFT Short-Time Fourier Transform Biến đổi Fourier trong thời gian ngắn UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao

UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng VNA Vector Network Analyzer Máy phân tích mạng véc-tơ

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số chiều dài các phần tử cộng hưởng dạng khe ký tự I 53

Bảng 3.2: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu cố định theo tần số mã hóa cơ bản 56

Bảng 3.3: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu với tần số dịch 6,8GHz 58

Bảng 3.4: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu với tần số dịch 7,0GHz 59

Bảng 3.5: Hiệu quả mã hóa của phương pháp mã hóa dữ liệu FSC và FRC 62

Bảng 3.6: Số bit mã hóa theo giải pháp FRC đề xuất 63

Bảng 3.7: So sánh khả năng mã hóa của phương pháp mã hóa FPC 66

Bảng 4.1: Thông số chiều dài của các phần tử cộng hưởng sau khi hiệu chỉnh 81

Bảng 4.2: Giá trị tần số cộng hưởng của thẻ tag chưa tối ưu thông số 83

Bảng 4.3: Các giá trị điều chỉnh của tham số thiết kế tối ưu sử dụng phần tử khởi tạo hiệu chỉnh theo lý thuyết 85

Bảng 4.4: Các bộ tham số điều chỉnh khởi tạo bởi tối ưu Taguchi (mm) 86

Bảng 4.5: Các giá trị điều chỉnh của tham số thiết kế tối ưu sử dụng phần tử khởi tạo Taguchi 88

Bảng 4.6: Giá trị các thông số thiết kế của thẻ tag tối ưu mã hóa dữ liệu tần số nâng cao [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm 91

Bảng 4.7: Giá trị các thông số thiết kế của thẻ tag tối ưu mã hóa dữ liệu tần số nâng cao [6,6 6,8 6,9 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm 94

Bảng 4.8: Đánh giá các ăng-ten UWB theo hệ số S11 trong dải tần số làm việc 97

Bảng 4.9: Giá trị tần số cộng hưởng đo được của thẻ tag đã cố định tần số 102

Bảng 4.10: Giá trị tần số cộng hưởng đo được của thẻ tag cố định tần số 103

Bảng 4.11: Giá trị và độ sai lệch tần số cộng hưởng của thẻ tag thiết kế nâng cao 104

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống định danh bằng sóng điện từ 6

Hình 1.2: Phân loại công nghệ định danh bằng sóng điện từ theo vị trí làm việc của thẻ tag 6

Hình 1.3: Trao đổi công suất và dữ liệu định danh bằng sóng điện từ trong trường gần 8 Hình 1.4: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường gần 9

Hình 1.5: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa 10

Hình 1.6: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa bằng xung phản hồi 12

Hình 1.7: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng điện từ 13

Hình 1.8: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng điện từ 14

Hình 1.9: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược sóng điện từ 15

Hình 1.10: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược sóng điện từ 16

Hình 1.11: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp OOK 18

Hình 1.12: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp OOK 18

Hình 1.13: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp FSC 20

Hình 1.14: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp FSC 20

Hình 2.1: Mô hình mạch RLC nối tiếp tương đương ăng-ten đơn giản 24

Hình 2.2: Mô tả các dòng điện cảm ứng trên thẻ tag 26

Hình 2.3: Đáp ứng của tín hiệu tán xạ ngược trong miền thời gian 31

Hình 2.4: Phổ của tín hiệu sau khi áp dụng kỹ thuật STFT 32

Hình 2.5: Hệ thống đo thông số RCS của đối tượng 34

Hình 2.6: Mô tả hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag 36

Hình 2.7: Hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng theo mô hình mạch RLC 37

Hình 2.8: Hỗ cảm giữa hai phần tử cộng hưởng dạng khe ký tự I 39

Hình 3.1: Sai lệch tần số cộng hưởng do hỗ cảm của thẻ tag 20 phần tử so với thẻ tag 1 phần tử 44

Hình 3.2: Đáp ứng tần số của thẻ tag có 5 phần tử cộng hưởng 45

Hình 3.3: Quá trình triển khai thuật toán PSO để tối ưu thiết kế thẻ tag 47

Hình 3.4: Quá trình triển khai thuật toán PSO để cố định tần số mã hóa 48

Hình 3.5: Cấu trúc thẻ tag với một phần tử cộng hưởng khe dạng chữ I 51

viii

Hình 3.6: Đáp ứng tần số của năm cấu trúc thẻ tag có một phần tử cộng hưởng 54

Hình 3.7: Cấu trúc thẻ tag mã hóa dữ liệu là năm tần số cơ bản 54

Hình 3.8: Đáp ứng tần số của cấu trúc thẻ tag mã hóa năm tần số cơ bản 55

Hình 3.9: Trạng thái hội tụ của giá trị hàm mục tiêu 56

Hình 3.10: Cấu trúc thẻ tag mã hóa cố định theo các tần số cộng hưởng cơ bản 57

Hình 3.11: Đáp ứng tần số của cấu trúc tối ưu 57

Hình 3.12: Đáp ứng tần số của ba cấu trúc thẻ tag tối ưu 60

Hình 3.13: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo giải pháp FRC 61

Hình 3.14: Mặt phẳng giá trị số bit của các phương pháp mã hóa 62

Hình 3.15: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo giải pháp FPC 64

Hình 3.16: Đồ thị giá trị số bit mã hóa của các phương pháp với M=5 65

Hình 3.17: Mặt phẳng giá trị số bit của các phương pháp mã hóa 65

Hình 4.1: Đánh giá giá trị RCS tại các tần số cộng hưởng của thẻ tag 20 phần tử 69

Hình 4.2: Các tham số liên quan đến chất lượng của tần số cộng hưởng mã hóa 71

Hình 4.3: Quy trình khởi tạo phần tử hiệu chỉnh 73

Hình 4.4: Quy trình khởi tạo phần tử tối ưu Taguchi 74

Hình 4.5: Quy trình thiết kế thẻ tag có ảnh hưởng của hỗ cảm 75

Hình 4.6: Quy trình các bước thiết kế thẻ tag mã hóa tần số với yêu cầu nâng cao 76

Hình 4.7: Quá trình tối ưu thông số phần tử cộng hưởng mã hóa 79

Hình 4.8: Thiết kế chưa tối ưu của thẻ tag bao gồm 5 phần tử cộng hưởng 82

Hình 4.9: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag đề xuất ban đầu 82

Hình 4.10: Giá trị hàm mục tiêu hội tụ theo giải pháp khởi tạo phần tử sử dụng bộ thông số thiết kế hiệu chỉnh theo lý thuyết 84

Hình 4.11: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu sử dụng phần tử thiết kế lý thuyết làm phần tử khởi tạo 86

Hình 4.12: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo cách khởi tạo sử dụng các phần tử tối ưu Taguchi 87

Hình 4.13: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu mã hóa tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) 89

Hình 4.14: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo hai cách khởi tạo phần tử 90

Hình 4.15: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu mã hóa tần số [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) 92

Hình 4.16: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo gải pháp khởi tạo phần tử Taguchi 93

Hình 4.17: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag với tham số thiết kế tối ưu 95

Hình 4.18: Quy trình chế tạo các thẻ tag mẫu 96

Hình 4.19: Thiết bị và môi trường đo thẻ tag trong điều kiện phòng 98

ix

Hình 4.20: Thiết bị và môi trường đo thẻ tag trong điều kiện buồng câm 99

Hình 4.21: Các thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số được cố định 100

Hình 4.22: Thẻ tag chưa được cố định và đã được cố định tần số cộng hưởng 100

Hình 4.23: So sánh đáp ứng tần số cộng hưởng giữa mô phỏng và đo lường 101

Hình 4.24: So sánh đáp ứng RCS của thẻ tag theo tính chất cố định tần số 101

Hình 4.25: Kết quả RCS của 3 cấu trúc thẻ tag tối ưu 102

Hình 4.26: Hai thẻ tag mã hóa tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) 104

Hình 4.27: Đáp ứng thông số RCS của hai thẻ tag mã hóa tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) 105

Hình 4.28: Hai thẻ tag mã hóa tần số [6.6 6.8 7.0 7.2 7.4] (GHz) và [6.6 6.8 6.9 7.2 7.4] (GHz) 106

Hình 4.29: Hai thẻ tag mã hóa tần số [6.6 6.8 7.0 7.2 7.4] (GHz) và [6.6 6.8 6.9 7.2 7.4] (GHz) 106

Hình 4.30: Đáp ứng thông số RCS của hai thẻ tag mã hóa tần số [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) và [6,6 6,8 6,9 7,2 7,4] (GHz) 107

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu

Định danh bằng tần số vô tuyến (Radio Frequency Identification) là công nghệ thu thập dữ liệu không dây sử dụng sóng điện từ để trích xuất mã định danh của thẻ tag được gắn lên đối tượng Việc phát triển công nghệ định danh bằng sóng điện từ hướng đến các mục tiêu chính là: tăng khoảng cách, tốc độ trao đổi dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ tag, đồng thời tăng hiệu quả mã hóa dữ liệu với các tiêu chí như tăng dung lượng, độ tin cậy của dữ liệu mã hóa và giảm kích thước thẻ tag

Hiện nay công nghệ định danh bằng sóng điện từ đã được ứng dụng khá phổ biến cho mục đích định danh đối tượng trong các lĩnh vực như: vận tải, an ninh, ngân hàng, y tế Tuy vậy, trong lĩnh vực bán lẻ thì công nghệ định danh bằng quang học mà đại diện tiêu biểu là mã vạch và mã QR vẫn phổ biến nhất do tính chất dễ thực hiện và giá thành rẻ của chúng Mặc dù vậy, khi xét về đặc tính kỹ thuật thì công nghệ định danh bằng sóng điện từ có nhiều ưu điểm hơn như:

