BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG TRUNG TUYẾN

THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC
TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG RFID

Ngành: Kỹ thuật viễn thơng
Mã số: 9520208

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Hà Nội−2023


Cơng trình được hồn thành tại:
Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1.PGS.TS. Nguyễn Thành Chuyên
2.TS. Tô Thị Thảo

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội:
Vào hồi ...giờ, ngày ... tháng ... năm 2023

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Đại học Bách khoa Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


GIỚI THIỆU CHUNG
Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghệ nhận dạng sử dụng tần số vô tuyến (RFID) ngày càng trở nên phổ biến
trong các ứng dụng IoT. RFID được sử dụng để xác định, theo dõi một số lượng lớn
các đối tượng và thiết bị khác nhau trong mạng IoT. Gần đây, RFID đã thu hút rất
nhiều sự quan tâm, đầu tư nghiên cứu nhằm giải quyết các thách thức liên quan đến
cơng nghệ này. Một trong số đó là thách thức về (i) chống xung đột thẻ và (ii) giám
sát/phát hiện thẻ bị mất. Trong đó, chống xung đột thẻ tập trung vào việc giải quyết
xung đột do các thẻ truyền tín hiệu đồng thời đến đầu đọc. Điều này dẫn đến đầu đọc
không thể giải mã thành cơng tín hiệu từ các thẻ. Nói cách khác, đầu đọc khơng thể
nhận dạng chính xác các thẻ trong hệ thống. Mặt khác, vấn đề giám sát/phát hiện thẻ
bị mất nhằm thiết kế các giao thức đáng tin cậy có thể giám sát/phát hiện chính xác
liệu một số thẻ có bị mất hay khơng.
Để đối phó với vấn đề xung đột thẻ, nhiều giao thức truyền thông đã được đề xuất
trong những năm vừa qua. Các giao thức này thường dựa trên các kỹ thuật đa truy
cập khác nhau, lập lịch và kiểm soát thứ tự truyền của mỗi thẻ. Trong số đó, kỹ thuật
đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) được coi là một trong những giải pháp chống
xung đột hứa hẹn nhất, đặc biệt là đối với các hệ thống RFID dày đặc. Mỗi thẻ được
gán với một trong các mã giả có tính trực giao để có thể nhận dạng thành cơng nhiều
thẻ cùng một lúc. Trong trường hợp này, bộ tách sóng giải tương quan (Decorrelating
Detector - DD) thường được triển khai tại đầu đọc để giải mã tín hiệu truyền về từ các
thẻ. Tuy nhiên, việc triển khai DD cũng có thể làm tăng nhiễu nền (background noise)
và do đó, có thể làm giảm hiệu suất hệ thống. Để khắc phục nhược điểm của việc tăng
background noise trong DD, bộ tách sóng giả tương quan Quasi-Decorrelating Detector
(QDD) đã được nghiên cứu như một trong những giải pháp thay thế. Điều này thôi

thúc NCS nghiên cứu và đề xuất sử dụng QDD như một trong những giải pháp hiệu
quả nhất cho cấu trúc đầu đọc trong hệ thống RFID dựa trên CDMA.
Các thuật tốn/cơng nghệ truyền thơng và xử lý tín hiệu cũng đóng một vai trò
quan trọng trong việc giảm thiểu xung đột thẻ. Một trong những cách tiếp cận được
biết đến gần đây là kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA). NOMA cho phép
giải mã tín hiệu do nhiều thẻ truyền đồng thời đến đầu đọc bằng cách sử dụng bộ loại
bỏ nhiễu liên tiếp (Successive Interference Cancellation - SIC). Điều này đạt được nhờ
các mức công suất truyền được thiết kế khác nhau, cịn được gọi là NOMA miền cơng
suất (Power-Domain NOMA hay PD-NOMA). Trong một công bố gần đây của tác giả
Guo năm 2018, Guo đề xuất một khung thiết kế cho các hệ thống truyền thông tán xạ
ngược (BackScatter Communication - BackCom) (bao gồm cả RFID) bằng cách sử dụng
TDMA kết hợp và PD-NOMA. Cụ thể, các thiết bị tán xạ ngược (Backscatter Node 1


BN), tức là các thẻ được sắp xếp, phân loại vào các vùng khác nhau dựa trên mức năng
lượng của chúng. Sau đó, lược đồ ghép nối các thiết bị tán xạ dựa trên kỹ thuật NOMA
được triển khai. Các thiết bị tán xạ từ các vùng khác được ghép với nhau để tạo thành
nhóm nghép NOMA. Tuy nhiên, có ba nhược điểm lớn đối với khung thiết kế của Guo.
Một là, các thiết bị tán xạ BN được chọn ngẫu nhiên để tạo thành nhóm ghép NOMA,
điều này có thể làm tăng xác suất lỗi giải mã tín hiệu do các khiếm khuyết của kênh vô
tuyến. Hai là, các thiết bị tán xạ BN thuộc cùng một phân vùng được gán cố định hệ số
phản xạ công suất. Kết quả có thể làm giảm hiệu suất của hệ thống BackCom trước sự
thay đổi của kênh vô tuyến theo thời gian (time-varying channel). Thứ ba, khung thiết
kế này được sử dụng cho các hệ thống BackCom tĩnh. Tuy nhiên, trong các hệ thống
thực tế, các thiết bị tán xạ BN có thể thường xuyên xuất hiện hoặc ra khỏi vùng phủ
sóng của đầu đọc. Do đó, các lược đồ ghép nối thiết bị tán xạ cho hệ thống BackCom
động được hỗ trợ bởi NOMA cần phải được triển khai. Những hạn chế trong khung thiết
kế của Guo dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các lược đồ ghép nối thiết bị tán xạ
mới để nâng cao hiệu suất của các hệ thống BackCom hỗ trợ bởi NOMA thơng thường.
Chính vì vậy, luận án nhằm mục đích giải quyết những hạn chế này bằng cách đề xuất

các lược đồ ghép nối thiết bị tán xạ mới cho cả hệ thống BackCom tĩnh và động.
Mặt khác, vấn đề giám sát/phát hiện thẻ bị mất trong các hệ thống RFID đã được
nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm gần đây. Tuy nhiên, giám sát/phát hiện thẻ bị mất
vẫn là một vấn đề tương đối mới và chưa được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng. Nhiều
cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học đã giả định việc triển khai hệ thống là
hoàn hảo, trong đó hệ thống chỉ bao gồm các thẻ dự kiến (expected tag - các thẻ mà
đầu đọc đã biết được ID). Giả định này rõ ràng là không thực tế vì trong các hệ thống
thực ln ln tồn tại các thẻ không mong muốn (unexpected tag/unknown tag - thẻ
mà đầu đọc không biết được ID). Trong các trường hợp như vậy, các thẻ không mong
muốn vẫn gửi phản hồi về đầu đọc khi có truy vấn. Điều này có thể dẫn đến xung đột
tín hiệu nghiêm trọng tại các khe thời gian mà các thẻ (expected tag, unexpected tag)
gửi phản hồi. Hơn nữa, đầu đọc sẽ quan sát sai về trạng thái của các khe thời gian xảy
ra xung đột. Trong trường hợp này, các giao thức trước đây có thể đưa ra cảnh báo
sai khi phát hiện sự kiện mất thẻ. Hơn nữa, nhiều nghiên cứu hiện tại không xem xét
vấn đề detection error (lỗi phát hiện) do các khiếm khuyết của kênh vơ tuyến. Trong
khi đó, hiện tượng lỗi phát hiện được biết đến khá phổ biến trong các hệ thống RFID.
Cụ thể là, khi cường độ tín hiệu nhận được tại đầu đọc trong một khe thời gian giảm
xuống dưới mức ngưỡng độ nhạy nhất định (do ảnh hưởng của nhiễu, fading đa đường),
việc giải mã tín hiệu khơng thành cơng. Do đó, các giao thức phát hiện mất thẻ thơng
thường có thể thường xun đưa ra các cảnh báo sai cho quản trị viên hệ thống, bênh
cạnh đó mất nhiều thời gian và năng lượng tiêu thụ hơn. Sự không hiệu quả và không
đáng tin cậy này khiến các giao thức thông thường không cịn hiệu quả và đáng tin cậy.
Do đó, luận án được đề xuất để giảm thiểu tác động của các thẻ không mong muốn và
hiện tượng lỗi phát hiện trong các giao thức phát hiện sự kiện mất thẻ.

