a. Cấu tạo trạm thu phí
Một hệ thống thu phí điện tử sẽ bao gồm hàng trăm nghìn đến hàng triệu tag và cả trăm điểm thu phí . Các điểm thu phí như những cánh tay thực thi chức năng chính của hệ thổng đó là thu phí tự động. Đây là bộ phận trực tiếp làm việc với các tag RFID vì vậy tại trạm thu sẽ bao gồm :
- Phần cứng :
+ Máy chủ trạm thu phí : vận hành hoạt động của trạm thu và liê kết với trung tâm.
+ Ngoài ra trạm còn tích hợp hệ thống VES ( nhận dạng biển số)và VAC ( xác định thông số xe )
-Phần mềm :
+ Phần mềm quản lý tại trạm thu phí địa phương
b. Cách thức hoạt đông của trạm thu phí :
- Giao thức giữa thẻ tag và đầu đọc reader:
Tùy từng loại thẻ mà ta có phạm vi tác động khác nhau. Đối với thẻ thụ động thì do phạm vi làm việc ngắn nên chủ phương thiện phải đưa thẻ lại gần angten của đầu đọc (angten thường đặt ngang tầm với người lái ) . Đối với các thẻ tích cực với phạm vi hoạt động rộng hơn rất nhiều thì chỉ cần đặt thẻ trên xe và đầu đọc có thể quét thẻ một khoảng khá xa ( 5m-10m) trước khi đến trạm thu phí. Chủ phương tiện hoàn toàn không cần giảm tốc độ xe hay trình thẻ.
Ta có 3 kiểu giao tiếp giữa reader và tag là : [9] + Kiểu điều chế Backscatter
+ Kiểu Trasmitter ( active tag only ) + Kiểu Transponder
Trước khi đi vào tìm hiểu từng loại giao tiêp ta sẽ giải thích 2 khái niệm “trường xa” và “trường gần”. Khu vực nằm giữa một anten của reader và một bước sóng đầy đủ của sóng RF ( sóng vô tuyến) được phát ra từ anten được gọi là trường gần. Còn khu vực nằm ở phía ngoài bước sóng đầy đủ đó thì được gọi là trường xa. Các hệ thống RFID thụ động hoạt động tại các tần số LF và HF thì sử dụng liên lạc trường gần,còn tại các tần số UHF thì sửdụng liên lạc trường xa. Cường độ của tín hiệu trong liên lạc trường gần bị giảm đimột lượng bằng lũy thừa bậc ba của khoảng cách tới anten của reader. Còn trong trường xa, nó giảm đi một lượng bằng bình phương của khoảng cách tới anten của reader.Từ đó dẫn đến một hệ quả là, liên lạc trường xa sẽ phù hợp hơn với phạm vi đọc lớn hơn so với liên lạc trường gần. [9]
+Kiểu Backscatter
Phương pháp truyền thông tin theo kiểu điều chế backscatter được triển khai với cả các thẻ thụ động cũng như là với các thẻ bán tích cực. Trong kiểu truyền thông tin này, reader gửi đi một tín hiệu sóng liên tục (CW) RF có bao gồm thêm tín hiệu năng lượng điện xoay chiều và tín hiệu xung tới thẻ tại tần số
của sóng mang (là tần số mà tại đó reader hoạt động). Thông qua đầu nối vật lý , anten của thẻ sẽ cung cấp năng lượng tới chip trên thẻ. Thông thường để phục vụ cho mục đích đọc thẻ, thành phần vi chip phải được đưa lên tới mức điện áp 1.2 vôn .Còn để thực hiện ghi, vi chip thường phải đưa lên khoảng 2.2 vôn từ tín hiệu của reader. Sau đó chip thực hiện điều chế hoặc phân chia tín hiệu đầu vào thành một dãy các mẫu on và off biểu thị dữ liệu của nó và thực hiện truyền dữ liệu đó trở lại. Khi reader nhận được tín hiệu đã được điều chế này, nó thực hiện giải mã mẫu và nhận được dữ liệu trên thẻ.Do đó, trong phương pháp truyền thông tin theo kiểu điều chế backscatter, reader luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước ,tiếp sau đó mới tới phiên thẻ.
Thẻ sử dụng kiểu truyền thông này sẽ không thể liên lạc được tại các thời điểm vắng mặt reader bởi vì nó phụ thuộc vào lượng năng lượng có trên reader để truyền dữ liệu của bản thân nó.
+ Kiểu transmitter
Kiểu truyền thông tin này chỉ được triển khai với các thẻ tích cực. Trong kiểutruyền thông này, thẻ phát đi các thông điệp của nó tới môi trường xung quanh theocác khoảng cách chuẩn, bất chấp có sự hiện diện hay vắng mặt reader. Do đó,trongkiểu truyền thông tin này, thẻ luôn luôn phải thực hiện "bắt chuyện" trước reader.
