Nghiên cứu cơ chế giải quyết xung đột thẻ theo hướng tiếp cận tdma và ứng dụng cho bộ đọc sm

Trang 1


Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Dương Anh Đức, thầy đã hỗ
trợ rất nhiệt tình giúp tôi có hướng đi đúng đắn trong quá trình thực hiện đề tài.

Đồng thời, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Trương Thiên Đỉnh, thầy đã
tạo điều kiện rất nhiều cũng như những ý kiến đóng góp, tranh luận giúp tôi hiểu rõ
thêm vấn đề. Tôi cũng muốn gởi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Dương Huỳnh
Bảo, anh đã bỏ công sức thiết kế, hoàn thiện bộ đọc và hỗ trợ về mặt phần cứng
trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài.

Cuối cùng, con xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mẹ và gia đình đã luôn động viên, lo
lắng và chăm sóc con chu đáo trong thời gian qua, nhất là trong thời gian con làm
luận văn.

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể nhưng
khóa luận chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Tôi rất mong nhận
được sự góp ý và tận tình chỉ bảo của quý Thầy, Cô và các bạn.

Kính chúc sức khỏe đến tất cả.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2012

Trang 2


Mục lục
Danh mục hình ảnh 6

Danh mục bảng biểu 9
Chương 1 Mở đầu 11
1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID 11
1.1.1 Lịch sử phát triển RFID 11
1.1.2 Các loại thẻ RFID 12
1.1.3 Vùng năng lượng RFID 14
1.1.4 Tần số hoạt động RFID 15
1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ RFID 16
1.3 Nhu cầu thực tế 18
1.4 Mục tiêu của luận văn 18
1.5 Nội dung của luận văn 19
Chương 2 Các hướng tiếp cận giải quyết xung đột thẻ 20
2.1 Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) 20
2.2 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) 22
2.3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 24
2.4 Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) 28
Chương 3 Các thuật toán giải quyết xung đột thẻ ALOHA-based 30
3.1 Pure ALOHA 30
3.1.1 Ý tưởng 31
3.1.2 Thuật toán 31
3.1.3 Lý thuyết phân phối Poisson 32
3.1.4 Phân tích 34
3.2 Slotted ALOHA (S-ALOHA) 36
3.2.1 Ý tưởng 36
3.2.2 Thuật toán 37
3.2.3 Phân tích 38
3.3 Frame Slotted ALOHA (FS-ALOHA) 40
Trang 3

3.3.1 Ý tưởng 40
3.3.2 Thuật toán 41
3.3.3 Phân tích 42
3.4 Dynamic Frame Slotted ALOHA (DFS-ALOHA) 45
3.4.1 Ý tưởng 46
3.4.2 Thuật toán 46
3.4.3 Phương pháp Schoute 47
3.4.4 Phương pháp Vogt 50
Chương 4 Các thuật toán giải quyết xung đột thẻ Tree-based 56
4.1 Tổng quan 56
4.1.1 Mã hóa NRZ 57
4.1.2 Mã hóa Manchester 58
4.2 Binary Tree (BT) 59
4.2.1 Thuật toán 59
4.2.2 Ví dụ 60
4.2.3 Phân tích 63
4.3 Dynamic Binary Tree (DBT) 65
4.3.1 Thuật toán 65
4.3.2 Ví dụ 66
4.3.3 Phân tích 68
4.4 Phương pháp cải tiến DBT 69
4.4.1 Consecutive DBT (CDBT) 69
4.4.2 Position DBT (PDBT) 72
4.5 Query Tree (QT) 75
4.5.1 Khái niệm 75
4.5.2 Thuật toán 76
4.5.3 Ví dụ 77
4.5.4 Phân tích 79
4.6 Bit collision detection Based Query Tree (BQT) 82
4.6.1 Thuật toán 82

4.6.2 Ví dụ 84
Trang 4


4.6.3 Phân tích 86
Chương 5 Tìm hiểu về công nghệ MIFARE 90
5.1 MIFARE RF Interface 90
5.1.1 Truyền năng luợng 91
5.1.2 Truyền dữ liệu từ bộ đọc đến thẻ 92
5.1.3 Truyền dữ liệu từ thẻ đến bộ đọc 93
5.2 Ăngten bộ đọc 94
5.2.1 Kích thước ăngten bộ đọc 95
5.2.2 Ảnh hưởng của môi trường 96
5.3 Thẻ MIFARE Classic (Standard) 97
5.3.1 Giới thiệu 97
5.3.2 Nguyên lý giao tiếp 98
5.3.3 Tính toàn vẹn dữ liệu 99
5.3.4 Quá trình chứng thực 3 bước 100
5.3.5 Tổ chức vùng nhớ 102
5.3.6 Truy xuất vùng nhớ 103
5.3.7 Tập lệnh 105
Chương 6 Áp dụng giải quyết xung đột thẻ trong bộ đọc SM 106
6.1 Giới thiệu 106
6.2 Các thành phần của bộ đọc SM 107
6.2.1 LPC1343 107
6.2.2 CLRC632 107
6.3 Giải quyết xung đột thẻ theo chuẩn ISO/IEC 14443A 108
6.3.1 Cấu trúc frame 109
6.3.2 Các trạng thái thẻ 112
6.3.3 Tập lệnh hỗ trợ 115