2


Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận án là đưa ra một khung thiết kế để nâng cao hiệu năng của

các giao thức truyền thông trong hệ thống RFID, bằng cách xem xét hai vấn đề quan
trọng là (i) chống xung đột thẻ và (ii) giám sát/phát hiện mất thẻ.
Để chống xung đột thẻ, mục tiêu của việc triển khai bộ tách sóng giả tương quan
QDD tại cấu trúc đầu đọc trong hệ thống lai ghép ALOHA/CDMA không chỉ cải thiện
hiệu suất nhận dạng thẻ mà còn khắc phục nhược điểm của tăng cường nhiễu nền
(background noise) khi sử dụng DD. Ngoài ra, để cải thiện hiệu suất cho các hệ thống
truyền thông tán xạ ngược thông thường BackCom được hỗ trợ bởi NOMA, các lược
đồ ghép nối thiết bị tán xạ/thẻ RFID mới cho cả hệ thống BackCom tĩnh và động được
nghiên cứu, đề xuất. Bên cạnh đó, lược đồ lựa chọn nhóm ghép nối NOMA dựa trên xác
suất giải mã thành công và lược đồ điều chỉnh hệ số phản xạ công suất của các thiết bị
tán xạ theo các điều kiện khác nhau của kênh truyền cũng được đề xuất.
Mặt khác, để giám sát/phát hiện mất thẻ, mục tiêu của luận án là thiết kế lại các
giao thức giám sát/phát hiện mất thẻ thông thường khi xét đến ảnh hưởng của các thẻ
không mong muốn và hiện tượng lỗi phát hiện (detection error).

Đóng góp mới của luận án
Luận án có 3 đóng góp mới như sau:
• Đóng góp đầu tiên của luận án là phân tích và đánh giá hiệu suất của các hệ

thống RFID lai ghép ALOHA/CDMA sử dụng bộ tách sóng giả tương quan QDD.
Nghiên cứu này đã được chứng minh cả về phân tích mơ hình tốn và mơ phỏng
máy tính để nâng cao hiệu quả của việc nhận dạng thẻ dưới tác động của kênh
vô tuyến. Kết quả đã được công bố trên Tạp chí REV Journal on Electronics and
Communications, 2019.
• Đóng góp thứ hai của luận án là đề xuất một khung thiết kế cho hệ thống truyền

thông tán xạ ngược BackCom tĩnh và động được tăng cường bởi NOMA. Đối với
hệ thống BackCom tĩnh, lược đồ ghép nối hai thiết bị tán xạ/thẻ RFID (Two-Node
Pairing - TNP) và lược đồ điều chỉnh hệ số phản xạ công suất (Adaptive Power
Reflection Coefficient - APRC) được đề xuất. Lược đồ TNP dự đốn và ngăn việc

truyền khơng thành cơng từ các nhóm ghép NOMA, trong khi đó, APRC điều chỉnh
các hệ số phản xạ công suất của các thiết bị tán xạ/thẻ RFID dựa trên sự thay đổi
của kênh truyền. Do đó, khả năng giải mã thành cơng trong các nhóm ghép NOMA
tăng lên. Đối với các hệ thống BackCom động, lược đồ ghép nhóm kích thước động
(Dynamic-Size Pairing - DSP) và lược đồ lai ghép APRC/DSP được đề xuất. Các
lược đồ này cải thiện hiệu suất về số lượng bit giải mã thành cơng cũng như là số
lượng nhóm ghép NOMA truyền thành công. Kết quả đã được công bố trên tạp chí
IEEE Open Access, 2023 (ISI).

3


• Đóng góp thứ ba của luận án là đề xuất hai giao thức phát hiện sự kiện mất thẻ

là mRUN1 và mRUN2 dựa trên việc cải tiến giao thức giám sát thẻ bị mất khi
xem xét sự có mặt của các thẻ không mong muốn (RFID monitoring protocol with
unexpected tags - RUN) và hiện tượng lỗi phát hiện (detection error). Hai giao thức
được đề xuất này sử dụng các bộ đếm (counter) tại cấu trúc của đầu đọc và thẻ
để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng lỗi phát hiện và đưa ra quyết định cảnh
báo sự kiện mất thẻ nếu bộ đếm đạt giá trị của ngưỡng mất thẻ đã được xác định
trước. Hai giao thức này được chứng minh tính khoa học, logic và chính xác thơng
qua phân tích mơ hình tốn và mơ phỏng Monte-Carlo. Kết quả chứng minh tốn
học và mơ phỏng máy tính cho thấy tính ưu việt so với các giao thức thơng thường
về xác suất cảnh báo đúng và cảnh báo sai. Kết quả đã được cơng bố trên tạp chí
Wireless Communications and Mobile Computing, 2019 (ISI).

4


Chương 1

CƠ SỞ CỦA NGHIÊN CỨU
1.1. Nền tảng nghiên cứu
1.1.1. Hệ thống nhận dạng vô tuyến (RFID)
RFID là công nghệ thu thập dữ liệu và nhận dạng tự động không tiếp xúc (Automatic
Identification and Data Capture - AIDC) bằng cách sử dụng tần số vô tuyến.
Thành phần của hệ thống RFID:
Hệ thống RFID bao gồm một đầu đọc, các thẻ và các phần mềm trung gian như mơ
tả trong Hình. 1.1.
Data

Reader

Clock
Energy

Contactless
data carrier =
Transponder

Coupling element
(coil, microwave antenna)

Application

Hình 1.1: Thành phần cơ bản của một hệ thống RFID.

Thẻ là thiết bị mang dữ liệu thực tế được gắn vào đối tượng để nhận dạng. Thẻ thu
năng lượng từ các truy vấn của đầu đọc, thực hiện tính tốn và truyền dữ liệu để phản
hồi các truy vấn tương ứng của đầu đọc. Đầu đọc là một thiết bị điện tử giao tiếp với
các thẻ bằng sóng vơ tuyến. Đầu đọc có thể cố định hoặc di động, tùy thuộc vào các

ứng dụng khác nhau. Phần mềm trung gian là một thành phần thiết yếu của hệ thống
RFID cho phép quản lý dữ liệu do đầu đọc RFID thu thập.
Giao thức truyền thông:
Giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong RFID là giao thức Aloha (Frame Slotted
Aloha). Trong giao thức FSA, nhiều thẻ có thể gửi phản hồi ngẫu nhiên tới đầu đọc
trong một frame với f timeslot (khe thời gian). Cụ thể là, khi bắt đầu thực hiện một
frame, đầu đọc sẽ gửi một lệnh truy vấn tới các thẻ cùng với thông tin về ⟨f, R⟩. Khi
nhận được lệnh truy vấn, mỗi thẻ sẽ chọn ngẫu nhiên một timeslot của frame để phản
hồi tới đầu đọc bằng cách tính tốn dựa trên hàm Hash, cụ thể là H(ID, R) mod f . Khi
thực hiện duyệt frame, đầu đọc có khả năng phân loại từng timeslot theo ba loại, đó là:
(i) empty slot - khơng có bất kỳ thẻ nào lựa chọn để gửi phản hồi, (ii) singleton slot chỉ có đúng một thẻ phản hồi và (iii) collision slot - có nhiều hơn một thẻ phản hồi.

5


1.2. Vấn đề nghiên cứu và các cơng trình liên quan đến đề tài
Trong các giao thức truyền thông RFID hiện tại, xung đột tín hiệu thường xảy ra
tại các timeslot, đặc biệt khi số lượng đầu đọc và/hoặc thẻ lớn. Điều này làm cho hiệu
suất hệ thống về thời gian và mức tiêu thụ năng lượng bị suy giảm nghiêm trọng. Vấn
đề xung đột tín hiệu được phân thành hai loại, đó là xung đột thẻ và xung đột đầu đọc.
Xung đột thẻ xảy ra khi nhiều thẻ cố gắng truyền dữ liệu đến đầu đọc cùng một lúc,
khiến đầu đọc khơng thể giải mã chính xác tín hiệu, dẫn đến thẻ không được nhận dạng.
Mặt khác, xung đột đầu đọc xảy ra khi nhiều đầu đọc lân cận nhau đồng thời gửi truy
vấn đến các thẻ trong cùng một vùng phủ sóng, khiến các thẻ khơng thể phân biệt các
truy vấn của đầu đọc nào để gửi phản hồi.

