Thiết Kế và Đánh Giá Hiệu Suất Các Giao Thức Truyền Thông Trong Hệ Thống RFID

• Tác giả: Hoang Trung Tuyen
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Thanh Chuyen
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Telecommunication Engineering
• Đề tài: Thiết Kế và Đánh Giá Hiệu Suất Các Giao Thức Truyền Thông Trong Hệ Thống RFID
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hanoi

Mục lục chi tiết

• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• ACKNOWLEDGEMENT
• CONTENTS
• 1. BACKGROUND OF STUDY
• 1.1. Introduction to the Internet of Things (IoT)
• 1.2. Radio Frequency Identification (RFID) Systems
• 1.3. Problem Statement and Literature Review
• 1.4. Anti-collision protocols/algorithms
• 1.5. Missing-tag Detection/Monitoring
• 2. PERFORMANCE ANALYSIS OF HYBRID ALOHA/CDMA RFID SYSTEMS WITH QUASI-DECORRELATING DETECTOR IN NOISY CHANNELS
• 2.1. System Description and Conventional Approach
• 2.2. Transmission Channel Model
• 2.3. Conventional Decorrelating Detector
• 2.4. Quasi-decorrelating Detector (QDD)
• 2.5. Performance Analysis of Tag Identification Efficiency
• 2.6. Performance Evaluation and Discussions
• 2.7. False Alarm and False Detection
• 3. ON THE DESIGN OF NOMA-ENHANCED BACKSCATTER COMMUNICATION SYSTEMS
• 3.1. Related Works and Motivation
• 3.2. Major Contributions and Organization
• 3.3. System Model and Conventional Approach
• 3.4. Proposed NOMA-Enhanced BackCom Systems
• 3.5. NOMA-Enhanced BackCom: Static Systems
• 3.6. NOMA-Enhanced BackCom: Dynamic Systems
• 3.7. Simulation Results and Discussions
• 3.8. Number of Successful Backscatter Nodes
• 3.9. Number of Successful Transmitted Bits
• 4. EFFICIENT MISSING-TAG EVENT DETECTION PROTOCOLS TO COPE WITH UNEXPECTED TAGS AND DETECTION ERROR IN RFID SYSTEMS
• 4.1. Communication Protocol: Aloha, Wireless Channel Model, and Detection Error
• 4.2. Proposed Missing-Tag Event Detection Protocols
• 4.3. Parameter Optimization under Impacts of Unexpected Tags and Detection Error
• 4.4. Expected Detection timeslots
• 4.5. Numerical Results and Discussions
• 4.6. False-Alarm and True-Alarm Probabilities
• 4.7. Performance Comparison with Conventional Protocols
• Abbreviation Meaning
• SYMBOLS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• INTRODUCTION

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Giao Thức Truyền Thông RFID Hiệu Quả

Hệ thống RFID (Radio Frequency Identification) ngày càng trở nên quan trọng trong Internet of Things (IoT) nhờ khả năng tự động nhận dạng và theo dõi đối tượng. Công nghệ này cho phép xác định và theo dõi một lượng lớn các thiết bị trong mạng IoT. Nghiên cứu tập trung vào giải quyết các vấn đề như chống xung đột thẻ và phát hiện thẻ bị mất. Chống xung đột thẻ liên quan đến việc giải quyết xung đột tín hiệu khi nhiều thẻ truyền đồng thời, dẫn đến giải mã tín hiệu không chính xác. Phát hiện thẻ bị mất tập trung vào thiết kế các giao thức đáng tin cậy để phát hiện và theo dõi các thẻ bị mất. Giải quyết những thách thức này rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống RFID trong các ứng dụng IoT.

1.1. Ứng Dụng Rộng Rãi Của Hệ Thống RFID Trong Thực Tiễn

Hệ thống RFID có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm quản lý chuỗi cung ứng, theo dõi tài sản, kiểm soát truy cập và thanh toán bán lẻ. Khả năng theo dõi các đối tượng và thiết bị một cách tự động và không cần tiếp xúc trực tiếp giúp cải thiện hiệu quả, giảm chi phí và tăng cường độ chính xác. Các hệ thống RFID cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện an ninh và an toàn trong các môi trường khác nhau. Theo tài liệu gốc, những tiến bộ trong công nghệ nhận dạng tự động đã thúc đẩy sự phát triển của RFID trong các ứng dụng IoT.