- Có thể định danh mà không cần vị trí chính xác giữa thẻ tag đối với đầu đọc - Có thể định danh nhiều thẻ tag với một lần đọc bằng kỹ thuật chống xung đột

dữ liệu tốc độ cao - Có thể định danh với khoảng cách xa, đặc biệt đối với các thẻ tag được cấp

nguồn riêng (thẻ tag tích cực) hoặc các thẻ tag làm việc ở trường xa của ten đầu đọc

ăng Dữ liệu mã hóa có tính bảo mật cao, khó bị làm giả hay sao chép - Dung lượng dữ liệu mã hóa lớn và có thể thay đổi được

Đối với công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống thì trên thẻ tag cần tích hợp một vi mạch tích hợp (IC - Chip) có nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu, đồng thời điều chế mã hóa dữ liệu điện từ bằng cách thay đổi trở kháng của ăng-ten trên thẻ Khi trở kháng của ăng-ten trên thẻ tag thay đổi dẫn đến công suất phản hồi mà đầu đọc nhận được cũng thay đổi theo, tương ứng với việc điều chế dữ liệu mà thẻ tag gửi đến đầu đọc Trong thực tế, thành phần chip này chiếm phần lớn giá thành của thẻ tag, làm cho giá của thẻ tag đắt hơn nhiều khi so với giá thành của mã vạch hay mã QR Bên cạnh đó, việc chế tạo thẻ tag bao gồm thành phần chip và ăng-ten yêu cầu công nghệ phức tạp Từ các nguyên nhân này làm cho công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống không thể thay thế được công nghệ định danh bằng quang học trong lĩnh vực bán lẻ do yếu tố giá thành Để khắc phục điều này, công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip đã được đề xuất và tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây với các kết quả công bố được tổng hợp trong các bài báo [1], [2], [3] Thay vì sử dụng chip cho mục đích lưu trữ dữ liệu và điều chế tín hiệu, thì thẻ tag được thiết kế với các phần tử thụ động để thực hiện chức năng này Bản chất của công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip vẫn là công nghệ mã hóa dữ liệu thông qua giao tiếp trường điện từ Do vậy, công nghệ này kế thừa đầy đủ các ưu điểm của công nghệ

2 định danh bằng sóng điện từ truyền thống so với công nghệ định danh bằng quang học Ngoài ra, với việc không sử dụng chip giúp giải quyết được nhược điểm lớn là giá thành cao của thẻ tag Bên cạnh đó, việc loại bỏ thành phần chip và thay thế bằng các phần tử thụ động để mã hóa dữ liệu còn giúp cho thẻ tag bền hơn và dễ chế tạo hơn so với thẻ tag có sử dụng chip Hơn nữa, một số trúc thẻ tag không chip được đề xuất có dạng phẳng nên có thể sản xuất dễ dàng bằng công nghệ in sử dụng mực in dẫn điện [4], [5], [6], [7]

Như vậy, công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip là một công nghệ mới, kế thừa các ưu điểm và có thể ứng dụng vào các lĩnh vực mà công nghệ định danh bằng sóng điện từ có chip truyền thống đã được sử dụng trong thực tế Ngoài ra, công nghệ mới này còn giải quyết được hai nhược điểm lớn công nghệ định danh bằng sóng điện từ có chip là giá thành cao và khó chế tạo Với các ưu điểm đã nêu thì việc công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip thay thế mã vạch, mã QR trong lĩnh vực bán lẻ là khả thi trong tương lai Tuy vậy, hiện nay công nghệ này vẫn tồn tại nhược điểm lớn đó là khả năng mã hóa dữ liệu thấp Thẻ tag được chế tạo với công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip chỉ khả năng mã hóa số dữ liệu với đơn vị là bit Trong khi đó, công nghệ truyền thống có thể mã hóa được số dữ liệu lên đến hàng trăm kilobyte và chỉ phụ thuộc vào dung lượng bộ nhớ của chip Nhược điểm này làm hạn chế khả năng ứng dụng của công nghệ không chip này trong các lĩnh vực cần một lượng dữ liệu mã hóa lớn, mà bán lẻ là một trong những lĩnh vực đó Do vậy, để giải quyết triệt để các nhược điểm thì nâng cao hiệu quả mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip là một vấn đề quan trọng cần phải được nghiên cứu và giải quyết

Để đánh giá hiệu quả mã hóa của một dạng thẻ tagđịnh danh bằng sóng điện từ không chip, bên cạnh dựa trên số lượng dữ liệu mà thẻ tag đó có thể mã hóa được thì việc đánh giá còn dựa trên nhiều yếu tố khác như: Kích thước vật lý của thẻ, dải tần số làm việc của thẻ, phương pháp mã hóa dữ liệu, phương pháp thiết kế thẻ tag, độ tin cậy của dữ liệu giải mã Các yếu tố này hiện nay là các chủ đề nghiên cứu có tính cấp thiết cao, được nhiều nhà khoa học quan tâm và tập trung nghiên cứu Xuất phát từ

vấn đề thực tiễn này, NCS đã quyết định lựa chọn đề tài: “Nâng cao hiệu quả mã hóa

tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip” để nghiên cứu cho luận

án Trong đó, các vấn đề và yếu tố liên quan đến hiệu quả mã hóa của thẻ tag định danh

bằng sóng điện từ không chip sẽ được nghiên cứu và đề xuất giải pháp

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu các dạng thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và nguyên lý mã hóa dữ liệu Đánh giá khả năng mã hóa cho từng dạng thẻ tag, từ đó lựa chọn được dạng thẻ tag phù hợp cho mục tiêu đề xuất được giải pháp nâng cao hiệu quả mã hóa dữ liệu

3 Nghiên cứu các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip hiện nay, từ đó nghiên cứu đề xuất được giải pháp mã hóa mới có khả năng mã hóa dữ liệu cao hơn

Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có tính tổng quát và có tính thực tiễn cao, đồng thời áp dụng để thiết kế được thẻ tag mã hóa dữ liệu theo giải pháp mã hóa nâng cao đề xuất

Đối tượng nghiên cứu:

Các dạng thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và phương pháp mã hóa dữ liệu tương ứng, khả năng nâng cao số dữ liệu mã hóa của dạng thẻ tag đó Các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và khả năng nân cao số dữ liệu mã hóa theo các phương pháp đó Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy đối với dữ liệu mã hóa của thẻ tag cũng là đối tượng được nghiên cứu

Các phương pháp thiết kế, chế tạo thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa và độ tin cậy của dữ liệu mã hóa

Phạm vi nghiên cứu:

Các kiểu thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa dữ liệu trong miền tần số Các yếu tố ảnh hưởng đến việc mã hóa dữ liệu và các phương pháp khắc phục hiện nay

Các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag trong miền tần số có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

Các phương pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa cũng như độ tin cậy của dữ liệu

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu của luận án được thực hiện theo các bước như sau: Tổng hợp và phân tích kết quả của các nghiên cứu đã được công bố cho lĩnh vực công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip Từ đó xác định các vấn đề còn hạn chế để tập trung nghiên cứu, đề xuất giải pháp, hướng đến đóng góp kết quả khoa học mới

Nguyên cứu cơ sở lý thuyết nguyên nhân dẫn đến các hạn chế trong kết quả nghiên cứu hiện tại, từ đó phân tích, tính toán các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp nhằm nghiên cứu đề xuất được các giải pháp cải thiện kết quả

Sau khi có được các tính toán thiết kế đề xuất, các phần mềm chuyên dụng được sử dụng để thiết kế và mô phỏng Kết quả mô phỏng được sử dụng làm yếu tố để đánh

4 giá tính khả thi của nghiên cứu đề xuất Ngoài ra, kết quả mô phỏng còn được sử dụng để điều chỉnh, cải thiện đề xuất nghiên cứu ban đầu

Chế tạo mẫu thử sau khi có được giải pháp thiết kế đề xuất, thực hiện đo kiểm thực nghiệm trong điều kiện sử dụng thực tế để đánh giá sự phù hợp với kết quả mô phỏng Các sai lệch nếu có sẽ được phân tích nguyên nhân và so sánh với các kết quả đã được công bố bởi các nghiên cứu khác để xác định tính mới, tính vượt trội của giải pháp đề xuất

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Như đã trình bày ở mục lý do chọn đề tài nghiên cứu, công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip là một công nghệ mới, có thể thay thế cho định danh bằng sóng điện từ truyền thống có chip trong các ứng dụng thực tế Đồng thời công nghệ này có thể thay thế công nghệ định danh bằng quang học như mã vạch, mã QR bởi vì có nhiều ưu điểm và giá thành sản xuất rẻ hơn Tuy vậy, nhược điểm lớn của công nghệ này là khả năng mã hóa thấp và độ tin cậy về dữ liệu chưa cao Do đó, với kết quả của luận án đề xuất được các giải pháp nâng cao hiệu quả mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa tần số, thì kết quả này có đóng góp lớn về tính mới và ý nghĩa khoa học

Bên cạnh đó, giải pháp thiết kế thẻ tag mà luận án đề xuất có tính tổng quát, có thể áp dụng để thiết kế cho nhiều kiểu thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip khác nhau với độ tin cậy cao về đáp ứng dữ liệu mã hóa tần số Các sản phẩm thẻ tag mẫu thử đã kiểm chứng kết quả này trong điều kiện thực tế, do vậy phương pháp thiết kế đề xuất này có ý nghĩa lớn về thực tiễn

5 Cấu trúc, nội dung trình bày tại luận án

Nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về công nghệ định danh bằng sóng điện từ và các phương pháp mã hóa dữ liệu điện từ không sử dụng chip Tiếp theo là các thách thức và khó khăn trong việc nâng cao khả năng mã hóa, từ đó làm rõ các mục tiêu và phạm vi nghiên cứu cần được thực hiện của luận án