1.2.1. Các giao thức/thuật toán chống xung đột
Nguyên tắc của các giao thức/thuật tốn chống xung đột tín hiệu là giảm các timeslot
xung đột do truyền đồng thời từ các thẻ hoặc đầu đọc. Có ba cách tiếp cận khác nhau
để giải quyết vấn đề này, đó là:

Chống xung đột thẻ:
Trong phương pháp chống xung đột thẻ, các thẻ được kiểm soát bởi các đầu đọc
trong việc truyền dữ liệu một cách có tổ chức và hiệu quả, do đó giảm thiểu xung đột
và tối ưu hóa q trình nhận dạng thẻ. Nhiều giao thức giao tiếp giữa đầu đọc và các
thẻ chủ yếu dựa trên các kỹ thuật đa truy cập khác nhau. Trong số đó, FSA được biết
đến là giao thức dựa trên TDMA hiệu quả nhất và được sử dụng phổ biến trong các hệ
thống RFID để giảm thiểu xung đột. Trong FSA, một frame được tổ chức theo nhiều
timeslot, trong đó mỗi thẻ chỉ truyền ID của nó một lần trên mỗi frame để giảm thiểu
xung đột. Quá trình này được lặp lại cho đến khi các timeslot có xung đột tín hiệu
khơng cịn được phát hiện nữa. Nguyên tắc của FSA là nếu số lượng timeslot bằng tổng
số thẻ cần nhận dạng hay chính là bằng tổng số singleton slot thì các thẻ được xác định
trong frame là tối đa. Nói theo cách khác, hiệu suất nhận dạng là cực đại. Chính vì vậy,
hầu hết các giao thức dựa trên FSA đều cố gắng ước lượng tổng số thẻ bằng cách sử
dụng quan sát trạng thái của các timeslot. Tuy nhiên, độ chính xác của ước lượng có
thể bị ảnh hưởng bởi fading dẫn đến các hiện tượng khá phổ biến trong các kênh vô
tuyến như hiện tượng capture effect (CE) và detect error (DE). CE đề cập đến một thẻ
được xác định trong một timeslot xung đột khi SINR nhận được của nó cao hơn ngưỡng
độ nhạy thu của đầu đọc, trong khi DE xảy ra khi một thẻ không được phát hiện trong
một singleton slot do SNR nhận được của nó nhỏ hơn ngưỡng độ nhạy thu của đầu đọc.
Những hiện tượng này có thể dẫn đến các trạng thái của các timeslot được quan sát sai
và làm giảm độ chính xác ước lượng của các phương pháp thông thường.
Lập lịch đầu đọc:
Lập lịch đầu đọc hay lập kế hoạch trình đọc đề cập đến các quy trình được thiết kế
để lập lịch và điều phối các hoạt động của nhiều trình đọc để giảm thiểu xung đột trình
đọc. Cụ thể, cần phải giảm số lượng tần số cần thiết để giảm thiểu nhiễu đồng thời
6


giảm thiểu thời gian cần thiết để tất cả các đầu đọc giao tiếp với các thẻ tương ứng
trong vùng thẩm vấn của chúng.

Thuật tốn/cơng nghệ truyền thơng và xử lý tín hiệu:
Các thuật tốn/cơng nghệ truyền thơng và xử lý tín hiệu đóng một vai trị quan
trọng trong việc giảm thiểu xung đột tín hiệu trong các hệ thống RFID. Các cơng trình
khác nhau đã được nghiên cứu, dựa trên các cách tiếp cận khác nhau như CDMA và
đa truy cập không trực giao (NOMA).
Các giao thức chống va chạm dựa trên CDMA sử dụng mã giả ngẫu nhiên để tránh
xung đột tín hiệu và bộ tách sóng giải tương quan (DD) để loại bỏ nhiễu đa truy cập
(MAI) trong quá trình giải mã. Mã Gold thường được sử dụng làm mã PN và các bộ
tách sóng đa truy nhập (detector) được triển khai ở phía đầu đọc. Tuy nhiên, trong
thực tế, mã PN có thể khơng trực giao, gây ra nhiễu MAI. DD là một giải pháp hiệu
quả để loại bỏ MAI, mặc dù nó cũng có thể làm tăng nhiều nền (background noise).
Mặt khác, NOMA cho phép nhiều thẻ được phục vụ/phản hồi tại cùng một thời
điểm/tài nguyên tần số nhờ nguyên tắc loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) tại đầu đọc. Các
thẻ phản hồi đồng thời phải có các mức cơng suất truyền khác nhau, được gọi là NOMA
miền công suất (PD-NOMA). Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc sử dụng
NOMA trong các hệ thống BackCom, bao gồm cả RFID. Một số nghiên cứu của tác
giả Guo năm 2018 đã đề xuất khung thiết kế cho hệ thống BackCom được hỗ trợ bởi
NOMA trong việc sử dụng các lược đồ ghép nối các thiết bị tán xạ ngược BN.

1.2.2. Giám sát/phát hiện mất thẻ
Giám sát/phát hiện mất thẻ là vấn đề thực tế rất quan trọng. Vấn đề mất thẻ đề cập
đến việc theo dõi một tập hợp các thẻ, phát hiện và xác định các thẻ bị thiếu. Giám
sát/phát hiện mất thẻ nhằm mục đích thiết kế các giao thức phát hiện thẻ bị thiếu hiệu
quả trong các hệ thống thực tế với một số yêu cầu được xác định trước như độ tin cậy,
thời gian hoặc mức tiêu thụ năng lượng.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến các giao thức này là
sự tồn tại của các thẻ không mong muốn (unexpected tag). Trong trường hợp này, các
giao thức thông thường không thể ngăn cản sự can thiệp từ các thẻ không mong muốn,
dẫn đến giảm hiệu quả hoặc làm giảm độ tin cậy trong nhận dạng, phát hiện mất thẻ.
Để giải quyết vấn đề này, giao thức RUN đã được đề xuất, tuy nhiên, RUN hoàn tồn

khơng xét đến ảnh hưởng của hiện tượng lỗi phát hiện hay còn gọi là detection error
gây ra do các khiếm khuyết của kênh vô tuyến.

7


Chương 2
PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CỦA CÁC HỆ THỐNG RFID LAI
GHÉP ALOHA/CDMA SỬ DỤNG BỘ TÁCH SÓNG GIẢ
TƯƠNG QUAN QDD TRONG CÁC KÊNH CĨ NHIỄU
2.1. Giới thiệu chung
Như đã trình bày trong Chương 1, việc sử dụng bộ tách sóng giải tương quan DD tại
đầu đọc dẫn đến tăng background noise, do đó, trong chương này, NCS đã tập trung
nghiên cứu hiệu suất của các hệ thống RFID lai ghép ALOHA/CDMA bằng cách triển
khai bộ tách sóng giả tương quan QDD. QDD có thể khắc phục nhược điểm của việc
tăng background noise gây ra bởi DD. Bằng cách triển khai QDD tại cấu trúc đầu đọc,
về mặt lý thuyết, NCS phân tích hiệu suất nhận dạng thẻ của hệ thống RFID lai ghép
khi xem xét cả ảnh hưởng của vấn đề xung đột mã (khi các thẻ truyền/chia sẻ cùng
một mã) và hiện tượng lỗi phát hiện (false detection). Bên cạnh đó, NCS cũng nghiên
cứu tác động của QDD đối với hiệu suất phát hiện sự kiện thiếu thẻ, đây là một trong
những vấn đề quan trọng đối với các ứng dụng thực vế về thương mại dựa trên RFID.

2.2. Mô tả hệ thống và cách tiếp cận thông thường
2.2.1. Mơ hình hệ thống
Hệ thống RFID được xem xét bao gồm một đầu đọc và N thẻ CDMA như trong

f
f

f


Hình 2.1: Hệ thống RFID dựa trên CDMA với giao thức FSA.