1.2. Các Thách Thức Cần Giải Quyết Trong Thiết Kế RFID

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế và triển khai hệ thống RFID hiệu quả vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những thách thức chính là giải quyết xung đột thẻ khi nhiều thẻ cố gắng truyền dữ liệu đồng thời. Các giao thức và thuật toán chống xung đột là rất quan trọng để đảm bảo rằng các thẻ có thể được xác định và đọc một cách chính xác. Một thách thức khác là phát hiện thẻ bị mất, đặc biệt trong các môi trường mà thẻ có thể bị loại bỏ, di chuyển hoặc bị hỏng. Phát triển các giao thức đáng tin cậy để phát hiện và theo dõi các thẻ bị mất là rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong quản lý chuỗi cung ứng và theo dõi tài sản.

II. Các Phương Pháp Chống Xung Đột Thẻ Trong Hệ Thống RFID

Xung đột thẻ là một vấn đề quan trọng trong hệ thống RFID, đặc biệt là trong các môi trường dày đặc, nơi nhiều thẻ cố gắng truyền đồng thời. Các giao thức chống xung đột thẻ được thiết kế để giảm thiểu xung đột và đảm bảo rằng các thẻ có thể được xác định và đọc một cách hiệu quả. Một số kỹ thuật chống xung đột khác nhau đã được phát triển, bao gồm đa truy cập phân chia theo mã (CDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập ngẫu nhiên (Aloha). Mỗi kỹ thuật có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Theo tài liệu gốc, CDMA được coi là một trong những giải pháp chống xung đột hứa hẹn nhất, đặc biệt đối với các hệ thống RFID dày đặc.

2.1. Giao Thức CDMA Code Division Multiple Access trong RFID

CDMA là một kỹ thuật đa truy cập cho phép nhiều thẻ truyền đồng thời bằng cách gán cho mỗi thẻ một mã giả trực giao duy nhất. Mã này cho phép bộ đọc phân biệt giữa các tín hiệu từ các thẻ khác nhau, ngay cả khi chúng truyền đồng thời. CDMA đặc biệt hữu ích trong các môi trường dày đặc, nơi nhiều thẻ có thể đang cố gắng truyền đồng thời. Bộ giải mã tương quan (DD) thường được sử dụng tại bộ đọc để giải mã tín hiệu trong CDMA. Tuy nhiên, theo tài liệu gốc, việc triển khai DD cũng có thể khuếch đại nhiễu nền, có khả năng làm giảm hiệu suất hệ thống.

2.2. Giải Pháp QDD Quasi Decorrelating Detector Thay Thế DD

Để khắc phục nhược điểm của việc khuếch đại nhiễu trong DD, bộ giải mã tương quan gần đúng (QDD) đã được nghiên cứu như một giải pháp thay thế. QDD nhằm mục đích giảm thiểu khuếch đại nhiễu trong khi vẫn duy trì hiệu suất giải mã tốt. QDD là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho kiến trúc bộ đọc trong các hệ thống RFID dựa trên CDMA. Theo tài liệu gốc, việc sử dụng QDD có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống RFID bằng cách giảm tác động của khuếch đại nhiễu.

2.3. Ưu Điểm Của NOMA Non Orthogonal Multiple Access Trong RFID

Một phương pháp tiếp cận gần đây để giảm xung đột thẻ là sử dụng NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access). NOMA cho phép nhiều thẻ được phục vụ đồng thời trên cùng một tài nguyên tần số/thời gian bằng cách sử dụng nguyên tắc giải mã triệt tiêu nhiễu tuần tự (SIC). Điều này đạt được bằng cách thiết kế các mức công suất truyền khác nhau. Theo tài liệu gốc, NOMA có thể cải thiện hiệu suất của các hệ thống RFID bằng cách cho phép nhiều thẻ truyền đồng thời mà không gây ra xung đột.

III. Phát Hiện Thẻ Bị Mất Hiệu Quả Trong Hệ Thống RFID Các Giải Pháp

Phát hiện thẻ bị mất là một vấn đề quan trọng trong hệ thống RFID, đặc biệt là trong các ứng dụng nơi cần theo dõi các đối tượng hoặc thiết bị. Phát hiện thẻ bị mất liên quan đến việc xác định khi một thẻ đã bị xóa, di chuyển hoặc không còn khả dụng. Nhiều giao thức phát hiện thẻ bị mất khác nhau đã được phát triển, nhưng nhiều giao thức trong số này giả định một hệ thống hoàn hảo chỉ bao gồm các thẻ đã biết. Trong thực tế, các thẻ không mong muốn có thể tồn tại trong hệ thống, dẫn đến các báo động sai và giảm hiệu suất. Theo tài liệu gốc, cần phải giảm thiểu tác động của các thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện trong các giao thức phát hiện thẻ bị mất.