Chương 2 trình bày về lý thuyết bức xạ trường điện từ của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip Nghiên cứu tiếp cận từ các phương trình toán học về trường điện từ bức xạ để hiểu sâu về dạng tín hiệu điện từ phát ra từ thẻ tag, từ đó phân tích cơ sở của phương pháp mã hóa dữ liệu dựa trên tín hiệu đó Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu làm thay đổi độ tin cậy của dữ liệu mã hóa cũng được phân tích và đánh giá Trong đó, hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag là yếu tố quan trọng được luận án tập trung nghiên cứu xử lý

Chương 3 trình bày về giải pháp đề xuất nhằm loại bỏ ảnh hưởng của hiện tượng hỗ cảm làm sai lệch tần số cộng hưởng của thẻ tag, cố định được các tần số cộng hưởng

5 theo các tần số mã hóa xác định trước Từ đó, luận án đề xuất được hai giải pháp mã hóa dữ liệu nâng cao khả năng mã hóa cho thẻ tag Giải pháp thứ nhất là giải pháp mã hóa dữ liệu nâng cao sử dụng các bộ tần số tham chiếu Giải pháp thứ hai là giải pháp mã hóa nâng cao sử dụng bộ tần số xác định trước Một số trường hợp mã hóa dữ liệu theo hai giải pháp mã hóa này được thiết kế và mô phỏng kiểm chứng Để có thể thực hiện các giải pháp mã hóa dữ liệu nâng cao mà luận án đề xuất cần dựa trên cơ sở thẻ tag thiết kế được phải có độ tin cậy dữ liệu cao về đáp ứng tần số cộng hưởng Giải pháp thiết kế thẻ tag thỏa mãn độ tin cậy cao về dữ liệu mã hóa, có tính tổng quát và hiệu quả cao được trình bày chi tiết ở Chương 4

Chương 4 trình bày về giải pháp thiết kế nâng cao thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip nhằm đạt được các yêu cầu thiết kế nâng cao hiệu quả mã hóa Trong đó, yêu cầu nâng cao thứ nhất là đáp ứng tín hiệu mã hóa tần số phải đạt độ tin cậy tại các tần số xảy ra cộng hưởng Độ tin cậy được đánh giá không chỉ là sai lệch so với tần số cộng hưởng mã hóa mà còn là giá trị biên độ tại tần số cộng hưởng phải đạt ngưỡng phân biệt Yêu cầu này là khó khăn trong điều kiện các tần số mã hóa có độ chênh lệch nhỏ hoặc hệ số phẩm chất của vật liệu chế tạo không cao Các điều kiện này làm cho quá trình thiết kế bằng phương pháp tối ưu sử dụng thuật toán dạng tiến hóa quần thể mà luận án đề xuất cần nhiều thời gian Từ đây đặt ra yêu cầu nâng cao thứ hai đó là giải pháp thiết kế đề xuất cần đạt được kết quả sau một khoảng giới hạn thời gian phù hợp với thực tế Các giải pháp giúp nâng cao hiệu quả của thuật toán tối ưu nhằm đặt được yêu cầu thứ hai này sẽ được trình bày trong chương này Bên cạnh đó, các thẻ tag mã hóa các bộ tần số nâng cao được thiết kế theo quy trình chi tiết của giải pháp mà luận án đề xuất cũng được trình bày Hệ thống đo lường được thiết lập và các thẻ tag mẫu được chế tạo nhằm kiểm chứng tính đúng đắn, hiệu quả và tổng quát của giải pháp

6 Các đóng góp mới của luận án

Đề xuất được giải pháp cố định tần số mã hóa cho thẻ tag mã hóa bằng sóng điện từ sử dụng thuật toán tối ưu, giải quyết được ảnh hưởng của hỗ cảm làm sai lệch tần số cộng hưởng của các phần tử mã hóa trên thẻ tag

Đề xuất được hai giải pháp mã hóa dữ liệu mới, bao gồm giải pháp mã hóa bằng các tần số tham chiếu và giải pháp mã hóa bằng các tần số xác định trước Cả hai giải pháp đề xuất này đều có khả năng mã hóa được nhiều dữ liệu hơn các giải pháp mã hóa thường được sử dụng hiện nay

Đề xuất được giải pháp thiết kế nâng cao cho thẻ tag mã hóa dữ liệu bằng sóng điện từ không chip, đảm bảo độ tin cậy dữ liệu trong điều kiện ảnh hưởng của hỗ cảm lớn và chất lượng của vật liệu chế tạo thẻ tag không cao Trong đó, các giải pháp khởi tạo phần tử cho thuật toán tối ưu bầy đàn bằng các phần tử hiệu chỉnh theo lý thuyết hoặc các phần tử được tối ưu theo phương pháp Taguchi đã nâng cao hiệu quả của quá trình tối ưu Giải pháp mà luận án đề xuất được tổng hợp thành quy trình thiết kế chi tiết đồng thời đóng gói thành chương trình thiết kế hoàn chỉnh

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH DANH

BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ

1.1 Giới thiệu về công nghệ định danh bằng sóng điện từ

Hệ thống ứng dụng công nghệ định danh bằng sóng điện từ bao gồm hai phần chính là: (i) Thẻ tag – Lưu trữ và mã hóa dữ liệu và (ii) Đầu đọc – Phát ra sóng điện từ để trích xuất dữ liệu từ thẻ tag Sơ đồ khối chức năng cơ bản của hệ thống sử dụng công nghệ này được thể hiện ở Hình 1.1 Trong đó, thẻ tag sẽ được gắn lên đối tượng cần định danh

Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống định danh bằng sóng điện từ

Nguyên lý về công nghệ định danh bằng sóng điện từ được đề xuất đầu tiên bởi Stockman trong bài báo [8] vào năm 1948 Theo đó, tác giả đã thực hiện thử nghiệm thay đổi trở kháng của ăng-ten trên thẻ tag để điều chế công suất phản hồi mà đầu đọc nhận được, cũng chính là dữ liệu mã hóa của thẻ tag [9] Dựa trên phương thức truyền công suất giữa đầu đọc và thẻ tag có thể phân loại hệ thống thành hai loại là: định danh bằng sóng điện từ trong trường gần và định danh bằng sóng điện từ trong trường xa Trường gần và trường xa thể hiện vị trí làm việc của thẻ tag trong vùng đặc tính điện trường của ăng-ten đầu đọc, trong đó: đối với trường gần phương thức truyền công suất là theo nguyên lý cảm ứng điện từ, còn đối với trường xa là theo nguyên lý bức xạ điện từ Hình 1.2 thể hiện chi tiết thông số khoảng cách của các vùng bức xạ của

hai trường này, trong đó D là chiều dài kích thước lớn nhất của ăng-ten và  là bước sóng của tần số làm việc Đối với thẻ tag làm việc trong trường gần thì các dải tần số sử dụng phổ biến là: 125/134 KHz và 13,56 MHz, còn đối với trường xa thì sử dụng các dải tần như: 403 MHz, 902-928 MHz, 2,4 GHz

Hình 1.2: Phân loại công nghệ định danh bằng sóng điện từ theo vị trí làm

việc của thẻ tag

Thẻ Tag Đầu đọc

Ăng-ten

D

Trường gần

Trường xa Thẻ Tag

22/

R= D 

- H là véc-tơ cường độ từ trường biến thiên bao quanh cuộn dây ăng-ten,

- Véc-tơ điện cảm D=Er với  là hằng số điện môi, Er là cường độ điện

tường đặt vào ăng-ten đầu đọc,

- Véc-tơ mật độ dòng điện J =Er với  là điện dẫn suất

Từ trường biến thiên sinh ra từ ăng-ten cuộn dây của đầu đọc sẽ đi qua ăng-ten cuộn dây của thẻ tag khi thẻ tag đặt trong trường gần của vùng đặc tính điện trường và sinh ra hiện tượng cảm ứng điện từ Lý thuyết về cảm ứng điện từ là lý thuyết cơ bản trong trường điện từ, được nhà khoa học Faraday người Anh tìm ra khi cho từ thông biến thiên đi qua một cấu trúc kim loại kín thì sinh ra một suất điện động cảm ứng Lý thuyết này đã được Maxwell hệ thống lại bằng phương trình thứ hai dưới dạng tích phân như sau:

 (1.2)

Trong đó:

- Véc-tơ điện cảm B=H với  là hệ số từ thẩm của môi trường,

- Elà véc-tơ cường độ điện trường sinh ra trong cuộn dây ăng-ten của thẻ tag

Nguyên lý trao đổi dữ liệu dựa trên trao đổi công suất giữa đầu đọc và thẻ tag trong trường gần có thể phân tích đơn giản theo mô hình mạch điện được thể hiện ở Hình 1.3 Thông số M là hệ số hỗ cảm giữa 2 cuộn dây ăng-ten của đầu đọc và thẻ tag là Lr

và Lt được tính theo công thức Newmann như sau:

R



=   (1.3)

8 Trong đó, dir và dit là các phần tử dòng điện trong cuộn dây ăng-ten Lr và L , tR là khoảng cách chúng

Áp dụng vào hệ thống định danh bằng sóng điện tử có sử dụng chip, Sr và St là mô hình hai công tắc được điều khiển bởi đầu đọc và chip mã hóa trên thẻ tag, nhằm thay đổi công suất hay hiệu điện thế ur và u phục vụ cho việc điều chế dữ liệu truyền và t

nhận giữa đầu đọc và thẻ tag

Hình 1.3: Trao đổi công suất và dữ liệu định danh bằng sóng điện từ trong trường gần