Hình. 2.1. Mỗi thẻ có ID với 96 bit duy nhất và được gán ngẫu nhiên với một trong
các mã K , (K < N ) mã Gold của bộ mã GK . Để đơn giản trong phân tích thiết kế hệ
thống, mơ hình này NCS sử dụng mã Gold. Tuy nhiên, các loại mã khác có thể được
8


triển khai theo cách tương tự. Gọi cj là mã của thẻ j -th và các thẻ khác nhau có thể có
cùng mã.
Giao thức FSA được sử dụng trong hệ thống để nhận dạng thẻ. Mơ hình kênh AWGN
được lựa chọn để thực hiện các tính tốn và mơ phỏng trong đánh giá hiệu suất của hệ
thống.

2.2.2. Bộ giải tương quan DD
Bộ tách sóng giải tương quan được triển khai tại đầu đọc để phát hiện, giải mã tín
hiệu truyền từ các thẻ. Cấu trúc đầu đọc với DD được trình bày trong Hình. 2.2.
0

̂

−1

0

…

…


…

…
0

1

…

…

̃

1

…

+

…

cos

1̂

1

̂

Sample

at =

Hình 2.2: Cấu trúc đầu đọc với bộ giải tương quan DD.

Phân tích, tính tốn theo mơ hình tốn học để xác định xác suất lỗi bit của thẻ thứ
j được biểu thị bằng PeDD (j) như sau
 p

SNRj
.
PeDD (j) = Q  q
(2.1)
(R−1 )jj

2.3. Phân tích hiệu suất của hệ thống
2.3.1. Quasi-decorrelating Detector (QDD)
Bộ tách sóng giả tương quan QDD sử dụng ma trận Mϵ thay vì ma trận R−1 . Tín
hiệu đầu ra từ bộ lọc được minh họa như trong Hình. 2.3.
Xác suất lỗi bit của thẻ j -th được ký hiệu là PeQDD (j) được tính như sau
 1 N −1
PeQDD (j) =

×

2


X
x∈{−1,+1}
xj =−1


Q

(Mϵ R)jj

p

SNRj −
q

PN

i=1 (Mϵ R)ji xi
i̸=j

√

SNRi

(Mϵ RMTϵ )jj

N −1


,

(2.2)

2.3.2. Phân tích hiệu suất của hiệu suất nhận dạng thẻ
Hiệu suất hệ thống được định nghĩa là số lượng các thẻ trung bình được nhận dạng

thành cơng trong một timeslot. Cụ thể, gọi η là hiệu suất của hệ thống, η được tính như
9


…

…

…

…

…

…

()

matrix
filter

̂

…

…

…

matrix

filter

…

…

matrix
filter

…

…

Sample
at =

1

̂

()

…
0

…

…

0


…

1

…

…

̃( )

0

…

( )

+ )

…

cos(

1̂

1

()

Hình 2.3: Cấu trúc của bộ giải tương quan Quasi.


sau
η=

N
X

min(i,K)

Paloha (i)

i=1

X

aPd (a|i)Ps (a|i),

(2.3)

a=0

trong đó Paloha (i) là xác suất mà các thẻ i trong số N thẻ đồng thời truyền ID của chúng.
Pmin(i,K)
aPd (a|i)Ps (a|i) đại diện cho a trong số các thẻ i có thể được phát hiện thành
a=0
công trong một timeslot. Ở đây, Pd (a|i) là xác suất các thẻ a không bị xung đột, trong
khi Ps (a|i) là xác suất chúng được phát hiện thành công.

2.4. Đánh giá hiệu suất và thảo luận kết quả mô phỏng
2.4.1. Hiệu suất của hệ thống

Trong Fig. 2.4, NCS đưa ra kết quả mô phỏng về tỷ lệ lỗi bit (BER) (cả lý thuyết và
mô phỏng) của QDD và DD theo số lượng thẻ. Ngoài ra, NCS xác thực tính chính xác
của các kết quả nghiên cứu thơng qua việc trình bày các kết quả lý thuyết và mô phỏng
về hiệu suất của hệ thống η khi sử dụng QDD theo số lượng thẻ như trong Hình. 2.5.
Ngoài ra, NCS cũng đánh giá hiệu suất của hệ thống khi xem xét ảnh hưởng của
cả false detection và xung đột mã cho hệ thống khi sử dụng QDD hoặc DD. Hiệu suất
được trình bày theo sự thay đổi về giá trị của số lượng thẻ và số lượng mã như trong
Figs. 2.6 (a) và 2.6 (b). Chúng ta có thể thấy trong cả hai hình, hiệu suất của hệ thống
khi sử dụng QDD tốt hơn so với khi sử dụng DD.
Bên cạnh đó, NCS cũng trình bày kết quả về hiệu suất của hệ thống theo các giá trị
khác nhau của số lượng timeslot như trong Hình. 2.7(a) và Hình. 2.7(b).

2.4.2. Cảnh báo sai (False alarm) và phá hiện sai (False detection)
Tỷ lệ cảnh báo sai (False Alarm rate) và tỷ lệ phát hiện sai (False Detection rate),
được biểu thị tương ứng bằng Rfa = NNfa và Rfd = NNfd . Cụ thể, cảnh báo sai xảy ra khi
10


0.0146

12
DD Theoretical
DD Simulation
QDD Theoretical
QDD Simulation

11.5

System efficiency


0.0142

QDD Theoretical
QDD Simulation

BER

0.0138

0.0134

11

10.5

10

0.013
9.5

0.0126
1

4

7
10
13
Number of tags


16

9
500

19

Hình 2.4: Tỉ lệ BER của QDD và DD theo
số lượng thẻ, cho trước giá trị Lc =31, SNR=7
dB, ϵ = 3.

700

900
1100
Number of tags

1300

1500

Hình 2.5: Hiệu suất của hệ thống đối với số
lượng thẻ, cho trước f = 32, K = 30, Lc =
30, SNR = 7 dB.

3.2

4.5

3.1


System efficiency

System efficiency

4
3

2.9

2.8

3.5

3
2.7
DD
QDD
2.6
500

700

900
1100
Number of tags

DD
QDD
1300


2.5
25

1500

28

31

34

37

40

43

46

49

Number of codes

(a) Số lượng thẻ

(b) Số lượng mã

Hình 2.6: Hiệu suất, cho trước K = 30, f = 32, Lc = 31, SNR = 7 dB.
0.25


3.2

3.1

System efficiency

System efficiency

0.24

0.23

3

2.9

2.8

0.22
2.7
DD
QDD
0.21
20

25

30


35
40
Frame size

DD
QDD
45

2.6
20

50

(a) SNR = 5 dB

25

30

35
40
Frame size

45

50

(b) SNR = 7 dB

Hình 2.7: Hiệu suất của hệ thống với số lượng timeslot, cho trước N =1000, K = 30, Lc = 31.


11


một thẻ có trong hệ thống nhưng được thơng báo bị mất. Gọi Nfa là số lượng thẻ có
trong hệ thống nhưng được phát hiện là thẻ bị mất. Mặt khác, phát hiện sai xảy ra khi
một thẻ thực tế là bị mất nhưng lại được xác nhận là có trong hệ thống. Gọi Nfd là số
lượng thẻ bị mất trong thực tế được phát hiện là có trong hệ thống.
0.2

1

DD
QDD

DD
QDD
0.8

False detection rate

False alarm rate

0.16

0.12

0.08

0.04


0
-10

0.6

0.4

0.2

-5

0

5

0
-10

10

SNR (dB)

-5

0

5

10


SNR (dB)

(a) Tỉ lệ cảnh báo sai

(b) tỉ lệ phát hiện sai

Hình 2.8: Tỉ lệ cảnh báo sai và tỉ lệ phát hiện sai đối với SNR trong các giao thức phát hiện mất thẻ khi sử
dụng DD và QDD, cho trước N =1000, K = 15, f = 512, L = 4, Threshold = 0.3.

Tỉ lệ cảnh báo sai và phát hiện sai được trình bày theo các giá trị khác nhau của
SNR như trong Hình. 2.8(a) và Hình. 2.8(b)

2.5. Kết luận chương
Chương 2 đã nghiên cứu hiệu suất của hệ thống lai ghép ALOHA/CDMA RFID khi
sử dụng QDD và DD. Cấu trúc đầu đọc và hiệu suất của hệ thống khi sử dụng QDD
và DD đã được nghiên cứu lại trong bối cảnh của RFID. Hiệu suất của hệ thống được
phân tích trong các kịch bản thực tế với sự hiện diện của cả xung đột mã và lỗi phát
hiện. Các mô phỏng trên máy tính đã được thực hiện, cho thấy kết quả phân tích tốn
học và mơ phỏng về hiệu suất của hệ thống hoàn toàn trùng lặp với nhau. Bên cạnh đó,
các kết quả mơ phỏng cho thấy rằng các giao thức nhận dạng và phát hiện mất thẻ khi
sử dụng QDD tốt hơn so với khi sử dụng DD trong các kênh có nhiễu. Đóng góp này
đã được đăng trên Tạp chí REV Journal on Electronics and Communication, 2019.