+ Kiểu transponder
Kiểu truyền thông tin này được triển khai với kiểu thẻ đặc biệt có tên là
transponder. Trong kiểu truyền thông tin này, thẻ thường ở trạng thái "ngủ" khi không có truy vấn từ bất cứ reader nào. Trong trạng thái này, thẻ phải gửi đi theo chu kỳ một thông điệp để kiểm tra xem có reader nào đang lắng nghe nó không. Khi một reader nhận được chẳng hạn một thông điệp truy vấn, nó có thể "đánh thức "thẻ để nó kết thúc trạng thái ”ngủ”. Khi thẻ nhận được lệnh này từ reader, nó thoát khỏi trạng thái hiện tại và bắt đầu hoạt động trở lại như một thẻ
transmitter. Dữ liệu trên thẻ chỉ được gửi đi khi có một reader cụ thể truy vấn nó. Trên thực tế thì người ta chủ yếu áp dụng kiểu Backscatter và Transmitter ở các trạm thu phí đường bộ do giao thông đi lại tại các tuyến đường là liên tục. Nhưng kiểu Transponder là một gải pháp tiết kiệm năng lượng và nâng cao tuổi thọ cho thiết bị tại trạm thu phí do không phải hoạt động liên tục.
Trên đây là những cách thức để reader và tag “ nói chuyện” với nhau . Vậy còn trong quá trình giao tiếp đó sẽ có những bài toán nào cần giải quyết. Ta sẽ tìm hiểu một số vấn đề:
- Một số vấn đề khi giao tiếp reader-tag + Xung đột thẻ :
Giao thức chỉ cho phép reader giao tiếp với một thẻ tại một thời điểm vì vậy nếu trường hợp có nhiều thẻ cùng cố gắng liên kết với reader (giao thông đông đúc) sẽ xảy ra hiện tương xung đột thẻ. Khi nhiều thẻ cùng phản hồi lại truy vấn của reader sẽ cần thuật toán cho phép đầu đọc sử “xung đột” này như :
+ALOHA cho các kiểu tần số thấp và cao + Tree-based cho các kiểu tần số sieu cao UHF
Đây là 2 thuật toán phổ biến cho phép reader nhận dạng vài thẻ trong chu kì thời gian rất ngăn và ta thấy gân như là cùng một lúc. Một giải thuật chống đụng độ phải thỏa mãn các đặc điểm sau:
+ Reader nhận dạng tất cả các thẻ trong tầm đọc + Reader có thể làm việc được từng thẻ riêng biệt + Rút ngắn thời gian được nhận dạng thẻ
-Phương pháp ALOHA : thường sử dụng cho tần số HF 13.56 MHz. Phương pháp này làm giảm sự đụng độ do mỗi thẻ truyền ID của thẻ vào những khoảng thời gian ngẫu nhiên. Phương pháp này không thể ngăn cản hoàn toàn sự đụng độ và xảy ra hiện tượng một thẻ không được nhận dạng trong một thời gian dài. Phương pháp này bao gồm các giải thuật dựa trên giải thuật ALOHA cơ bản Điền hình của phương pháp này là giải thuật Slotted ALOHA: đối vơi thủ tục này, các thẻ băt đầu broadcast ID của chúng ngay khi reader nạp năng lượng cho chung, Mỗi thẻ gởi ID của nó và chờ một khoảng thời gian random trước khi broadcast lại. Reader nhận lại các ID, mỗi thẻ sẽ broadcast trong khoảng thời gian các thẻ khác im lặng. Ưu điểm của thủ tục này là tốc độ và tính đơn giản. Cải tiến của Slotted ALOHA là khái niệm singulation và yêu cầu các thẻ chỉ broadcast vào lúc bắt đầu một khe thời gian nào đó vì thế nó làm giảm đụng độ một cách đáng kể. Slotted ALOHA sử dụng 3 lệnh chọn thẻ: REQUEST, SELECT và READER. Lệnh đầu tiên là REQUEST cung cấp tổng số lựa chọn khe thời gian của reader và thẻ sẽ lựa chọn khoảng thời gian ngẫu nhiên chờ trước khi trả lời REQUEST. Sau đó các thẻ broadcast ID ở những khe thời gian đã chọn. Khi nhận ID, reader phát lệnh SELECT chứa ID đó. Chỉ thẻ nào có ID này mới trả lời. Sau đó reader phát lệnh READ. Sau đó reader lại tiếp tục REQUEST Càng ít khe thì việc đọc càng nhanh, càng nhiều khe thì đụng đọ càng ít. READER có thể tăng tổng số khe nếu REQUEST bị đụng độ cho đến khi việc truyền ID không còn bị đụng độ. Thẻ sẽ ở trong trạng thái SLEEP khi đọc thành công, cho phép các thẻ khác có cơ hội được chọn cao hơn.