Đối với Hình 1.3a, hai công tắc Sr và St đều đóng, công suất điện từ từ đầu đọc sẽ được truyền sang thẻ tag thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ đã phân tính ở phần trước Ta có thể biểu diễn thông số điện áp trong mạch tương ứng thông qua các phương trình sau:

tr

didi

9 dòng điện và từ trường tương ứng phát ra từ cuộn dây ăng-ten đầu đọc, qua đó bật tắt điện áp u trên thẻ tag, nhằm mã hóa dữ liệu nhị phân gửi đến thẻ tag Hình 1.3c tương t

ứng với việc thẻ tag gửi dữ liệu đến thẻ đầu đọc bằng cách bật tắt công tắc S , qua đó t

làm thay đổi trạng thái của dòng điện chảy qua cuộn dây ăng-ten của thẻ tag, dẫn đến thay đổi điện áp ur ở cuộn dây ăng-ten đầu đọc Theo công thức 1.4 ta có giá trị điện áp

Hình 1.4: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường gần

1.2.2 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ trong trường xa

Đối với công nghệ định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa thì nguyên lý truyền dữ liệu từ đầu đọc đến thẻ tag là phương pháp điều chế tín hiệu với sóng mang có tần số cao Phương pháp điều chế thường được sử dụng là ASK và dải tần số làm việc là UHF có bước sóng ngắn nhằm tăng khoảng cách trao đổi dữ liệu Vì hoạt động trong trường xa nên khoảng cách đọc dữ liệu của công nghệ này có thể lên đến nhiều mét, trong khi công nghệ định danh bằng sóng điện từ trường gần có khoảng cách đọc thông thường là dưới 20cm

2

2216

rrtt

P G GP

R

= (1.5) Bên cạnh yếu tố về khoảng cách của trường xa, thì khoảng cách trao đổi dữ liệu giữa đầu đọc và thẻ tag còn phụ thuộc vào công suất mà thẻ tag nhận được Áp dụng công thức Friis (1.5) để tính công suất bức xạ mà thẻ tag nhận được tại trường xa cách đầu đọc một khoảng R, từ đó xác định khoảng cách đọc tối đa như biểu thức (1.6)

10 max

min4

rrt

P G GR

P



= (1.6) Trong đó,  là bước sóng, Rmax là khoảng cách tối đa có thể đạt được, Pr là công suất phát của đầu đọc, Gr là độ lợi của ăng-ten đầu đọc, G là độ lợi của ăng-ten trên t

thẻ tag, Pmin là công suất tối thiểu để thẻ tag có thể làm việc Ví dụ, đầu đọc sử dụng mô-đun mã R700 của hãng Impinj có công suất phát tối đa là 33dBm, ăng-ten có độ lợi là 6dBi Thẻ tag sử dụng chip UCODE 8/8m của hãng NXP với công suất làm việc tối thiểu là -18dBm, ăng-ten trên thẻ tag có độ lợi là 0dBi Dải tần số sử dụng là ISM 902-928MHz, thì khoảng cách đọc tối đa có thể đạt được là khoảng 18m

Để thẻ tag có thể thu sóng điện từ phát ra từ đầu đọc ở nhiều hướng khác nhau nhằm giảm sự phụ thuộc hướng của thẻ tag trong trường bức xạ, thì ăng-ten trên thẻ tag được ưu tiên lựa chọn có dạng ăng-ten đa hướng Kiểu ăng-ten chấn tử đối xứng thường được sử dụng cho mục đích này Tuy vậy chiều dài của kiểu ăng-ten này thuộc dải tần UHF là khá lớn, 0,33m tại tần số 900MHz, có thể làm cho kích thước thẻ tag không phù hợp trong ứng dụng thực tế Trong trường hợp giảm chiều dài của ăng-ten nhỏ hơn nửa bước sóng để giảm kích thước dẫn đến phát sinh thành phần ảo trong trở kháng bức xạ phức tương đương của ăng-ten Do vậy, thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa thông thường cần có thành phần mạch điện thụ động để phối hợp trở kháng giữa ăng-ten và chip mã hóa mà thẻ tag sử dụng Ngoài ra, bên cạnh việc thẻ tag sử dụng ăng-ten đa hướng có độ lợi thấp thì công suất mà thẻ tag nhận được bị suy hao lớn do tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ thẻ tag đến ăng-ten đầu đọc theo công thức (1.5) Vì vậy để cung cấp đủ điện áp cho chip mã hóa trên thẻ tag hoạt động được thì trong thiết kế thẻ tag có mạch nhân điện áp để cấp nguồn Sơ đồ khối các cấu trúc cơ bản của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa được thể hiện ở Hình 1.5

Hình 1.5: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa

Nguyên lý truyền dữ liệu từ thẻ tag đến đầu đọc của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa tương tự trong trường gần Theo đó chip mã hóa sẽ điều chế dữ liệu bằng cách thay đổi trở kháng tương đương của ăng-ten trên thẻ tag, làm thay đổi công suất mà đầu đọc nhận được tương ứng với dữ liệu nhị phân mà thẻ

11 tag cần truyền Mối liên hệ giữa trở kháng của ăng-ten thẻ tag và công suất phản xạ mà đầu đọc nhận lại được thể hiện thông qua hệ số RCS ( ), đặc trưng cho khả năng phản xạ công suất sóng điện từ đên và còn được gọi là diện tích phản xạ ra-đa [10]

c

R và Xc là trở kháng vào của chip mã hóa Về kỹ thuật, chip mã hóa được thiết kế để khi công suất mà thẻ tag nhận được đủ để cấp nguồn cho chip hoạt động thì sẽ thực hiện điều chế dữ liệu Dữ liệu công suất truyền đến đầu đọc được thực hiện bằng cách điều khiển đóng cắt công tắc kết nối với ăng-ten để thay đổi trở kháng tương đương Công suất tín hiệu mà đầu đọc nhận được được tính theo biểu thức (1.8)

234(4 )

rrtrb

P G GP

R

 

=  (1.8) Từ (1.7) và (1.8) nhận thấy công suất tín hiệu mà đầu đọc nhận được Prb phụ thuộc vào giá trị trở kháng tương đương khi chip mã hóa thực hiện đóng hoặc cắt công tắc kết nối ăng-ten Đầu đọc căn cứ dựa trên công suất nhận được này để xác định dữ liệu mà thẻ tag gửi đến

Như vậy, với các nguyên lý làm việc của công nghệ định danh bằng sóng điện từ đã trình bày thì vai trò của chip mã hóa đối với thẻ tag mã hóa điện từ theo kiểu truyền thống là rất quan trọng Chip thực hiện việc lưu trữ dữ liệu, giải mã dữ liệu cũng như mã hóa dữ liệu bằng cách thay đổi công suất mà đầu đọc nhận được thông qua việc thay đổi trở kháng của ăng-ten Tuy vậy, chip là thành phần chính làm tăng giá thành sản xuất của thẻ tag, làm cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không thể thay thế được mã vạch hay mã QR trong lĩnh vực cần giá thành thấp như bán lẻ Từ thực tế này công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip mã hóa được nghiên cứu đề xuất nhằm giải quyết vấn đề này

1.3 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip

Khái niệm về công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip được đề xuất từ năm 2005 trong các bài báo [11], [12], [13] Hiện nay công nghệ này đang được tập trung nghiên cứu và hoàn thiện, các kết quả được tổng hợp trong các bài báo [1], [2], [3] Lý do ra đời của công nghệ này như đã trình bày ở Mục 1.2 là nhằm giải quyết vấn đề giá thành của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ còn cao hơn nhiều so với thẻ tag định danh bằng công nghệ quang học Giải pháp đưa ra là loại bỏ thành phần chip mã hóa trên thẻ tag định danh bằng sóng điện từ truyền thống và thay thế bằng các phần tử mã hóa thụ động để giảm chi phí Ngoài ra, các thành phần thụ động này không yêu cầu cấp nguồn để có thể hoạt động như thẻ tag sử dụng chip mã hóa, do vậy về lý thuyết

12 công nghệ này tiêu thụ ít công suất hơn và có khả năng hoạt động với khoảng cách xa hơn Hiện nay có nhiều dạng cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip được đề xuất, tuy nhiên xét về nguyên lý mã hóa dữ liệu thì các thẻ tag này thuộc một trong hai nguyên lý cơ bản được trình bày sau đây

1.3.1 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền thời gian

Thẻ tag được thiết kế theo công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa dữ liệu trong miền thời gian sử dụng các phần tử thụ động để tạo ra các khoảng trễ tín hiệu khác nhau của các xung phản hồi được thể hiện ở Hình 1.6 Khi thẻ tag nhận được một tín hiệu xung điện từ truy vấn từ đầu đọc thông qua ăng-ten nhận được tích hợp trên thẻ tag, sóng điện từ sẽ lan truyền qua các phần tử tạo xung phản hồi nối tiếp Các phần tử này được thiết kế với trở kháng không phù hợp với tải nhằm tạo ra các sóng điện từ phản hồi ngược lại ăng-ten và truyền lại đầu đọc Với các thẻ tag với số phần tử khác nhau sẽ tạo ra các tín hiệu xung phản hồi khác nhau theo thời gian Số lượng và thời điểm thu được các tín hiệu phản hồi chính là dữ liệu mã hóa của kiểu thẻ tag này Các bài báo đề xuất các cấu trúc mã hóa dữ liệu theo nguyên lý này như: [14], [15], [16], [17]

Hình 1.6: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa bằng xung

phản hồi

Cũng theo nguyên lý mã hóa theo độ trễ của tín hiệu, dạng thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip đơn giản hơn là chỉ sử dụng một phần tử để tạo tín hiệu phản hồi [18] Phần tử thụ động này được điều chỉnh thay đổi với nhiều kích thước chiều dài khác nhau nhằm tạo thời gian trễ tín hiệu khác nhau để tạo dữ liệu mã hóa