12


Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TÁN XẠ NGƯỢC
ĐƯỢC TĂNG CƯỜNG BỞI KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP

KHÔNG TRỰC GIAO
3.1. Giới thiệu chung
Hệ thống truyền thông tán xạ ngược (BackCom) bao gồm hai thành phần chính là
đầu đọc và các thiết bị tán xạ ngược (Backscatter Node - BN). Mô hình đơn giản nhất
của hệ thống BackCom là hệ thống RFID. Trong đó, đầu đọc đảm nhiệm vai trị cung
cấp một nguồn năng lượng điện từ ổn định cho hoạt động của BN (hay các thẻ RFID).
Bên cạnh đó, đầu đọc thu nhận thông tin truyền về từ các BN. Các BN là các thiết bị
không sử dụng pin hay nguồn năng lượng tích cực khác mà tái sử dụng năng lượng sóng
điện từ được truyền tới từ đầu đọc. Trong quá trình giao tiếp, mỗi BN điều chỉnh trở
kháng anten của nó và giao tiếp với đầu đọc bằng cách phản xạ lại tín hiệu truyền từ
đầu đọc thơng qua các hệ số phản xạ. Một phần công suất tín hiệu truyền từ đầu đọc
được thu lại để cung cấp năng lượng cho mạch của BN. Phần công suất tín hiệu cịn lại
được phản xạ trở lại đầu đọc nhờ các hệ số phản xạ. Chính vì vậy, hệ thống BackCom
có thể truyền thơng tin sử dụng sóng vơ tuyến từ các thiết bị phát mà không yêu cầu
nguồn cung cấp năng lượng chuyên dụng (như pin hay các nguồn năng lượng tích cực)
cho BN. Các tính năng tiết kiệm năng lượng này làm cho hệ thống BackCom trở thành
một ứng viên tiềm năng cho các ứng dụng IoT trong các mạng không dây tương lai.
Để khai thác các lợi ích của các cơng nghệ nêu trên, sự kết hợp giữa kỹ thuật đa
truy nhập không trực giao NOMA và BackCom gần đây đã thu hút sự quan tâm nghiên
cứu của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Các hệ thống BackCom được hỗ trợ bởi
NOMA làm gia tăng tốc độ truyền dẫn, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần và tiết kiệm
năng lượng.

3.2. Mơ hình hệ thống và phương pháp tiếp cận
3.2.1. Mơ tả hệ thống
Hình. 3.1 mô tả hệ thống được xem xét bao gồm một đầu đọc và B thiết bị tán xạ
ngược (BN). Đầu đọc thu thập dữ liệu từ BN sử dụng cơ chế tán xạ ngược (backscattering). Ban đầu, đầu đọc gửi các truy vấn đến các BN. Khi nhận được truy vấn, các
BN gửi phản hồi tới đầu đọc trong các mini-timeslot (như Hình. 3.1 (b).

13



r
...

RI

Ts
B

Ts
B

Mini-slot for

Mini-slot for
single-node

b

G1 G2 ... GM
ξ2

RO

ξ1

Time-slot duration of Ts

a


b -node NOMA group

(a)

xi ( t )

y (t )

(b)

G1

G2

Antenna

BN i
Sensor
&
Controller

Apply SIC

ξ1

ξM

BN j


x j (t )
(c)
Reader

Backscatter Node

Incident RF signal

Backscatter signal

Hình 3.1: Minh họa về (a) mơ hình hệ thống, (b) cấu trúc timeslot và (c) hệ thống BackCom được hỗ trợ bởi
NOMA M = 2.

3.2.2. Cách tiếp cận thông thường
Như đã giới thiệu trong Phần Giới thiệu chung, khung thiết kế của tác giả Guo (2018)
tồn tại ba nhược điểm lớn. Một là, các thiết bị tán xạ BN được chọn ngẫu nhiên để tạo
thành nhóm ghép NOMA, điều này có thể làm tăng xác suất lỗi giải mã tín hiệu do các
khiếm khuyết của kênh vô tuyến. Hai là, các thiết bị tán xạ BN thuộc cùng một phân
vùng được gán cố định hệ số phản xạ cơng suất. Kết quả có thể làm giảm hiệu suất của
hệ thống BackCom trước sự thay đổi của kênh vô tuyến theo thời gian (time-varying
channel Ba là, khung thiết kế này được sử dụng cho các hệ thống BackCom tĩnh. Tuy
nhiên, trong các hệ thống thực tế, các thiết bị tán xạ BN có thể thường xuyên xuất
hiện hoặc ra khỏi vùng phủ sóng của đầu đọc.

3.3. Đề xuất hệ thống BackCom được hỗ trợ bởi NOMA
3.3.1. NOMA-Enhanced BackCom: Hệ thống tĩnh
Lược đồ ghép nối hai node (Two-Node Pairing - TNP)
Lược đồ TNP nhằm khắc phục nhược điểm đầu tiên của phương pháp ghép nối các
thiết bị tán xạ thông thường được Guo đề xuất. Cụ thể là, thay vì chọn ngẫu nhiên
BN từ các vùng khác nhau để ghép nhóm NOMA, TNP thực hiện ghép nhóm NOMA

dựa trên khả năng giải mã thành cơng tín hiệu từ các nhóm ghép. TNP có khả năng dự
đốn và ngăn chặn việc truyền hay giải mã khơng thành cơng từ các nhóm NOMA.
Lược đồ hệ số phản xạ cơng suất thích ứng (Adaptive Power Reflection
Coefficient - APRC)
14


lược đồ APRC nhằm giải quyết nhược điểm thứ hai của phương pháp ghép nối các
thiết bị tán xạ thông thường được Guo đề xuất. Cụ thể là, thay vì sử dụng các hệ số
phản xạ công suất cố định hay ξ = hằng số, đầu đọc có thể điều chỉnh các hệ số phản
xạ công suất ξ của mỗi thiết bị tán xạ tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền giữa đầu
đọc và các thiết bị tán xạ.

3.3.2. NOMA-Enhanced BackCom: Hệ thống động
Lược đồ ghép nhóm kích thước động (Dynamic-sized Pairing - DSP)
Lược đồ ghép nhóm kích thước động nhằm mục đích khắc phục nhược điểm thứ ba
của phương pháp ghép nối các thiết bị tán xạ thông thường được Guo đề xuất. DPS
được thực hiện để tăng số lượng nhóm ghép NOMA truyền thành cơng trong các hệ
thống BackCom động. Để thực hiện được mục tiêu này, DSP không phân chia các thiết
bị tán xạ vào các phân vùng khác nhau. Về quy mơ nhóm ghép NOMA với số lượng
các thiết bị tán xạ không nhất thiết phải là M . Hơn nữa, việc lựa chọn các thiết bị tán
xạ cho các nhóm NOMA khơng phải là ngẫu nhiên mà thực hiện tương tự như lược đồ
TNP.
Lược đồ ghép nối APRC/DSP
Các hệ số phản xạ công suất của các thiết bị tán xạ trong DSP là các giá trị không
đổi. Để nâng cao hơn nữa hiệu suất của các hệ thống BackCom động được hỗ trợ bởi
NOMA, lược đồ lai APRC/DSP được thực hiện trên cơ sở kết hợp của lược đồ APRC
và DSP.