6.3.4 Tiến trình xác định UID của các thẻ 118
6.3.5 Thuật toán giải quyết xung đột thẻ 119
6.4 Xây dựng hệ thống minh họa thuật toán 123
6.4.1 Firmware 123
6.4.2 Ứng dụng 130
Trang 5


6.4.3 Đánh giá thực nghiệm 132
Chương 7 Kết luận 137
7.1 Một số kết quả đạt được 137
7.2 Hướng phát triển 138
Tài liệu tham khảo 140

Trang 6


Danh mục hình ảnh
Hình 2.1 Phương pháp ASDMA với một ăng-ten điều hướng điện tử 21
Hình 2.2 Đa truy cập phân chia theo tần số 23
Hình 2.3 Sử dụng kênh truyền trong FDMA 24
Hình 2.4 Đa truy cập phân chia theo mã 25
Hình 2.5 Sử dụng kênh truyền trong CDMA 26
Hình 2.6 Đa truy cập phân chia theo thời gian 28
Hình 2.7 Sử dụng kênh truyền trong TDMA 29
Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán Pure ALOHA theo thời gian 32
Hình 3.2 Xung đột gói tin trong thuật toán Pure ALOHA 34
Hình 3.3 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa S và G trong thuật toán Pure ALOHA 35
Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán Slotted ALOHA theo thời gian 37
Hình 3.5 Xung đột gói tin trong thuật toán Slotted ALOHA 38

Hình 3.6 Đồ thị so sánh throughput giữa thuật toán Pure ALOHA và Slotted ALOHA 39
Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán Frame Slotted ALOHA theo thời gian 41
Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán Frame Slotted ALOHA theo thời gian 46
Hình 3.9 Đồ thị so sánh trọng số lỗi giữa
lb
và
vd
52
Hình 3.10 Kết quả thực nghiệm việc chọn kích thước frame 53
Hình 4.1 Mã hóa NRZ 57
Hình 4.2 Dữ liệu nhận được theo mã hóa NRZ 58
Hình 4.3 Mã hóa Manchester 58
Hình 4.4 Dữ liệu nhận được theo mã hóa Manchester 59
Hình 4.5 Cấu trúc Binary Tree (k = 3, m = 4) 60
Hình 4.6 Cấu trúc Binary Tree trong ví dụ 63
Hình 4.7 Dữ liệu dư thừa trong thuật toán Binary Tree 65
Hình 4.8 Chu kỳ 1 trong ví dụ Dyanamic Binary Tree 66
Hình 4.9 Chu kỳ 2 trong ví dụ Dyanamic Binary Tree 67
Hình 4.10 Chu kỳ 3 trong ví dụ Dyanamic Binary Tree 67
Trang 7


Hình 4.11 Cấu trúc Dynamic Binary Tree trong ví dụ 67
Hình 4.12 Đồ thị so sánh độ phức tạp tính toán giữa CDBS
best-case
và DBS 71
Hình 4.13 Đồ thị so sánh độ phức tạp tính toán giữa CDBS
worst-case
và DBS 72
Hình 4.14 Đồ thị so sánh chi phí bộ nhớ phía bộ đọc giữa DBT và PDBT 74