13 Tuy vậy, do tín hiệu sóng điện từ lan truyền và phản xạ ngược lại trên các phần tử thụ động tạo xung phản hồi dạng này có tốc độ nhanh, dẫn đến xung phản hồi có độ phân biệt về thời gian rất nhỏ Điều này làm hạn chế khả năng mã hóa của kiểu thẻ tag mã hóa theo nguyên lý này, do hệ thống nhận dạng tín hiệu có giới hạn phân biệt về thời gian phản hồi của tín hiệu Ngoài ra, để tăng thời gian phản hồi cần phải tăng kích thước phần tử thụ động đủ lớn và như vậy sẽ gặp giới hạn về kích thước của thẻ tag phù hợp với ứng dụng trong thực tế

Để có thể tăng được độ phân biệt về thời gian phản hồi mà không phải tăng kích thước phần tử trên thẻ tag thì công nghệ thẻ tag sử dụng hiệu ứng sóng âm bề mặt (SAW) đã được đề xuất Về nguyên lý, dạng thẻ tag này sử dụng các phần tự thụ động có tác dụng tạo các dao động sóng âm lan truyền trên bề mặt của một loại vật liệu đặc biệt làm thẻ tag thay vì lan truyền sóng điện từ trên đường tải dẫn điện Do tốc độ sóng âm chậm hơn, kích thước của các phần tử tạo sóng âm cũng nhỏ hơn, do vậy khả năng mã hóa dữ liệu của kiểu thẻ tag này cao hơn Hiện nay giải pháp thẻ tag ứng dụng hiệu ứng sóng âm bền mặt đã được thiết kế thành công và thương mại hóa, có thể mã hóa đến 1 triệu mã dữ liệu [19] Tuy nhiên, nếu xét về giá thành thì thẻ tag định danh theo công nghệ này có giá thành xấp xỉ giá thành của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ sử dụng chip, lý do là bởi sự phức tạp của việc chế tạo và giá vật liệu cao Như vậy, giải pháp thẻ tag định danh bằng sóng điện từ theo công nghệ SAW chưa giải quyết được vấn đề là giảm giá thành của thẻ tag để hướng đến thay thế công nghệ định danh bằng quang học

1.3.2 Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền tần số

Thẻ tag được thiết kế theo công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa dữ liệu trong miền tần số sử dụng các phần tử tạo cộng hưởng tại các tần số khác nhau để mã hóa dữ liệu Có hai dạng thẻ tag chính để thực hiện kiểu mã hóa dữ liệu tần số này đó là: thẻ tag được thiết kế theo nguyên lý truyền lại sóng điện từ (Hình 1.7) và thẻ tag được thiết kế theo nguyên lý tán xạ ngược lại sóng điện từ (Hình 1.9)

Hình 1.7: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng

điện từ

14 Kiểu thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng điện từ được đề xuất lần đầu ởbài báo [20] Về cơ bản thẻ tag được thiết kế hai ăng-ten có băng thông siêu rộng UWB vuông góc nhau, để thu và phát lại sóng điện từ nhận được Khi thẻ tag nhận được tín hiệu điện từ có dải tần số rộng từ đầu đọc bằng ăng-ten thu, tín hiệu được đi qua một chuỗi các bộ cộng hưởng tích hợp trên thẻ tag, hoạt động với vai trò như các bộ lọc chặn dải có băng thông hẹp Các bộ cộng hưởng này là các phần tử thụ động, được thay đổi với các thẻ tag khác nhau nhằm tạo ra tín hiệu cộng hưởng tại các tần số khác nhau để truyền lại đầu đọc thông qua ăng-ten phát trên thẻ Đầu đọc cũng tích hợp hai ăng-ten thu phát vuông góc tương ứng để truyền và nhận tín hiệu điện từ, căn cứ vào các tần số xảy ra cộng hưởng nhận lại được để xác định mã dữ liệu của thẻ tag

Hình 1.8: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng

điện từ

Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip kiểu truyền lại sóng điện từ được thể hiện ở Hình 1.8, với mối quan hệ giữa các tín hiệu điện từ trong miền tần số được thể hiện ở biểu thức (1.9)

Trong đó: - X f( ) là tín hiệu điện từ mà đầu đọc phát ra, - Y f( ) là tín hiệu đầu đọc nhận lại,

- WT( )f và WR( )f là hàm truyền của môi trường truyền và nhận sóng điện từ, - Hi( )f là hàm truyền của thẻ tag ứng với dữ liệu tần số tương ứng,

- M f( ) là hỗ cảm giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu, - N f( ) đặc trưng cho nhiễu nhiệt

15 Thành phần Hi( )f mang thông tin dữ liệu mã hóa của thẻ tag, là tích của các hàm truyền của các bộ lọc thụ động với tần số tương ứng của các phần tử được tích hợp trên thẻ tag Để đáp ứng tín hiệu theo tần số Y f( ) mà đầu đọc nhận được thể hiện đúng tính chất của hàm truyền Hi( )f được thiết kế thì hệ thống cần loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu nhiệt N f( )và quan trọng hơn là hỗ cảm M f( ) giữa cặp ăng-ten thu phát Vì vậy, đầu đọc và thẻ tag tích hợp hai ăng-ten được thiết kế vuông góc nhau giúp hạn chế ảnh hưởng hỗ cảm giữa hai ăng-ten đồng thời cải thiện độ ổn định của quá trình định danh thẻ tag Các bài báo đề xuất các cấu trúc mã hóa theo nguyên lý này như: [21], [22], [23], [24].

Ưu điểm của kiểu thẻ tag truyền lại sóng điện từ là công suất tín hiệu mà đầu đọc nhận lại được khá lớn do độ lợi của cặp ăng-ten thu phát được tích hợp trên thẻ tag Tuy nhiên, đây cũng là nhược điểm vì hai ăng-ten này làm tăng kích thước thẻ, ngoài ra mỗi phần tử lọc thụ động cũng có kích thước lớn, làm hạn chế số tần số cộng hưởng mã hóa có thể sử dụng Do vậy, để nâng cao hiệu quả mã hóa của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số bằng cách giảm diện tích của thẻ tag thì kiểu thẻ tag mã hóa bằng tín hiệu điện từ tán xạ ngược lại được đề xuất Cấu trúc của thẻ tag kiểu này được thể hiện ở Hình 1.9 với khác biệt cơ bản là loại bỏ đi hai ăng-ten thu phát so với kiểu thẻ tag truyền lại sóng điện từ

Hình 1.9: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược sóng

điện từ

Nguyên lý mã hóa dữ liệu của kiểu thẻ tag này là sau khi đầu đọc phát ra một sóng điện từ truy vấn có dải tần UWB thì sẽ nhận được bức xạ điện từ ngược lại từ thẻ tag Tín hiệu tán xạ ngược này được đánh giá thông qua hệ số RCS để xác định các tần số cộng hưởng mã hóa của thẻ tag Mô hình hệ thống ứng dụng đối với kiểu thẻ tag này được thể hiện ở Hình 1.10, biểu thức quan hệ giữa tín hiệu điện từ phát ra X f( ) và

16 tín hiệu điện từ nhận lại được Y f( ) tương tự như biểu thức (1.9) đã nêu Để đơn giản hóa mối quan hệ này, thành phần hỗ cảm giữa hai ăng-ten M f( ) có thể loại bỏ bằng cách sử dụng một ăng-ten để thực hiện đồng thời hai chức năng phát và thu tín hiệu điện từ Tuy nhiên, hàm truyền Hi( )f của kiểu cấu trúc thẻ tag này không đơn giản là chỉ mang thông tin các tần số lọc như kiểu cấu trúc truyền lại sóng điện từ, mà bao gồm 3 thành phần tín hiệu được biểu diễn ở biểu thức (1.20)

Hf =Hf +Hf +Hf (1.20)

Trong đó: - Hr( )f là thành phần tín hiệu không phù hợp trở kháng với ăng-ten và bị loại bỏ

bởi đầu đọc, - Hs( )f là hàm truyền liên quan đến cấu trúc tổng thể của thẻ tag, - Ha( )f là hàm truyền thể hiện các tần số cộng hưởng mã hóa do các phần tử

được tích hợp trên cấu trúc thẻ tag tạo ra

Hình 1.10: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược

sóng điện từ

Như vậy, để xác định được các tần số cộng hưởng mã hóa thì cần phải xác định được thành phần tín hiệu tạo ra bởi hàm truyền Ha( )f ,từ đó xác định các tần số cộng hưởng tương ứng Để thực hiện điều này cần có phương pháp xác định tín hiệu phức tạp, có độ chính xác cao bởi vì tín hiệu phản hồi về của kiểu thẻ tag này có công suất nhỏ hơn nhiều so với tín hiệu phản hồi của dạng thẻ tag truyền lại sóng điện từ Hơn nữa, thành phần tín hiệu tương ứng với hàm truyền Ha( )f lại là thành phần tín hiệu có biên độ nhỏ nhất trong tín hiệu phản hồi đó Ngoài yếu tố về biên độ thì khó khăn còn ở việc xác định được thời điểm và tách được thành phần tín hiệu mã hóa với các thành phần tín hiệu khác trong miền thời gian Lý thuyết về các phương pháp thực hiện việc tách tín hiệu và xác định tần số cộng hưởng mã hóa tương ứng của kiểu thẻ tag này sẽ được trình bày ở Chương 2

17 Mặc dù khó khăn trong việc giải mã tần số mã hóa nhưng kiểu thẻ tag này có kích thước nhỏ, khả năng tích hợp các phần tử cộng hưởng mã hóa lên cấu trúc thẻ tag lớn, qua đó làm tăng hiệu quả mã hóa dữ liệu Chính vì ưu điểm này mà các nghiên cứu hiện nay tập trung nghiên cứu, đề xuất các dạng thẻ tag theo kiểu tán xạ ngược lại sóng điện từ Các bài báo đề xuất các cấu trúc mã hóa theo nguyên lý này như: [11], [25], [26], [27]