3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận

3.4.1. Số lượng thiết bị tán xạ được ghép nối thành cơng
Đầu tiên, trong Hình. 3.2 (a), số lượng thiết bị tán xạ truyền thành cơng chuẩn hóa
của lược đồ ghép nối TNP và APRC được trình bày theo các giá trị khác nhau của γth .
Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng, lược đồ TNP và APRC đều vượt trội so với lược
đồ thông thường (conventional scheme do Guo đề xuất). Lý do là TNP và APRC có
thể tăng khả năng giải mã thành cơng trong các nhóm NOMA bằng cách ghép nối các
thiết bị tán xạ được lựa chọn (TNP), không phải lựa chọn ngẫu nhiên. Hơn nữa, APRC
có thể điều chỉnh các hệ số phản xạ công suất tùy thuộc vào điều kiện kênh truyền.
Hình 3.2 (b) minh họa kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng về số lượng thiết
bị tán xạ truyền thành cơng chuẩn hóa theo các giá trị khác nhau của γth . Kết quả
phân tích lý thuyết và mơ phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của mơ hình mà NCS
đề xuất. Bên cạnh đó, khi kích thước nhóm NOMA tăng lên, số lượng thiết bị tán xạ
truyền thành cơng được chuẩn hóa sẽ giảm như mơ tả trong Hình. 3.2 (c). Lý do là
kích thước nhóm NOMA lớn hơn làm giảm khả năng giải mã thành công trong các hệ
thống NOMA. Cuối cùng, trong Hình. 3.2 (d), NCS nghiên cứu hiệu suất của các hệ
thống BackCom được tăng cường NOMA động bằng lược đồ DSP. Kết quả mô phỏng

15


1
Normalized number of successful BNs

Normalized number of successful BNs

1

0.8

0.6


0.4

Proposed TNS Scheme
Proposed APRC Scheme
Conventional Scheme

0.2

0

0.8

0.6
P Tx = 27 dBm
P Tx = 25 dBm
P Tx = 23 dBm

0.4

P Tx = 21 dBm
Simulation

0.2
0

2

4
6

8 10 12 14 16
Channel threshold, γ th (dB)

18

20

6

8

(a)

20

(b)
1
M
M
M
M

0.8

Normalized number of successful BNs

1
Normalized number of successful BNs

10

12
14
16
18
Channel threshold, γ th (dB)

=5
=4
=3
=2

0.6

0.4

0.2

0

0.9
0.8
0.7
0.6
0.5

P Tx = 27 dBm

0.4

P Tx = 25 dBm


0.3

P Tx = 23 dBm
P Tx = 21 dBm

0.2
0

2

4
6
8 10 12 14 16
Channel threshold, γ th (dB)

18

20

6

(c)

8

10
12
14
16

18
Channel threshold, γ th (dB)

20

(d)

Hình 3.2: Số lượng thiết bị tán xạ truyền thành cơng chuẩn hóa.

cho thấy để số lượng các thiết bị tán xạ truyền thành cơng chuẩn hóa thì u cầu mức
cơng suất truyền cao hơn.

3.4.2. Số lượng bit truyền thành cơng trung bình
Trong Hình. 3.3, NCS đánh giá hiệu suất của các hệ thống BackCom được tăng cường
NOMA động về số bit được truyền thành cơng trung bình. Với kích thước nhóm NOMA
M = 5. Hình. 3.3(a) minh họa hiệu suất hệ thống với PT x = 25 dBm theo các giá trị
khác nhau của γth . Kết quả mô phỏng cho thấy, lược đồ APRC/DSP đạt được hiệu suất
tốt hơn lược đồ DSP với các giá trị khác nhau của γth . Lý do là APRC/DSP không chỉ
tận dụng ưu điểm của DSP mà cịn có thể điều chỉnh các hệ số phản xạ công suất dựa
theo APRC để tăng khả năng giải mã thành cơng trong các nhóm ghép NOMA. Các
kết quả quan sát tương tự như minh họa trong Hình. 3.3(b), trong đó γth = 10 dB.

16


(a)

(b)

Hình 3.3: So sánh hiệu suất giữa lược đồ DSP và APRC/DSP trong hệ thống BackCom được tăng cường bởi

NOMA.

3.5. Kết luận chương
Chương 3 đã đề xuất một khung thiết kế cho hệ thống truyền thông tán xạ ngược
BackCom tĩnh và động được tăng cường bởi NOMA. Các lược đồ ghép nối các thiết bị
tán xạ lần đầu tiên được đề xuất nhằm nâng cao hiệu suất cho hệ thống BackCom. Đối
với hệ thống BackCom tĩnh, lược đồ TNP và APRC được đề xuất. Lược đồ TNP dự
đoán và ngăn việc truyền khơng thành cơng từ các nhóm ghép NOMA, trong khi đó,
APRC điều chỉnh các hệ số phản xạ công suất của các thiết bị tán xạ dựa trên sự thay
đổi của kênh truyền. Do đó, khả năng giải mã thành cơng trong các nhóm ghép NOMA
tăng lên. Đối với các hệ thống BackCom động, lược đồ ghép ghép nhóm kích thước động
DSP và lược đồ lai ghép APRC/DSP được đề xuất. Các lược đồ này cải thiện hiệu suất
về số lượng bit giải mã thành công cũng như là số lượng nhóm ghép NOMA truyền
thành cơng. Các kết quả mô phỏng đã hỗ trợ việc lựa chọn đúng các tham số hệ thống
và xác nhận tính hiệu quả của các lược đồ đề xuất của NCS so với các lược đồ thơng
thường. Ngồi ra, thơng qua các kết quả thu được, NCS đưa ra khuyến cáo về quy mơ
của nhóm ghép NOMA khi sử dụng các lược đồ TNP và APRC. Bên cạnh đó, NCS
cũng chỉ ra rằng lược đồ APRC/DSP duy trì hiệu suất tốt hơn lược đồ DSP trong các
hệ thống BackCom được tăng cường NOMA động. Kết quả của đóng góp này đã được
cơng bố trên tạp chí IEEE Access, 2023 (ISI).

17


Chương 4
THIẾT KẾ GIAO THỨC PHÁT HIỆN SỰ KIỆN THẺ MẤT THẺ
TRONG CÁC HỆ THỐNG RFID KHI XEM XÉT ẢNH HƯỞNG
CỦA CÁC THẺ KHÔNG MONG MUỐN VÀ LỖI PHÁT HIỆN
4.1. Giới thiệu chung
Trong các ứng dụng thương mại dựa trên RFID, phát hiện kịp thời và chính xác các

sản phẩm, hàng hóa (được gắn với thẻ RFID) bị mất cắp trong thời gian thực là một
trong những nhiệm vụ cơ bản nhất cho mục đích quản lý và chống trộm. Trong nghiên
cứu gần đây, vấn đề mất thẻ đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học
trên tồn thế giới. Các cơng trình nghiên cứu đã đề xuất các giao thức/thuật toán khác
nhau để giải quyết vấn đề này.
Tuy nhiên, hầu hết các cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học đã giả định
việc triển khai hệ thống là hồn hảo, trong đó hệ thống chỉ bao gồm các thẻ dự kiến
(expected tag - các thẻ mà đầu đọc đã biết được ID). Giả định này rõ ràng là khơng thực
tế vì trong các hệ thống thực luôn luôn tồn tại các thẻ không mong muốn (unexpected
tag/unknown tag - thẻ mà đầu đọc không biết được ID). Trong các trường hợp như vậy,
các thẻ không mong muốn vẫn gửi phản hồi về đầu đọc khi có truy vấn. Điều này có
thể dẫn đến xung đột tín hiệu nghiêm trọng tại các khe thời gian mà các thẻ (expected
tag, unexpected tag) gửi phản hồi. Hơn nữa, đầu đọc sẽ quan sát sai về trạng thái của
các khe thời gian xảy ra xung đột. Trong trường hợp này, các giao thức trước đây có
thể đưa ra cảnh báo sai khi phát hiện sự kiện mất thẻ.
Để đối phó với các thẻ khơng mong muốn, một giao thức mới với tên gọi là RUN đã
được đề xuất. Tuy nhiên, RUN hoàn toàn bỏ qua cái gọi là lỗi phát hiện hay detection
error. Hiện tượng này là phổ biến và có thể dẫn đến quan sát sai các phản hồi của thẻ
trong các timeslot. Do đó, một slot có thể được coi là trống (empty) hay khơng có thẻ
nào phản hồi ngay cả khi một số thẻ phản hồi về đầu đọc trong timeslot đó. Do đó, các
giao thức phát hiện sự kiện mất thẻ thông thường như RUN có thể thường xuyên đưa
ra cảnh báo sai về sự kiện mất thẻ.