Hình 4.15 Cấu trúc Query Tree trong ví dụ 75
Hình 4.16 Sơ đồ thuật toán BQT 83
Hình 4.17 Cây BQT với n=4, k=2 87
Hình 4.18 Cây BQT với n=2, k=2 trường hợp tốt nhất 87
Hình 4.19 Cây BQT với n=2, k=2 trường hợp xấu nhất 87
Hình 5.1 Nguyên lý giao tiếp MIFARE 90
Hình 5.2 Mô hình truyền năng lượng 92
Hình 5.3 Tín hiệu điển hình truyền từ bộ đọc tới thẻ 92
Hình 5.4 Mã Miller khi truyền dữ liệu từ bộ đọc đến thẻ 93
Hình 5.5 Nguyên lý điều chế sóng mang phụ 94
Hình 5.6 Hệ số ghép đôi và đường kính ăngten 96
Hình 5.7 Sơ đồ khối chip MF1S503x/MF1S703x 98
Hình 5.8 Quá trình chứng thực 3 bước 100
Hình 5.9 Cấu trúc vùng nhớ MIFARE Classic 1K 101
Hình 5.10 Cấu trúc manufacturer block 102
Hình 5.11 Cấu trúc sector trailer 102
Hình 5.12 Cấu trúc điều kiện truy xuất vùng nhớ 103
Hình 6.1 Sơ đồ thành phần phần cứng bộ đọc SM 107
Hình 6.2 Cấu trúc frame chuẩn 109
Hình 6.3 Truyền dữ liệu dùng frame định hướng bit trường hợp full byte 111
Hình 6.4 Truyền dữ liệu dùng frame định hướng bit trường hợp split byte 111
Hình 6.5 Sơ đồ trạng thái thẻ trước và sau giải quyết xung đột 113
Hình 6.6 Tiến trình bộ đọc xác định UID của các thẻ 118
Hình 6.7 Sơ đồ thuật toán giải quyết xung đột thẻ DBT 120
Hình 6.8 Sơ đồ thuật toán giải quyết xung đột thẻ CDBT 122
Trang 8


Hình 6.9 Các khối xử lý chính trong firmware 123
Hình 6.10 Sơ đồ xử lý hàm ssp_send 124

Hình 6.11 Sơ đồ xử lý hàm pioint1_irqhandler 125
Hình 6.12 Sơ đồ xử lý hàm clrc632_mf_activate_idle 127
Hình 6.13 Phạm vi của chuẩn sCCID 129
Hình 6.14 Sơ đồ xử lý theo chuẩn sCCID 130
Hình 6.15 Mô hình giao tiếp giữa ứng dụng với bộ đọc SM 131
Hình 6.16 Giao diện chính của ứng dụng minh họa thuật toán 132
Hình 6.17 Kết quả thực thi ứng dụng minh họa thuật toán 133

Trang 9


Danh mục bảng biểu
Bảng 3-1 Tổng quan thuật toán Pure ALOHA 31
Bảng 3-2 Tổng quan thuật toán Slotted ALOHA 36
Bảng 3-3 Tổng quan thuật toán Frame Slotted ALOHA 40
Bảng 3-4 Trường hợp xấu nhất trong Slotted ALOHA 42
Bảng 3-5 Tổng quan thuật toán Dynamic Frame Slotted ALOHA 45
Bảng 3-6 Chọn N theo miền giá trị của n 53
Bảng 4-1 Danh sách thẻ trong ví dụ Binary Tree 61
Bảng 4-2 Chu kỳ 1, 2 trong ví dụ Binary Tree 61
Bảng 4-3 Chu kỳ 3, 4 trong ví dụ Binary Tree 62
Bảng 4-4 Danh sách thẻ trong ví dụ CDBT 70
Bảng 4-5 So sánh số chu kỳ truy vấn giữa DBT và CDBT với n = 4 70
Bảng 4-6 Danh sách thẻ trong ví dụ PDBT 73
Bảng 4-7 So sánh số lượng bit gởi giữa DBT và PDBT với n = 4 73
Bảng 4-8 Chi phí bộ nhớ phía bộ đọc giữa DBT và PDBT 75
Bảng 4-9 Danh sách thẻ trong ví dụ Query Tree 77
Bảng 4-10 Ví dụ quá trình xác định các thẻ trong Query Tree 78
Bảng 4-11 Danh sách thẻ trong ví dụ BQT 85
Bảng 4-12 Ví dụ quá trình xác định các thẻ trong BQT 85

Bảng 5-1 Tóm tắt MIFARE ISO/IEC 14443A 91
Bảng 5-2 Điều kiện truy xuất tới sector trailer 104
Bảng 5-3 Điều kiện truy xuất tới data block 105
Bảng 5-4 Tập lệnh hỗ trợ bởi MIFARE Classic 105
Bảng 6-1 Cấu trúc frame ngắn 109
Bảng 6-2 Mã lệnh REQA và WUPA 115
Bảng 6-3 Ý nghĩa của ATQA 116
Bảng 6-4 Kích thước UID trong ATQA 116
Bảng 6-5 Ý nghĩa của trường SEL 116
Trang 10