-Phương pháp cây tìm kiếm (tree-based:) thường sử dụng cho các thẻ ở tần số UHF. Phương pháp này lần lượt chia nhóm thẻ trong cùng một thời gian quan sát thành hai nhóm nhỏ hơn và cố gắng nhận diện từng thẻ. Theo cách chia cho đến khi nhóm chỉ có một thẻ, reader có thể nhận diện thẻ trong tầm đoc của reader. Phương pháp này không gây hiện tượng không không nhận dạng thẻ trong thời gian dài. Tuy nhiên phương pháp này tốn nhiều thời gian trễ hơn phương pháp ALOHA. Phương pháp bao gồm các giải thuật truy vấn và tìm kiếm nhị phân.
Điền hình của phương pháp này là giải thuật cây nhị phân thích ứng ( Adaptive Binary Tree ). Không giống như Slotted ALOHA, các thẻ sử dụng phương pháp này sẽ trả lời tức thời. Tuy nhiên nó chỉ đáp ứng thẻ với bit 1 hoặc bit 0 và thẻ có còn đáp ứng. Ta tìm một thẻ trong nhiều thẻ bằng cách dò tìm các bit trong ID thẻ. Khi bắt đầu sẽ hỏi: “ có thẻ nào bit đầu tiên là bit 1?”, trả lời có thì tiếp tục trả lời những câu kế tiếp, không thi dừng đáp ứng. Với cách này sẽ thu hẹp cho đến khi chỉ còn một thẻ trả lời. Trong trường hợp khả quan, reader có thể thu hẹp về một thẻ mà không phải tìm kiếm đến bit cuối cùng [10]
Hình 9 : Phương pháp tìm kiếm nhị phân
Việc xác định vị trí bit xung đột được thưc hiện bằng mã hóa Manchester
+ Xung đột reader :
Khi vùng đọc (hoặc là cửa sổ đọc) của hai hoặc nhiều reader ( reader ơ các làn đường ) chồng lên nhau, thì tín hiệu từ một reader có thể giao thoa với tín hiệu từ các reader khác, gây ra nhiễu tín hiệu. Hiện tượng này được gọi“ sự xung đột reader ”. Tình trạng này có thể phát sinh nếu như các anten hai reader này được cài đặt theo cách thức nào đó mà dẫn đến sự can thiệp phá hoại lẫn nhau (ví
dụ như, vùng phủ sóng của anten). Để tránhvấn đề này, ta phải điều chỉnh lại vị trí các anten của các reader để sao cho anten của một reader không đối diện trực tiếp với anten của reader khác. Nếu như không thể tránh khỏi việc có hai anten đối diện nhau, thì giải pháp nên làm là phân chia khoảng cách hiệu quả cho chúng để vùng đọc của chúng không chồng lên nhau. Ngoài ra, hai anten của cùng một reader cũng có thể tạo ra sự chồng lấp lên nhau nhưng nó không tạo sự xung đột reader, bởi vì năng lượng đi tới các anten là các chuyển dịch vật lý được thực hiện bởi reader theo cách mà chỉ có một anten hoạt động tại một thời điểm. Điều đó dẫn đến, sẽ không có cơ hội để hai hay nhiều angten của reader này phát ra các tín hiệu cùng lúc. Chúng ta cũng có thể sử dụng kỹ thuật khác, có tên gọi là TDMA ,để tránh sự xung đột reader.Trong kỹ thuật này, các reader sẽ được hướng dẫn để đọc tại các thời điểm khác nhau chứ không phải tất cả cùng đọc một lúc. Và như vậy, chỉ có angten của một reader là được hoạt động tại một thời điểm. Nhưng có một vấn đề phát sinh với phương pháp này là, một thẻ có thể được đọc nhiều hơn một lần bởi các reader khác nhau trong vùng đọc chồng chéo lên nhau. Do đó, cần phải áp dụng một vài cơ chế lọc thông minh bởi khối điều khiển để lọc ra các thẻ đã được đọc.
- Giải pháp chống đụng độ đầu đọc
+Đa truy cập phân theo thời gian (SDMA)
Trong phương pháp này, mỗi thẻ giao tiếp với đầu đọc khác nhau dựa vào góc định hướng khác nhau hay vị trí của nó so với đầu đọc. Để có thể định địa chỉ của các thẻ, không gian xung quanh reader phải được quét bằng các anten định hướng.