1.4 Các phương pháp mã hóa dữ liệu đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số

Theo các nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip đã trình bày ở Mục 1.3 thì thẻ tag định danh trong miền tần số có kích thước nhỏ hơn so với trong miền thời gian Lý do cơ bản là khi làm việc ở tần số cao đồng nghĩa với bước sóng ngắn thì kích thước phần tử tạo tần số cộng hưởng giảm theo lý thuyết kích thước tỷ lệ thuận với bước sóng Bên cạnh đó việc xác định tần số cộng hưởng mã hóa cũng dễ hơn việc xác định thời gian phản hồi của các tín hiệu điện từ bằng máy phân tích mạng véc-tơ Ngoài ra, việc tăng phần tử cộng hưởng trên thẻ tag định danh trong miền tần số cũng khả thi hơn việc tăng phần tử thụ động tạo độ trễ tín hiệu đối với thẻ tag định danh trong miền thời gian vì các phần tử mã hóa tần số chiếm ít diện tích hơn Từ những phân tích đánh giá đó, NCS đã lựa chọn nghiên cứu các phương pháp mã hóa dữ liệu đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền tần số nhằm hướng đến mục tiêu nâng cao hiệu quả mã hóa Trong miền tần số, nguyên lý mã hóa cơ bản là đánh giá biên độ của tín hiệu để xác định có xảy ra cộng hưởng tại các tần số được sử dụng để mã hóa hay không Theo nguyên lý này, các phương pháp mã hóa dữ liệu tần số được áp dụng cho thẻ tag mã hóa bằng sóng điện từ được đề xuất trong các nghiên cứu hiện nay sẽ được trình bày chi tiết

1.4.1 Phương pháp mã hóa OOK

Nguyên tắc mã hóa tần số của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip theo pháp mã hóa OOK (On-Off Keying) dựa vào việc tín hiệu nhận được có cộng hưởng hoặc không cộng hưởng tại các tần số mã hóa định trước để xác định dữ liệu mã hóa Việc tạo hoặc không tạo tần số cộng hưởng cho thẻ tag được thực hiện bằng cách sử dụng hoặc không sử dụng các phần tử tạo cộng hưởng hoặc phần tử lọc chặn dải của tần số mã hóa tương ứng [28] Hình 1.11a mô tả cấu trúc thẻ tag mã hóa tần số theo kiểu tán xạ ngược lại sóng điện từ sử dụng phương pháp mã hóa này và đáp ứng tín hiệu theo tần số của thẻ tag mà đầu đọc nhận được ở Hình 1.11b Theo đó, thẻ tag có 3 phần tử cộng hưởng là R1, R3, R5 tạo ra 3 tần số cộng hưởng trong đáp ứng tín hiệu lần lượt là F1, F3, F5 Hai phần tử cộng hưởng R2 và R4 không được tích hợp trong thẻ tag và không tạo cộng hưởng tại hai tần số F2 và F4 tương ứng

18

Hình 1.11: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp OOK

Như vậy, bằng cách thay đổi các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag sẽ làm thay đổi các tần số cộng hưởng mã hóa tương ứng Tại một tần số xác định nếu xảy ra cộng hưởng thì tương ứng với mã hóa giá trị bit bằng logic 1 và nếu không xảy cộng hưởng thì mã hóa giá trị bit bằng logic 0 Việc gán nhãn dữ liệu nhị phân tương ứng cho thẻ tag mã hóa theo phương pháp mã hóa này là dễ dàng do chỉ cần xác định sự tồn tại của phần tử cộng hưởng tương ứng với bit nhị phân đó Ví dụ, thẻ tag trong Hình 1.11a sẽ mã hóa dữ liệu nhị phân là 10101

Hình 1.12: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp OOK

Mô hình về thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp OOK được thể hiện ở Hình 1.12, trong đó mỗi phần tử tương ứng với một tần số cộng hưởng Việc có hay không có phần tử đó trên thẻ tag sẽ quyết định sự tham gia của tần số cộng hưởng tương ứng trong dữ liệu tần số mã hóa Về lý thuyết thì đây là phương pháp mã hóa đơn giản, có số bit mã hóa được bằng chính số phần tử cộng hưởng tối đa có thể tích hợp trên thẻ tag Như vậy, để tăng khả năng mã hóa thì chỉ cần tăng số phần tử tích hợp trên thẻ tag Tuy nhiên, khi áp dụng thực tế thì việc thay đổi số phần tử cộng hưởng với các kiểu tích hợp khác nhau để mã hóa thì tần số cộng hưởng tương ứng của phần tử sẽ bị thay đổi Sự thay đổi tần số cộng hưởng này chỉ thỏa mãn nguyên tắc mã hóa OOK nếu như tần số xảy ra cộng hưởng không vượt quá giới hạn F (GHz) (Hình 1.11b) Trong đó, F là khoảng sai lệch tần số cho phép để phân biệt tần số cộng hưởng của các phần tử khác nhau Do vậy, khi tăng số tần số cộng hưởng mã hóa sẽ làm giảm thông số F (GHz), dẫn đến khả năng

19 không đạt được sai số này lớn hơn hay có nghĩa là giảm độ tin cậy về dữ liệu mã hóa theo phương pháp OOK Nguyên nhân của hiện tượng sai lệch tần số cộng hưởng tương ứng của một phần tử trong các cấu trúc thẻ tag mã hóa dữ liệu khác nhau sẽ được phân tích và giải quyết ở các chương tiếp theo của luận án

Giả sử các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag đảm bảo một sai lệch tần số cộng hưởng tương ứng trong giới F là như nhau, dải tần số cộng hưởng mã hóa của thẻ tag là B F

thì số bit mã hóa tối đa theo phương pháp OOK được tính như biểu thức (1.21)

1

FOOK

đầy đủ N phần tử sau đó đánh dấu các tần số cộng hưởng tạo ra để làm tần số cộng

hưởng mã hóa Để thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số cụ thể thì loại bỏ các phần tử cộng hưởng để phù hợp với tần số mã hóa tương ứng Nếu đáp ứng tần số của thẻ tag sau khi loại bỏ phần tử thỏa mãn sai số Fđối với các tần số mã hóa đã đánh dấu của mã

dữ liệu cần mã hóa thì thẻ tag đó thỏa mãn mã hóa OOK Tuy nhiên, khi số phần tử N là

lớn thì việc thử nghiệm và kiểm tra tất cả các trường hợp mã hóa dữ liệu tần số là khó khăn Ngoài ra khi thay đổi số phần tử thì độ sai lệch tần số cộng hưởng của một phần tử khi tích hợp trong thẻ tag tích hợp nhiều phần tử và khi tích hợp trong thẻ tag ít phần tử là lớn và có thể không đảm bảo sai số cho phép

1.4.2 Phương pháp mã hóa FSC

Như đã trình bày ở mục trước, OOK là phương pháp mã hóa đơn giản, dễ dàng cho việc gián nhãn dữ liệu nhị phân cho thẻ tag mã hóa bằng sóng điện từ không chip Tuy nhiên, việc tăng số phần tử cộng hưởng để nâng cao số bit mã hóa chịu ràng buộc bởi giới hạn sai số lệch tần số cộng hưởng F của mỗi phần tử Dễ thấy F càng nhỏ khi số tần số cộng hưởng mã hóa tăng lên do cùng chia sẻ dải tần số mã hóa B , ngoài ra đáp F

ứng tần số cộng hưởng của mỗi phần tử cũng dễ bị sai lệch hơn khi tăng số phần tử tích hợp trên thẻ tag.Như vậy, giải pháp tăng số phần để tăng số bit mã hóa theo phương pháp OOK sẽ làm giảm độ tin cậy của dữ liệu tần số mã hóa Ngoài ra, việc tăng số phần từ cũng làm tăng kích thước thẻ tag và dẫn đến giảm hiệu quả mã hóa của thẻ Từ các hạn chế này, phương pháp FSC (Frequency Shift Coding) được đề xuất áp dụng cho mã hóa dữ liệu của cấu trúc mã hóa điện từ không chip [28] Phương pháp FSC cho phép sử dụng ít phần tử cộng hưởng hơn phương pháp OOK để mã hóa cho cùng một bộ tần số cộng hưởng mã hóa Để thực hiện điều này, các phần tử trên thẻ tag định danh bằng sóng điện từ mã hóa theo phương pháp FSC được thay đổi thông số thiết kế để có thể xảy ra cộng hưởng ở nhiều tần số mã hóa khác nhau Hình 1.13a thể hiện thẻ tag được tích hợp hai phần tử cộng hưởng, mà mỗi phần tử có thể thay đổi 3 thông số kích thước, do vậy có thể tạo ra được 6 tần số cộng hưởng mã hóa (Hình 1.13b)

20

Hình 1.13: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp FSC

Như vậy, với phương pháp mã hóa này cho phép thẻ tag được thiết kế với số ít các phần tử cộng hưởng, nhưng vẫn có thể tạo ra nhiều trường hợp tần số cộng hưởng mã hóa Điều này có ý nghĩa lớn, vì với ít phần tử sẽ làm giảm kích thước cấu trúc mã hóa, cũng như giảm ảnh hưởng làm sai lệch tần số vượt quá giới hạn mã hóa Fcho phép đối với các tần số tương ứng Đặc điểm nổi bật này của phương pháp mã hóa FSC giúp nâng cao hiệu quả mã hóa cũng như độ tin cậy của dữ liệu tần số mà thẻ tag mã hóa

Hình 1.14: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp FSC

Để tính số bit mã hóa được của cấu trúc thẻ tag mã hóa theo phương pháp FSC, mô

hình thẻ tag và các tần số cộng hưởng mã hóa được thể hiện ở Hình 1.14 Trong đó, có N

phần tử cộng hưởng có thể tích hợp, mỗi phần tử có thể điều chỉnh thông số thiết kế