Bảng 6-6 Ý nghĩa của trường NVB 117
Bảng 6-7 Lệnh HLTA chứa trong frame chuẩn 118
Bảng 6-8 Kết quả thuật toán DBT theo lý thuyết với tối đa 6 thẻ 134
Bảng 6-9 Kết quả thuật toán DBT cài đặt thực tế với tối đa 6 thẻ 135
Bảng 6-10 So sánh độ phức tạp tính toán trong cài đặt giữa DBT và CDBT
worst-case
136

Trang 11


Chương 1
Mở đầu
1.1 Giới thiệu về công nghệ RFID
Vô tuyến Frequency Identification (RFID) là một công nghệ sử dụng sóng vô tuyến
hoạt động ở một tần số thích hợp để truyền dữ liệu giữa thẻ điện tử (hay còn gọi là
thẻ RFID hoặc nhãn RFID) với thiết bị nhận (hay còn gọi là bộ đọc RFID). Do đó,
người ta sẽ gắn thẻ RFID vào các đối tượng nhằm mục đích xác định và truy vết các

đối tượng này thông qua bộ đọc RFID.
1.1.1 Lịch sử phát triển RFID
Năm 1945, Leon Theremin phát minh ra một công cụ do thám cho chính phủ Liên-
Xô cũ, thiết bị này sẽ thu sóng vô tuyến thông qua một ăng-ten bên trong nó, điều
biến tín hiệu và gửi đến một thiết bị nhận để phát ra âm thanh. Mặc dù đây là một
thiết bị chuyển đổi âm thanh thụ động chứ không phải là thẻ RFID dùng để nhận
dạng, tuy nhiên nó được xem như là thiết bị đầu tiên sử dụng công nghệ RFID. Một
công nghệ tương tự đó là bộ tách sóng IFF (Identification Friend or Foe) được phát
minh bởi người Anh và được quân đồng minh sử dụng trong thế chiến thứ II để
nhận dạng máy bay ta hay địch. Kỹ thuật này trở thành nền tảng cho hệ thống kiểm
soát không lưu thế giới vào thập niên 50. Nhưng trong khoảng thời gian này do chi
phí quá cao và kích thước quá lớn của hệ thống nên chúng chỉ được sử dụng trong
quân đội, phòng nghiên cứu và những trung tâm thương mại lớn.
Cuối thập niên 60 và đầu thập niên 70, bắt đầu xuất hiện những công ty giới thiệu
những ứng dụng mới cho RFID mà không quá phức tạp và đắt tiền. Ban đầu phát
triển những thiết bị giám sát điện tử (Electronic Article Surveillance - EAS) để kiểm
soát hàng hóa chẳng hạn như quần áo hay sách trong thư viện.
Trang 12


Đến năm 1973, Mario Cardullo (USA) chính thức trở thành người đầu tiên hoàn
thiện công nghệ RFID. Kỹ thuật này càng được hoàn thiện, từ nhận biết trở thành
nhận dạng.
RFID tiên tiến vào đầu những năm 80, có những ứng dụng rộng rãi trong việc kiểm
soát xe tại Mỹ hay đánh dấu đàn gia súc tại Châu Âu. Hệ thống RFID cũng được
ứng dụng trong việc nghiên cứu đời sống hoang dã, các thẻ RFID được gắn vào
trong những con vật, nhờ đó có thể lần theo dấu vết của chúng trong môi trường
hoang dã.
Đến thập niên 90, khi mà tần số UHF được sử dụng và thể hiện được những ưu
điểm của mình về khoảng cách và tốc độ truyền dữ liệu thì công nghệ RFID đã đạt

được những thành tựu rực rỡ.
Mặc dù những nguyên lý cơ bản của kỹ thuật RFID đã tồn tại từ thời Marconi
nhưng chúng ta chỉ mới bắt đầu bàn đến những tiềm năng to lớn của nó từ cuối thế
kỷ 20. Những năm đầu của thế kỷ 21 đã đánh dấu những điểm mốc chuyển biến
quan trọng của RFID. Kỹ thuật RFID hiện nay đang được sử dụng trong cả khu vực
kinh tế tư nhân lẫn chính phủ, từ việc theo dõi sách trong thư viện đến việc xác
nhận một chiếc chìa khóa khởi động xe. Cùng với những tiến bộ kỹ thuật và chi phí
sản xuất giảm đã và đang thúc đẩy sự phát triển của RFID.
1.1.2 Các loại thẻ RFID
Một hệ thống sử dụng công nghệ RFID gồm hai thành phần chính, đó là: bộ đọc
RFID và thẻ RFID. Hiện nay, có rất nhiều thẻ RFID được sản xuất nhưng xét ở mức
độ tổng quan nhất, chúng tôi phân loại thành hai loại thẻ: chủ động và thụ động.
a) Thẻ RFID chủ động được tạo thành bằng vi chip có gắn ăng-ten, thêm vào đó,
thẻ còn có nguồn cấp bên trong dùng để cấp điện thế cho vi chip hoạt động tạo
thành tín hiệu đầu ra. Các thẻ chủ động thường hoạt động ổn định hơn các thẻ thụ
động do khả năng kết nối “phiên” với bộ đọc. Nhờ có nguồn cấp bên trong nên các
thẻ chủ động có thể phát với công suất cao hơn các thẻ thụ động, cho phép chúng
hoạt động hiệu quả hơn trong các môi trường có tần số vô tuyến thay đổi như người,
Trang 13