3.1. Tác Động Của Thẻ Không Mong Muốn Đến Hiệu Suất RFID

Các thẻ không mong muốn, tức là các thẻ có ID không được bộ đọc RFID biết trước, có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong hệ thống RFID. Chúng có thể dẫn đến xung đột vô tuyến nghiêm trọng hơn và các quan sát sai về trạng thái của mỗi khe thời gian. Trong tình huống này, các giao thức phát hiện thẻ bị mất trước đây có thể báo cáo báo động sai về sự kiện. Do đó, cần phải phát triển các giao thức phát hiện thẻ bị mất mạnh mẽ, có thể chịu được sự hiện diện của các thẻ không mong muốn.

3.2. Ảnh Hưởng Của Lỗi Phát Hiện Đến Độ Tin Cậy Của RFID

Lỗi phát hiện là một vấn đề khác có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống RFID. Lỗi phát hiện có thể xảy ra do nhiều yếu tố, chẳng hạn như nhiễu, mờ nhiều đường và nhiễu. Khi cường độ tín hiệu nhận được tại bộ đọc giảm xuống dưới một ngưỡng độ nhạy nhất định, việc giải mã tín hiệu có thể không thành công, ngay cả trong các khe thời gian chỉ có một thẻ phản hồi. Theo tài liệu gốc, các giao thức phát hiện thẻ bị mất truyền thống có thể thường xuyên tạo ra báo động sai do lỗi phát hiện, yêu cầu thêm thời gian và tiêu thụ năng lượng.

3.3. Giao Thức mRUN1 và mRUN2 Cải Tiến Độ Chính Xác RFID

Các giao thức mRUN1 và mRUN2 được đề xuất nhằm giảm thiểu tác động của cả thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện trong các giao thức phát hiện sự kiện thẻ bị mất. Các giao thức này sử dụng một phương pháp tiếp cận mới để phát hiện thẻ bị mất có tính đến khả năng xuất hiện các thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện. Theo tài liệu gốc, các giao thức mRUN1 và mRUN2 có thể cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống RFID bằng cách giảm số lượng báo động sai do thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện.

IV. Nâng Cao Hiệu Suất Hệ Thống RFID với Giao Thức NOMA Enhanced

Hệ thống giao tiếp tán xạ ngược (BackCom) hỗ trợ NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống RFID. NOMA cho phép nhiều thẻ được phục vụ đồng thời trên cùng một tài nguyên tần số/thời gian bằng cách sử dụng nguyên tắc giải mã triệt tiêu nhiễu tuần tự (SIC). Điều này đạt được bằng cách thiết kế các mức công suất truyền khác nhau. Tuy nhiên, có một số nhược điểm đối với các khuôn khổ thiết kế BackCom hỗ trợ NOMA thông thường. Theo tài liệu gốc, cần phải phát triển các lược đồ mới để cải thiện hiệu suất của các hệ thống BackCom hỗ trợ NOMA thông thường.

4.1. Hạn Chế Của Phương Pháp Ghép Nhóm NOMA Ngẫu Nhiên

Trong các hệ thống BackCom hỗ trợ NOMA thông thường, các nút tán xạ ngược (BN) thường được chọn để ghép nhóm NOMA một cách ngẫu nhiên. Điều này có thể làm tăng khả năng giải mã tín hiệu không thành công do các vấn đề về kênh không dây bất lợi. Theo tài liệu gốc, cần phải phát triển các lược đồ chọn nhóm NOMA dựa trên xác suất giải mã thành công.

4.2. Vấn Đề Với Hệ Số Phản Xạ Công Suất Cố Định Trong RFID

Trong các hệ thống BackCom hỗ trợ NOMA thông thường, các BN được gán hệ số phản xạ công suất cố định dựa trên vị trí của chúng. Điều này có thể dẫn đến hiệu suất kém trong các điều kiện kênh thay đổi theo thời gian. Theo tài liệu gốc, cần phải phát triển các lược đồ điều chỉnh hệ số phản xạ công suất của BN dựa trên các điều kiện kênh hiện tại.

4.3. Yêu Cầu Về Lược Đồ Động Cho Hệ Thống RFID Thực Tế

Các khuôn khổ thiết kế thông thường cho các hệ thống BackCom hỗ trợ NOMA chỉ dành cho các hệ thống tĩnh. Trong các hệ thống thực tế, các BN có thể thường xuyên đi vào hoặc rời khỏi khu vực phủ sóng của bộ đọc, đòi hỏi các lược đồ động. Theo tài liệu gốc, cần phải phát triển các lược đồ động có thể thích ứng với việc thay đổi số lượng BN trong hệ thống.