4.2. Mơ tả hệ thống
4.2.1. Mơ hình hệ thống
Hệ thống RFID xem xét được mơ tả trong Hình. 4.1 bao gồm một đầu đọc, tập hợp
các expected tag và các unexpected tag. Gọi tập các thẻ expected tag và unexpected
tag lần lượt là E và U. Đầu đọc có nhiệm vụ giám sát các thẻ thuộc tập expected tag.
Đầu đọc không biết số lượng các thẻ thuộc tập unexpected tag cũng như ID của các
18



Missing tag
Unexpected tag
Expected tag

Reader

Hình 4.1: Hệ thống RFID.

thẻ unexpected tag. Giả sử rằng, có m thẻ trong số các thẻ |E| được cho là bị mất khỏi
hệ thống, trong đó | · | là số lượng của một tập hợp và 0 ⩽ m ⩽ |E|. Nhiệm vụ chính
của nghiên cứu là thiết kế một giao thức/thuật toán hiệu quả có thể nhanh chóng phát
hiện một sự kiện mất thẻ với độ tin cậy thỏa mãn ≥ α, (0 ≤ α < 1) nếu m thỏa mãn lớn
hơn hoặc bằng ngưỡng mất thẻ cho trước, ký hiệu là T .

4.3. Các giao thức phát hiện sự kiện mất thẻ được đề xuất
Luận án đề xuất hai giao thức với tên gọi là mRUN1 và mRUN2, dựa trên việc cải
tiến giao thức RUN. Trong nghiên cứu này, các giao thức được đề xuất không chỉ xem
xét ảnh hưởng của các thẻ unexpected tag mà còn xem xét ảnh hưởng của hiện tượng
lỗi phát hiện (detection error). Hai giao thức giả định sử dụng các bộ đếm được triển
khai ở đầu đọc và các thẻ để giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng detection error.

4.3.1. Mơ tả giao thức
Mục đích sử dụng bộ đếm tại đầu đọc hay tại các thẻ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng
của lỗi phát hiện đến hiệu suất trong phát hiện sự kiện mất thẻ. Để phát hiện ra sự
kiện mất thẻ, giao thức đề xuất sử dụng giao thức FSA cho giao tiếp giữa đầu đọc và
các thẻ. Do biết trước được thông tin về ID của các thẻ expected tag nên đầu đọc hồn
tồn có thể biết trước được vị trí mà các thẻ này lựa chọn timeslot để gửi phản hồi. Do
đó, đầu đọc biết được timeslot nào là empty (khơng có thẻ phản hồi), non-empty (có

thẻ phản hồi). Khi thực hiện duyệt frame, bằng việc sử dụng các bộ đếm, nếu tại một
timeslot mà dự kiến là non-empty nhưng được quan sát thực tế là empty thì bộ đếm
tương ứng sẽ được tăng giá trị thêm 1. Nếu bất kỳ bộ đếm nào đạt đến giá trị ngưỡng
bộ đếm mà được xác định trước (ký hiệu là Cth ) thì mRUN1 và mRUN2 sẽ dừng quá
trình truy vấn và đưa ra kết luận về sự kiện mất thẻ trong hệ thống. Ngoài ra, để nâng
cao hiệu suất phát hiện sự kiện mất thẻ trong hệ thống, các giao thức đề xuất thực hiện
ước lượng số lượng thẻ unexpected tag |U| (do không biết trước về số lượng), tính tốn
số lượng timeslot fi+1 và số lượng frame cần thực thi ni+1 trước mỗi vòng đọc.
Giao thức mRUN1 sử dụng |E| bộ đếm tại các expected tag, ký hiệu bộ đếm của các
19


thẻ này là C11 , · · · , C1|E| . Giả sử tại frame thứ i-th, nếu sự kiện mất thẻ được phát hiện
trong một số timeslot thì bộ đếm của tất cả các thẻ expected tag liên quan đến các
timeslot này sẽ được tăng thêm 1. Sau đó, đầu đọc tiếp tục truyền một bản tin với cùng
thông tin về frame size và các random seed ⟨f, R⟩ cho các vòng đọc tiếp theo. Trong các
trường hợp khi không phát hiện bất kỳ thẻ bị mất nào, bộ đếm của các expected tag
được giữ nguyên và đầu đọc tiếp tục quá trình truyền đi các truy vấn với thông tin về
frame size và các random seed ⟨f, R⟩ khác nhau. Quá trình truy vẫn được lặp lại cho
đến khi bộ đếm của các expected tag thỏa mãn giá trị của Cth . Dựa trên cơ chế này, sự
kiện mất thẻ mà do các thẻ thực sự bị mất sẽ xảy ra một lần nữa tại cùng một timeslot.
Hơn nữa, khả năng mà các thẻ expected tag bị hệ thống báo là mất gây ra do lỗi phát
hiện (hiện tượng detection error) sẽ được giảm thiểu đáng kể.
Giao thức mRUN2 chỉ sử dụng một bộ đếm tại đầu đọc, ký hiệu bộ đếm là C2 . Giả
sử, sự kiện mất thẻ xảy ra khi thực hiện frame tại slot thứ i-th, bộ đếm của đầu đọc sẽ
được tăng thêm 1 và đầu đọc dừng quá trình duyệt các timeslot cịn lại sau slot thứ i-th.
Sau đó, đầu đọc tiếp tục gửi truy vấn với cùng thông tin về frame size và các random
seed ⟨f, R⟩ tới các thẻ. Nếu sự kiện mất thẻ vẫn được phát hiện tại cùng một timeslot
thì C2 sẽ tiếp tục được tăng thêm 1 và quá trình truy vấn sẽ được lặp lại cho đến khi
C2 đạt đến giá trị của Cth . Nếu trong quá trình gửi lại truy vấn để xác định sự kiện mất

thẻ tại slot thứ i-th mà sự kiện mất thẻ khơng được phát hiện thì C2 được đặt bằng 0
đồng thời đầu đọc sẽ truyền truy vấn với thông tin về frame size và random seed mới.
Điểu lưu ý là, giao thức mRUN2 khác với mRUN1 ở chỗ mRUN2 chỉ xử lý sự kiện mất
thẻ mà không xác định được chính xác các thẻ bị mất như mRUN1.

4.3.2. Tối ưu hóa tham số
Giao thức mRUN1, mRUN2 thực thi bằng cách nhanh chóng phát hiện sự kiện mất
thẻ trong hệ thống với độ tin cậy α, (0 ≤ α < 1) nếu số lượng thẻ bị mất m lớn hơn
hoặc bằng mức ngưỡng cho trước về sự kiện mất thẻ, ký hiệu là T . Do đó, các tham số
của hệ thống cần phải được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Để thực hiện
việc này, trước tiên các giao thức ước lượng số lượng thẻ không mong muốn |U|.
n
o
l
X01
i−1
1 X ln 1 − (1−Pde )(fl −kl )
n
o
|Ui | = −
.
(4.1)
i−1

ln 1 −

l=1

1
fl


Dựa trên giá trị ước lượng của |U|, các giá trị tối ưu của fi và ni lần lượt được xác
định như sau
1

f≥


1− 1−

1
(1−α) nT

1−Pde

20

 |U|+|1E|−m .

(4.2)


Tổng số timeslot S được sử dụng để phát hiện sự kiện mất thẻ là
n

S=


1− 1−


1

(1−α) nT
1−Pde

(4.3)

 |U|+|1E|−m .

Để tìm giá trị tối ưu của số lượng frame cần sử dụng n, thực hiện đạo hàm S theo n,
cuối cùng sử dụng phương pháp tìm kiếm Newton-Raphson để xác định giá trị tối ưu
của n.

4.3.3. Thời gian phát hiện sự kiện mất thẻ dự kiến
Gọi số lượng timeslot dự kiến cần dùng để phát hiện sự kiện mất thẻ của giao thức
mRUN1 và mRUN2 lần lượt được ký hiệu là D1 và D2 . Gọi g là xác suất mà sự kiện
mất thẻ được phát hiện tại timeslot thứ i-th trong tổng số f timeslot khi duyệt frame
là
"


|E| # 
m  
|E|+|U|−m
1
1
1
g = Pde 1 − 1 −
+ 1− 1−
.