Hạn chế của kĩ thuật SDMA là liên quan đến việc cài đặt phức tạp cho angten. Sử dụng kĩ thuật này hạn chế được đụng độ trong một số hoàn cảnh cụ thể :
Hình 10: Đa truy cập phân theo không gian
- Đa truy cập phân theo tần số (FDMA)
Trong phương pháp này, một băng thông được chia nhỏ, mỗi dải băng này dùng một tần số sóng mang.
Bất lợi của FDMA là tốn chi phí cao cho reader. Ứng dụng này, vì thế vẫn còn giới hạn cho một vài ứng dụng chuyên biệt .
Thẻ 1 Thẻ 2 Thẻ 3 Thẻ 4 Thẻ 7 Thẻ 5 Thẻ 6 Đầu Đọc
Hình 11: Đa truy cập phân theo tần số
+Đa truy cập phân theo thời gian (TDMA)
Trong RFID, phương thức tránh gây ảnh hưởng giữa các tín hiệu được dùng rộng rãi nhất là TDMA. Đây là phương thức sử dụng việc phân chia dung lượng kênh có sẵn lần lượt cho các thẻ theo thứ tự thời gian.
Một thẻ được xác định đầu tiên từ một nhóm thẻ trong vùng phủ sóng của reader dựa trên một thuật toán. Sau đó việc truyền thông giữa reader và thẻ được thực hiện. Chỉ khi việc truyền thông này thực hiện xong thì việc lựa chọn các thẻ tiếp theo mới được thực hiện.
Thẻ 1 Thẻ 2 Thẻ 3 \ Thẻ 4 Thẻ 5 Thẻ 6 Đầu đọc
Hình 12: Các phương pháp điều khiển Reader
Phương thức reader điều khiển được chia ra thành hai phương thức nhỏ hơn là thăm dò và dò tìm nhị phân. Tất cả các phương thức này đều dựa trên cơ sở các thẻ được nhận dạng bằng một dãy số riêng biệt. [10]
+ Khả năng đọc thẻ:
Khả năng đọc thẻ là khả năng của một hệ thống RFID trong một môi trường hoạt động phổ biến có thể được định nghĩa là khả năng của hệ thống để đọc thành công dữ liệu từ một thẻ cụ thể. Khả năng đọc thẻ phụ thuộc vào một số các yếu tố. Để cung cấpkhả năng đọc thẻ tốt thì hệ thống RFID cần phải đọc thành công một thẻ ít nhất mộtlần. Để đảm bảo điều này, thì hệ thống nên được thiết kế sao cho số lần đọc một thẻ vừa đủ để ngay cả khi thẻ đọc lỗi vài lần thì vẫn có cơ hội tốt để một trong số lần đọc đó thành công sẽ cao hơn, tranh bỏ sót thẻ.
c. Vấn đề đồng bộ cơ sở dữ liệu giữa trạm thu và trung tâm
Một vấn đề không khó để nhận thấy đó là nếu mỗi lần một phương tiện đến trạm thu, quét đối tượng và phải so sánh với cơ sở dữ liệu tại máy chủ trung tâm sẽ tốn thời gian hơn nhiều và tiềm ẩn mất mất thông tin đường truyền so với việc đối chiếu với dữ liệu của trạm thu, đặc biệt khi giao thông đông đúc, hối hả. Nhưng vấn đề là dữ liệu tại trạm thu ở đâu. Nó chính là lấy từ cơ sở dữ liệu trung tâm . Nhưng cũng chính do vậy mà cần sự đồng bộ dữ liệu tại trạm thu và trung
tâm để đảm bảo luôn cập nhật thông tin kịp thời. Và thuật toán được đưa ra để giải quyêt vấn đề cập nhật thông tin hiệu quả.
Thuật toán 1: Nếu 5 phút lại cập nhật thông tin từ trung tâm một lần đảm bảo luôn cập nhật thông tin khách hàng mới nhất nhưng khi cơ sở dữ liệu lớn lên, khi các trạm cùng truy vấn một lúc sẽ đẫn đế ùn tắc thậm trí sập cơ sở dữ liệu ảnh hưởng toàn hệ thống , đặc biệt khi không có dữ liệu mới được nhập vào mà lại liên tục cập nhật vậy thật không hiệu quả. Mô hình thuật toán trên chỉ có thể áp dụng cho mô hình thu phí nhỏ trong đo chỉ có máy chủ trạm thu làm nhiệm vụ lấy thông tin. Không có sự phản hồi nào.
Thuật toán 2: Ta có một hướng đi khác đó là sự tương tác hay khi có sự bổ sung thông tin từ cơ sở dữ liệu trung tâm sẽ có lệnh gửi đến các máy chủ trạm thu yêu cầu cập nhật, ưu tiên trạm thu trong khu vực của đối tượng vừa gia nhập