để cộng hưởng tại M tần số dịch trong một dải tần số K tương ứng của phần tử đó Như

vậy, số trường hợp dữ liệu tần số CFSC mà thẻ tag có thể mã hóa được tính theo biểu thức:

( 1)N

FSCC = M + (1.22) Kết quả này đưa ra dựa trên phân tích là mỗi phần tử không tạo ra tần số cộng hưởng

khi trên thẻ tag không có tích hợp phần tử đó hoặc tạo ra cộng hưởng tại một trong M tần số đã được thiết kế, do vậy số trường hợp tần số mã hóa đối với 1 phần tử cộng hưởng là

1

M + Áp dụng cho N phần tử thì tổng số trường hợp tần số mã hóa được tính theo công

thức (1.22) Số bit tương đối của phương pháp mã hóa FSC được tính như sau:

bản để triển khai phương pháp mã hóa FSC đó là thiết kế các phần tử cộng hưởng với M

bộ thông số khác nhau, sau đó khảo sát tần số cộng hưởng tạo ra của từng bộ thông số để

đánh dấu các tần số mã hóa tương ứng Thực hiện việc này cho tất cả N phần tử cộng

hưởng, sau đó thiết kế thẻ tag với thông số các phần tử tương ứng với dữ liệu tần số cần mã hóa Nếu đáp ứng tần số cộng hưởng thỏa mãn sai số F đối với các tần số mã hóa tương ứng đã đánh dấu, thì thẻ tag đó thỏa mãn phương pháp mã hóa FSC Tuy nhiên, phương pháp mã hóa FSC không làm giảm giới hạn sai số tần số cộng hưởng mã hóa cho phép F Vì vậy khi thẻ tag tích hợp nhiều phần tử cộng hưởng cũng có thể dẫn đến việc sinh ra các tần số cộng hưởng vượt quá giới hạn cho phép giống như phương pháp OOK Nguyên nhân và giải pháp để khắc phục hiện tượng sai lệch tần số mã hóa này sẽ được nghiên cứu đề xuất trong các phần tiếp theo của nội dung luận án

1.5 Các thách thức trong nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

Thông qua việc phân tích nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không chip, có thể nhận thấy khả năng mã hóa của thẻ tag thiết kế theo công nghệ này thấp hơn nhiều so với công nghệ định danh bằng sóng điện từ có sử dụng chip mã hóa Lý do cơ bản là số bit mã hóa của công nghệ sử dụng chip chỉ phụ thuộc giới hạn của bộ nhớ tích hợp trong chip mã hóa và có thể lên đến hàng triệu bit Trong khi đó, đối với công nghệ không sử dụng chip thì số bit tỷ lệ với số phần tử thụ động tích hợp trên thẻ tag, chịu giới hạn về kích thước vật lý và các giới hạn về xử lý tín hiệu khác Thực tế hiện nay số bit mã hóa của công nghệ này là nhỏ hơn 100 bit [35], do vậy để có thể ứng dụng trong các lĩnh vực cần số dữ liệu mã hóa lớn như bán lẻ thì yêu cầu cấp thiết đặt ra là cần phải nâng cao hiệu quả mã hóa Các khó khăn, thách thức trong việc nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có thể được liệt kê sau đây

Khó khăn đầu tiên của việc nâng cao hiệu quả mã hóa đó là xử lý tín hiệu phản hồi từ thẻ tag đến đầu đọc để phân tích được dữ liệu mã hóa theo thời gian hoặc tần số Theo thời gian, do vận tốc truyền của sóng điện từ trên đường tải thụ động là rất cao cho nên thẻ tag mã hóa dữ liệu bằng độ trễ tín hiệu phản hồi trong miền thời gian cần kích thước lớn, dẫn đến hiệu quả mã hóa dữ liệu không cao Thẻ tag mã hóa theo tần số cộng hưởng có khả năng mã hóa cao hơn, trong đó kiểu thẻ tag tán xạ ngược lại sóng điện từ có kích thước nhỏ hơn kiểu thẻ tag truyền lại sóng điện từ do không tích hợp ăng-ten thu phát Tuy vậy, đi kèm với ưu điểm là kích thước nhỏ, hiệu quả mã hóa dữ liệu cao hơn thì nhược điểm của loại thẻ tag tán xạ ngược sóng điện từ đó là thành phần tín hiệu phản hồi phức tạp Hơn nữa, thành phần tín hiệu mang thông tin tần số cộng hưởng mã hóa có biên độ nhỏ và khó xác định thời gian tách biệt với các thành phần của tín hiệu còn lại Với mục tiêu là nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định

22 danh bằng sóng điện từ thì luận án cần nghiên cứu sâu về tín hiệu của kiểu thẻ tag tán xạ ngược sóng điện từ để có phương pháp xác định được chính xác các tần số cộng hưởng Và do đây là dạng tín hiệu phức tạp nhất trong các kiểu thẻ tag mã hóa tần số cho nên việc nghiên cứu này là không dễ dàng

Khó khăn thứ hai trong việc nâng cao hiệu quả mã hóa cho công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip đó là đề xuất được giải pháp mã hóa dữ liệu nâng cao cho thẻ tag mã hóa tần số Theo lý thuyết mã hóa đã trình bày ở Mục 1.4, với cùng số lượng phần tử cộng hưởng mà thẻ tag định danh bằng sóng điện từ có thể tích hợp, có thể mã hóa theo hai phương pháp cơ bản là phương pháp OOK hoặc phương pháp FSC Trong đó, phương pháp OOK cho phép gán nhãn dữ liệu nhị phân đơn giản hơn cho thẻ tag do mỗi phần tử cộng hưởng tương ứng với một bit còn FSC cho khả năng mã hóa cao hơn Như vậy, cùng một kiểu thiết kế thẻ tag, nhưng phương pháp mã hóa dữ liệu khác nhau có thể làm tăng số trường hợp dữ liệu được mã hóa, hay nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag Từ đây đặt ra yêu cầu luận án cần phải nghiên cứu hướng đến mục tiêu đề xuất được giải pháp mã hóa dữ liệu tần số mới có khả năng mã hóa cao hơn các phương pháp mã hóa hiện tại

Khó khăn thứ ba cần giải quyết đó là nâng cao độ tin cậy của dữ liệu tần số mã hóa mà cụ thể đó là thiết kế được các cấu trúc thẻ tag mã hóa tần số xảy ra cộng hưởng trong các giới hạn sai số tần số mã hóa cho phép Vấn đề tần số cộng hưởng tương ứng của một phần tử trên thẻ tag bị thay đổi khi thẻ tag thay đổi các phần tử cộng hưởng còn lại để thay đổi dữ liệu mã hóa đã được đề cập đến trong nhiều bài báo [35], [36], [37], [38], [39], [40] Tuy nhiên, các phương pháp mà các bài báo này đề xuất chỉ hạn chế được một phần sự sai lệch tần số này và mang tính thủ công, chưa có phương pháp xử lý tổng quát Bên cạnh yêu cầu cộng hưởng tại tần số xác định, thì về biên độ cũng cần đảm bảo đạt ngưỡng tối thiểu để hệ thống có thể nhận dạng được Điều này là khó khăn khi hệ số phẩm chất của vật liệu chế tạo không cao hoặc các tần số mã hóa có độ chênh lệch thấp Nếu độ tin cậy của dữ liệu không đảm bảo, thì không thể sử dụng trường hợp dữ liệu mã hóa đó và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả mã hóa của thẻ tag Do vậy, luận án cần phải nghiên cứu nguyên nhân của vấn đề sai lệch tần số cộng hưởng mã hóa để từ đó đề xuất được giải pháp thiết kế thẻ tag mã hóa chính xác tại các tần số cộng hưởng mã hóa đặt ra

1.6 Kết luận Chương 1

Công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip kế thừa các ưu điểm nổi bật của công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống khi so sánh với công nghệ định danh bằng quang học như:khả năng định danh không cần thẳng hàng, đọc được nhiều mã dữ liệu trong một lần quét, dữ liệu mã hóa có tính bảo mật cao Ngoài ra, vì thiết kế thẻ tag theo công nghệ này không sử dụng chip nên giá thành rẻ, độ bền cao, dễ chế tạo cho nên có thể thay thế cho mã vạch hoặc mã QR trong lĩnh vực bán lẻ trong tương lai Tuy vậy, nhược điểm lớn hiện nay của công nghệ này đó là khả năng mã hóa dữ liệu thấp Chính vì vậy, vấn đề này cần được tập trung nghiên cứu để đề xuất giải

23 pháp mã hóa cũng như giải pháp thiết kế thẻ tag nhằm nâng cao hiệu quả mã hóa Nội dung của chương này đã trình bày các nguyên lý mã hóa, cũng như các phương pháp mã hóa hiện tại, từ đó làm cơ sở cho các hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án Đồng thời cũng cũng đặt ra các khó khăn, thách thức liên quan đến việc nâng cao hiệu quả mã hóa đồng thời đảm bảo sai lệch tần số cộng hưởng trong giới hạn cho phép để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu mã hóa Đây cũng là vấn đề trọng tâm mà luận án cần giải quyết để thực hiện được mục tiêu nâng cao hiệu quả mã hóa cho công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip

2.1 Biểu diễn toán học trường điện từ của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

Khi thẻ tag nhận sóng điện từ tới được phát ra từ đầu đọc thì sẽ xuất hiện các dòng điện cảm ứng trên lớp kim loại nhận sóng điện từ tới của thẻ tag đó Các dòng điện cảm ứng này sẽ tạo ra tín hiệu điện trường bức xạ lại đầu đọc Các tần số cộng hưởng mà thẻ tag mã hóa được thể hiện trong tín hiệu điện trường bức xạ này Do vậy, để xác định được các tần số cộng hưởng mã hóa thì phải cần biểu diễn được tín hiệu điện trường bức xạ của thẻ tag Về lý thuyết, ứng với dòng điện lớn nhất thì bức xạ điện từ là lớn nhất và xảy ra cộng hưởng tại tần số tương ứng với dòng điện lớn nhất đó Do mối liên hệ này dẫn đến yêu cầu cần thực hiện là biểu diễn được dòng điện trong thẻ tag phụ thuộc tần số Trong thẻ tag có nhiều dòng điện cảm ứng được sinh ra, có nghĩa là xảy ra cộng hưởng tại nhiều tần số khác nhau Vì vậy, để biểu diễn được các dòng điện này thì phương pháp được áp dụng là mô hình thẻ tag thành nhiều ăng-ten bức xạ điện từ và giải quyết vấn đề biểu diễn dòng điện trong các ăng-ten đó theo tần số Một ăng-ten đơn giản cộng hưởng tại một tần số có thể được xem tương đương với một mạch dao động RLC nối tiếp như Hình 2.1

Hình 2.1: Mô hình mạch RLC nối tiếp tương đương ăng-ten đơn giản

Phương trình vi phân về quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong mô hình mạch RLC tương đương của ăng-ten được thể hiện ở phương trình (2.1)

25 2

LC

 = (2.3) 0

01

Q

RC



= (2.4) Phương trình mẫu số của hàm tổng dẫn nạp Y s( ) bằng 0 được gọi là phương trình đặc trưng Tìm nghiệm của phương trình bậc 2 này để từ đó có thể biểu diễn lại Y s( )

theo dạng biểu thức (2.5) với các điểm cực chính là các nghiệm tìm được như sau:

01

0

2Q

 = − (2.6)

0

014

 = − (2.7)

1

1112

i t( )= D e−tcos(1t+ D) (2.9) Như vậy, dòng điện i t( ) có dạng hình sin và suy hao theo thời gian và biên độ ban đầu phụ thuộc vào điện áp đặt vào Tần số cộng hưởng của dòng điện 1

12



= được sử dụng làm tần số mã hóa đối với cấu trúc mã hóa dữ liệu bằng sóng điện từ

26 Theo lý thuyết, một cấu trúc thẻ tag mã hóa bằng sóng điện từ tồn tại số dòng điện

cảm ứng là vô cùng Tuy nhiên, chỉ xét theo N dòng điện có độ lớn đáng kể tại N tần số cộng hưởng tương ứng với N phần tử mã hóa thì biểu thức hàm của tổng dẫn nạp vào

của cấu trúc [42]

Hình 2.2: Mô tả các dòng điện cảm ứng trên thẻ tag

Xét về bức xạ điện từ của thẻ tag, các dòng điện cảm ứng xuất hiện trên bề mặt kim loại của cấu trúc thẻ tag khi nhận sóng điện từ tới được thể hiện ở Hình 2.2 Các dòng điện cảm ứng này sẽ bức xạ điện trường mang thông tin tần số mã hóa ngược lại đầu đọc Để thành lập được biểu thức của tín hiệu điện trường bức xạ này thì cần tính được bức xạ điện từ của một đơn vị diện tích r với mật độ dòng điện J tương ứng sinh ra tại

một điểm r trong không gian Điện trường này trong miền Laplace được thể hiện theo

số lan truyền của trường điện từ trong miền tần số phức và T là bề mặt kim loại của cấu

trúc thẻ tag G0 là hàm Green có giá trị vô hướng trong không gian, được tính theo biểu thức (2.12)

− (2.12)

27 Định nghĩa hàm G r r s( , ; ) theo biểu thức (2.13)

,

a =  da (2.14) Áp dụng (2.14) và (2.13) vào biểu thức (2.11) ta có biểu thức điện trường bức xạ được viết gọn lại theo (2.15)

ˆ s( ; ) inc( ; ) 0

t s + s =  r T (2.16) Từ (2.15) và (2.16) ta có biểu thức của liên hệ giữa mật độ dòng diện với điện trường tới trên bề mặt của thẻ tag như sau:

( ), , ( ) inc( )

r

  = −  r T (2.17) Để giải phương trình (2.17) tìm các dòng điện với điện trường tới đã biết theo lý thuyết là khó khăn do sự phức tạp về toán học Do đó, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để tính gần đúng Phổ biến hiện nay là phương pháp ước lượng moment (MoM), được thực hiện với phần mềm tính toán mô phỏng chuyên dụng [44] Theo đó

bề mặt thẻ tag sẽ được rời rạc thành N mắt lưới cách ly, sau đó áp dụng kỹ thuật Galerkin

để tính gần đúng nghiệm của phương trình tích phân nhằm xác định các dòng điện Từ đó, mỗi liên hệ giữa mật độ dòng điện và dòng diện cảm ứng có thể biểu diễn theo phương trình ma trận như sau:

mnJnIn

  = (2.18) Mật độ dòng điện được tính theo biểu thức (2.19)

1

J =  − I (2.19) Theo đó, ta có các điểm cực mang thông tin về tần số cộng hưởng của thẻ tag làm cho định thức của ma trận hệ số mn bằng 0

( )

det mnsk = 0 k =1, 2,3 (2.20) Về lý thuyết, tại các điểm cực này dòng điện xuất hiện trên thẻ tag sẽ dao động với tần số cộng hưởng tương ứng và biên độ giảm dần, do vậy mật độ dòng điện có thể được

biểu diễn theo mặt phẳng s như sau:

−

 (2.21) Trong đó, sn =an+ jn là điểm cực thứ n, mang thông tin về tần số cộng hưởng

2

f =  Để đảm bảo tính hội tụ của hệ thống đến trạng thái xác lập trong thực tế

28 thì theo định lý Mittag-Leffler cần có thêm hàm truyền J r se( ); [45], [46] Hàm trọng lượng a rn( );s được giả định có thể phân tích trong miền tần số theo dạng:

a rns =R sn J rn (2.22) Với ( )J rnđược gọi là chế độ tự nhiên của thẻ tag tại tần số cộng hưởng thứ n, còn

( )

nR s được hiểu là dư lượng phụ thuộc vào tần số của điểm cực Như vậy, thay (2.22) vào (2.21) ta có biểu diễn của mật độ dòng điện gần với điểm cựcs như sau: n

()( ) ( )( )() ( ) ( )



−

−



Phân tích về trường điện từ bức xạ theo điểm cực thì đáp ứng tín hiệu điện từ của thẻ tag với sóng điện từ đến và bức xạ lại theo hướng ˆr1 và rˆ2 theo mô hình của hệ thống định danh có thể biểu diễn theo biểu thức (2.27) với tổng của hai thành phần

1ˆ ˆ,

Nn

29 Trong đó, thành phần đầu tiên mô tả bức xạ điện từ phản hồi sau bao gồm các tần số cộng hưởng phức sn =n+ jn cùng với dư lượng Rn tương ứng và thành phần bức xạ điện từ phản hồi tức thời của thẻ tag mã hóa Mặc dù, về lý thuyết thẻ tag tạo ra vô hạn các điểm cực, tuy nhiên chỉ có một số điểm cực của các phần tử cộng hưởng mã hóa tạo

ra bức xạ đủ lớn Do vậy, trong biểu thức (2.27) giới hạn ở N điểm cực bằng với số các phần tử tạo tần số cộng hưởng được tích hợp trên thẻ tag Dư lượng Rn và thành phần

bức xạ điện từ phản hồi tức thời không phụ thuộc vào điểm cực, mà phụ thuộc vào môi trường bức xạ cũng như hướng và phân cực của ăng-ten thu phát Giả sử thẻ tag nhận được sóng điện từ có dạng xung đơn vị ( )t , thì bức xạ điện từ tại tần số gần với tần số

cộng hưởng thứ n được tính theo biểu thức như sau:

Theo đó, bức xạ điện từ được tính bao gồm ba thành phần, thành phần đầu tiên là

bức xạ từ tại tần số cộng hưởng thứ n, thành phần thứ hai chính là bức xạ điện từ hỗ cảm từ các phần tử cộng hưởng khác gây ra đối với phần tử cộng hưởng thứ n Thành phần

cuối là bức xạ điện từ phản hồi tức thời tại tần số f Hai thành phần bức xạ điện từ do n

hỗ cảm và phản hồi tức thời là nguyên nhân làm thay đổi biên độ tín hiệu bức xạ điện từ tại tần số cộng hưởng f Đây chính là nguyên nhân làm cho biên độ ở tần số này có n

thể không còn là lớn nhất mà điểm có biên độ lớn nhất bị dịch sang tần số khác Khi thẻ tag tích hợp số phần tử cộng hưởng khác nhau thì độ dịch tần số có biên độ cực đại này là khác nhau, do giá trị hỗ cảm đã bị thay đổi Vì vậy, nếu đánh giá theo điểm cực đại của biên độ để xác định tần số cộng hưởng phục vụ cho việc mã hóa dữ liệu điện từ thì độ tin cậy của dữ liệu không đảm bảo Đây là vấn đề chính được luận án tập trung nghiên cứu, đề xuất giải pháp xử lý triệt để và được trình bày ở nội dung các chương tiếp theo

2.2 Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng mã hóa đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

2.2.1 Xác định tần số cộng hưởng mã hóa dựa trên biến đổi Fourier

Ý tưởng cơ bản của biến đổi Fourier là bất kỳ tín hiệu hữu hạn xác định trong miền thời gian đều có thể được phân tách thành một tập hợp các tín hiệu hình sin có tần số, pha và biên độ khác nhau Sử dụng tính chất trực giao của các hàm sin, biên độ dạng phức và pha của tín hiệu được biểu diễn dưới dạng hàm của tần số Do vậy, về nguyên tắc có áp dụng phép biến đổi này để xác định các tần số cộng hưởng của tín hiệu bức xạ