(4.4)
1−
f

f

f

Do mRUN1 duyệt tất cả các timeslot của mỗi frame nên D1 có thể được tính như sau



E[D]
D1 =
+ 1 f + (Cth − 1) f,
(4.5)
f

trong đó ⌊a⌋ đại diện cho số nguyên lớn nhất nhỏ hơn hoặc bằng a.
Mặt khác, mRUN2 dừng duyệt các timeslot cịn lại tính từ vị trí timeslot xảy ra sự
kiện mất thẻ khi thực hiện frame. Do đó, D2 được tính như sau


 
E[D]
D2 = E[D] + (Cth − 1) E[D] −
f .
(4.6)
f


4.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận
|U| = 1000, |E| = 100, m = T, α = 0.9, Pde = 10 -2, Cth = 2

3000

3500

mRUN1 Theoretical
mRUN1 Simulation
mRUN2 Theoretical
mRUN2 Simulation

3000

2500

2000

No. of slots

No. of slots

2500

|U| = 1000, |E| = 100, α = 0.9, m = 1, T = 1, Cth = 2

2000
1500

1500


1000
1000
500
500
0
10-3

0
1

5

9

13

17

21

25

29

33

37

41


45

49

mRUN1 Theoretical
mRUN1 Simulation
mRUN2 Theoretical
mRUN2 Simulation
10-2

Detection error probability, Pde

No. of missing-tags

(a) Số lượng missing tags

(b) Detection error probability

Hình 4.2: Kết quả lý thuyết và mô phỏng về số lượng timeslot.
21

10-1


Hình. 4.2 mơ tả kết quả mơ phỏng và lý thuyết về số lượng timeslot được sử dụng
trong các giao thức được đề xuất khi biết trước giá trị ngưỡng mất thẻ. Xác suất lỗi
phát hiện Pde và ngưỡng Cth lần lượt được giả sử là 0, 01 và 2. Kết quả mô phỏng cho
thấy rằng kết quả lý thuyết hồn tồn phù hợp với kết quả mơ phỏng, điều này khẳng
định tính đúng đắn của nghiên cứu. Ngồi ra, mRUN1 sử dụng nhiều timeslot hơn để

phát hiện sự kiện mất thẻ so với mRUN2. Điều này là do trong khi mRUN2 chỉ xử lý
sự kiện mất thẻ thì mRUN1 cần xác định chính xác các thẻ bị mất.

4.4.1. Xác suất báo đúng và báo sai về sự kiện mất thẻ
Hiệu suất của hai giao thức được đề xuất còn được đánh giá thông qua xác suất báo
sai và xác suất báo đúng về sự kiện mất thẻ. Lần lượt ký hiệu hai giá trị xác suất này
ta lần là
lần lượt là Pfa và Pta . Cụ thể là, trong số Nm lần phát hiện sự kiện mất thẻ, Nm
fa lần là do lỗi phát hiện (ảnh hưởng của hiện
do các thẻ thực sự bị mất, trong khi Nm
ta + N fa . Theo đó, P và P tương ứng có
tượng detection error gây ra). Ở đây, Nm = Nm
ta
fa
m
ta
Nmfa
Nm
thể được tính là Pfa = Nm và Pta = Nm .

Probabilities

0.8

0.6

|U| = 1000; |E| = 100; m = 1; T = 1; α = 0.9

1


mRUN2 FA, Cth = 1

mRUN1 TA, Cth = 1
mRUN1 FA, Cth = 2
mRUN1 TA, Cth = 2

0.4

mRUN1 FA, Cth = 3

0.6

0.2

0.4

Detection error probability, P

0
10-3

10-1

mRUN2 TA, Cth = 2
mRUN2 FA, Cth = 3

0.2

10-2


mRUN2 TA, Cth = 1
mRUN2 FA, Cth = 2

mRUN1 TA, Cth = 3

0
10-3

|U| = 1000; |E| = 100; m = 1; T = 1; α = 0.9

0.8

mRUN1 FA, Cth = 1

Probabilities

1

mRUN2 TA, Cth = 3

10-2

Detection error probability, P

de

(a) mRUN1

10-1
de


(b) mRUN2

Hình 4.3: Xác suất báo đúng và xác suất báo sai về sự kiện mất thẻ.

Kết quả mô phỏng về xác suất báo đúng, báo sai về sự kiện mất thẻ được mơ tả
trong Hình. 4.3 (a) và 4.3 (b). Các giao thức được đề xuất dễ dàng đạt được hiệu suất
hoàn hảo với khả năng phát hiện sự kiện mất thẻ gần như 100% ngay cả với các giá trị
của Cth (Cth ≤ 2) không lớn. Tuy nhiên, khi Pde tăng lên, khả năng quan sát sai trạng
thái của timeslot cũng tăng lên. Do đó, số lần báo sai về sự kiện mất thẻ cũng tăng lên.

4.4.2. So sánh hiệu suất với các giao thức thông thường
NCS thực hiện so sánh hiệu suất của giao thức RUN1 và mRUN2 với hiệu suất của
các giao thức RUN và BMTD. Như kết quả trong Hình. 4.4 (a) trình bày về số lượng
các timeslot được sử dụng để phát hiện sự kiện mất thẻ. Kết quả mô phỏng cho thấy
rằng mặc dù mRUN1 và mRUN2 sử dụng nhiều timeslot hơn để phát hiện sự kiện mất
thẻ so với RUN và BMTD. Tuy nhiên, khi số lượng thẻ bị mất tăng lên thì số lượng
22


|U| = 1000, |E| = 100, α = 0.9, P
3000

de

= 10 -2, C

|U| = 1000; |E| = 100; m = 1; T = 1; α = 0.9; C

=2

1

RUN
BMTD
mRUN1
mRUN2

2000

th

=2

0.8

Probabilities

2500

No. of slots

th

1500

0.6

0.4

1000


RUN FA
BMTD FA
mRUN1 FA
mRUN2 FA
BMTD TA
RUN TA
mRUN1 TA
mRUN2 TA

0.2
500
0
10-3

0
1

5

9

13

17

21

25


29

33

37

41

45

49

10-2

10-1

Detection error probability, Pde

No. of missing-tags

(a) Số lượng timeslot

(b) Xác suất False-alarm (FA) và True-alarm (TA)

Hình 4.4: So sánh hiệu năng của các giao thức.

timeslot cần dùng cũng giảm đáng kể. Ngoài ra, xác suất báo đúng và xác suất báo sai
về sự kiện mất thẻ của các giao thức cũng được so sánh với nhau trong Hình. 4.4 (b).
Kết quả mơ phỏng cho thấy rằng ngay cả khi Pde nhỏ (10−3 ) thì RUN rõ ràng là khơng
đáng tin cậy (Pta ≈ 70%). Trong khi đó, các giao thức đề xuất đạt được gần 100%. Điều

này là do lỗi phát hiện (detection error) đã được tính đến trong các giao thức được đề
xuất và hiện tượng này hồn tồn khơng được xem xét trong RUN và BMTD.

4.5. Kết luận chương
Chương 4 đã nghiên cứu vấn đề phát hiện sự kiện mất thẻ trong các hệ thống RFID
xem xét sự ảnh hưởng của các thẻ unexpected tag và lỗi phát hiện (detection error).
Hai giao thức mRUN1 và mRUN2 đã được đề xuất bằng cách sử dụng nhiều vòng đọc
dựa trên Aloha và các bộ đếm giả sử được triển khai ở đầu đọc và các thẻ. Trong khi
mRUN2 chỉ xử lý sự kiện mất thẻ thì mRUN1 cịn xác định chính xác các thẻ bị mất.
Các kết quả mơ phỏng cho thấy tính hơp lý và khoa học của các phân tích, đánh giá.
Hiệu suất của các giao thức được đề xuất cũng được so sánh với các giao thức RUN và
BMTD. Kết quả so sánh cho thấy rằng mặc dù sử dụng nhiều timeslot hơn so với RUN
và BMTD, nhưng 2 mRUN1, mRUN2 cho kết quả gần như giống với RUN và BMTD
khi xác suất lỗi phát hiện hoặc số lượng thẻ bị thiếu tiếp tục tăng lên. Hơn nữa, các giao
thức được đề xuất thể hiện hiệu suất tốt hơn khi đưa ra cảnh báo sai thấp hơn và cảnh
báo đúng cao hơn nhiều so với RUN và BMTD. Các kết quả đã chứng minh tính hiệu
quả và độ tin cậy của các giao thức được đề xuất. Kết quả của đóng góp này đã được
cơng bố trên tạp chí Wireless Communications and Mobile Computing, 2019 (ISI).

23