V. Phân Tích Hiệu Suất Giao Thức Truyền Thông RFID Kết Quả

Hiệu suất của các giao thức truyền thông RFID có thể được phân tích bằng cách sử dụng nhiều số liệu khác nhau, chẳng hạn như hiệu quả nhận dạng thẻ, tỷ lệ báo động sai và thời gian phát hiện. Hiệu quả nhận dạng thẻ là tỷ lệ thẻ được xác định thành công, trong khi tỷ lệ báo động sai là tỷ lệ thẻ được báo cáo là bị mất khi chúng thực sự có mặt. Thời gian phát hiện là thời gian cần thiết để phát hiện thẻ bị mất. Theo tài liệu gốc, việc sử dụng QDD trong các hệ thống RFID dựa trên CDMA có thể cải thiện hiệu quả nhận dạng thẻ so với việc sử dụng DD.

5.1. Tối Ưu Hóa Tham Số Cho Giao Thức Phát Hiện Thẻ Bị Mất

Việc lựa chọn tham số tối ưu cho các giao thức phát hiện thẻ bị mất có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện. Theo tài liệu gốc, cần phải tối ưu hóa các tham số của các giao thức phát hiện thẻ bị mất để giảm thiểu tác động của các thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện.

5.2. So Sánh Các Giao Thức Phát Hiện Thẻ Bị Mất Khác Nhau

Nhiều giao thức phát hiện thẻ bị mất khác nhau đã được đề xuất trong văn học. Các giao thức này có thể được so sánh dựa trên hiệu suất, tỷ lệ báo động sai và thời gian phát hiện của chúng. Theo tài liệu gốc, các giao thức mRUN1 và mRUN2 được đề xuất có hiệu suất tốt hơn các giao thức phát hiện thẻ bị mất thông thường khi có mặt các thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện.

5.3. Mô Phỏng và Thảo Luận Kết Quả Thực Nghiệm

Kết quả mô phỏng và thảo luận về hiệu suất của các giao thức phát hiện thẻ bị mất có thể cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về ưu điểm và nhược điểm của các giao thức khác nhau. Theo tài liệu gốc, kết quả mô phỏng cho thấy rằng các giao thức mRUN1 và mRUN2 có thể giảm số lượng khe thời gian cần thiết để phát hiện thẻ bị mất so với các giao thức thông thường.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Giao Thức Truyền Thông RFID

Nghiên cứu này đã khám phá thiết kế và phân tích hiệu suất của các giao thức truyền thông trong hệ thống RFID. Các vấn đề quan trọng như xung đột thẻ và phát hiện thẻ bị mất đã được giải quyết bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như CDMA, QDD và NOMA. Các giao thức mRUN1 và mRUN2 được đề xuất nhằm giảm thiểu tác động của thẻ không mong muốn và lỗi phát hiện trong các giao thức phát hiện thẻ bị mất. Bằng cách xem xét các khía cạnh quan trọng này, có thể cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống RFID. Theo tài liệu gốc, nghiên cứu sâu hơn có thể được thực hiện trong các lĩnh vực như phát triển các giao thức chống xung đột hiệu quả hơn, cải thiện độ chính xác của các giao thức phát hiện thẻ bị mất và khám phá các ứng dụng mới của hệ thống RFID.

6.1. Nghiên Cứu Phát Triển Giao Thức Chống Xung Đột Hiệu Quả

Phát triển các giao thức chống xung đột hiệu quả hơn là một lĩnh vực quan trọng để nghiên cứu trong tương lai. Các giao thức này sẽ có thể giảm thiểu tác động của xung đột thẻ trong các môi trường dày đặc, cho phép cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống RFID. Các kỹ thuật như sử dụng các mã phức tạp hơn và triển khai các thuật toán xung đột tiên tiến có thể được khám phá để cải thiện hiệu suất của các giao thức chống xung đột.

6.2. Cải Thiện Độ Chính Xác Phát Hiện Thẻ Bị Mất

Cải thiện độ chính xác của các giao thức phát hiện thẻ bị mất là một lĩnh vực quan trọng khác để nghiên cứu trong tương lai. Các giao thức này sẽ có thể phát hiện thẻ bị mất với độ chính xác cao hơn, giảm số lượng báo động sai và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống RFID. Các kỹ thuật như sử dụng các cảm biến và thuật toán học máy tiên tiến có thể được khám phá để cải thiện độ chính xác của các giao thức phát hiện thẻ bị mất.

6.3. Khám Phá Ứng Dụng Mới Của Hệ Thống RFID Tiên Tiến

Việc khám phá các ứng dụng mới của hệ thống RFID là một lĩnh vực quan trọng để nghiên cứu trong tương lai. Hệ thống RFID có tiềm năng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm quản lý chuỗi cung ứng, chăm sóc sức khỏe và nhà thông minh. Bằng cách khám phá các ứng dụng mới của hệ thống RFID, chúng ta có thể mở khóa tiềm năng đầy đủ của công nghệ này và cải thiện cuộc sống của con người.