gia súc, nước, kim loại nặng hoặc ở các khoảng cách xa hơn. Một số thẻ chủ động
còn tích hợp các bộ cảm biến như cảm biến nhiệt độ dùng để giám sát độ chín hay
giám sát nhiệt độ của các sản phẩm dễ hư hỏng. Các cảm biến khác cũng được gắn
với thẻ chủ động như: độ ẩm, biến động, ánh sáng, phóng xạ, nhiệt độ… Các thẻ
chủ động cũng thường có bộ nhớ lớn hơn các thẻ thụ động nên có thể lưu trữ thêm
thông tin từ bộ đọc RFID. Tuy nhiên, thời gian “sống” của thẻ chủ động lại phụ
thuộc vào nguồn cấp bên trong, thời gian này tỉ lệ nghịch với số lần đọc, ghi mà thẻ
chủ động trải qua. Hơn nữa, chính nguồn cấp bên trong đã làm cho chi phí và kích
thước của thẻ chủ động tăng lên đáng kể so với thẻ thụ động. Nhược điểm này khiến

cho thẻ chủ động không khả thi để triển khai trong nghành công nghiệp bán lẻ, thay
vào đó, thẻ RFID thụ động là sự lựa chọn thích hợp hơn.
b) Thẻ RFID thụ động không có nguồn cung cấp bên trong nên thời gian “sống”
của thẻ thụ động không giới hạn, có kích thước nhỏ (với các thẻ dùng để gắn dưới
da kích thước chỉ khoảng 0.15mm x 0.15mm), thiết kế đơn giản, chi phí sản xuất rẻ,
thích hợp cho các sản phẩm trong nghành công nghiệp bán lẻ. Thẻ RFID thụ động
cấu tạo chỉ gồm hai phần: ăng-ten và vi chip gắn với ăng-ten. Do không có nguồn
cấp bên trong, nên năng lượng cung cấp cho mọi hoạt động của vi chip được lấy từ
vùng từ trường hoặc vùng điện từ của bộ đọc RFID phát ra. Các thẻ thụ động có
khoảng cách đọc thực tế khoảng 2 mm lên đến một mét tùy thuộc vào tần số vô
tuyến lựa chọn và kích thước, thiết kế của ăng-ten.
Để truyền dữ liệu đến bộ đọc RFID, cả thẻ RFID chủ động lẫn thẻ RFID thụ động
đều cần vùng từ trường hoặc vùng điện từ do bộ đọc RFID phát ra, đây là hạn chế
về mặt vật lý làm giới hạn khoảng cách giao tiếp giữa thẻ với bộ đọc RFID, hiện tại,
khoảng cách giao tiếp xa nhất có thể đạt được là 15m.
Ngoài ra, còn có một loại thẻ RFID chủ động mà nó được thiết kế giống như một
thiết bị thu phát sóng vô tuyến cổ điển. Thẻ này gồm một nguồn cấp bên trong, một
bộ thu và một bộ phát. Thẻ này không cần đến vùng từ trường hoặc vùng điện từ do
bộ đọc RFID phát ra, thay vào đó, khi cần truyền dữ liệu, bộ phát sẽ được bật lên và
ăng-ten bên trong bộ phát sẽ phát ra một vùng điện từ với tần số cao. Còn nguồn
Trang 14


cấp chịu trách nhiệm cung cấp điện thế cho mọi hoạt động của thẻ. Do đó, nếu
nguồn cấp càng lớn, thì khoảng cách giao tiếp càng xa (có thể lên đến vài trăm mét).
Đứng ở khía cạnh công nghệ RFID thuần túy, các loại thẻ dạng này không thực sự
được xem là thẻ RFID, người ta thường gọi chúng là các thiết bị thu phát tầm ngắn
(short range vô tuyến devices). Và trong phạm vi của đề tài, chúng tôi cũng không
xét đến các thiết bị này.
1.1.3 Vùng năng lượng RFID

Bộ đọc RFID cần phải phát ra một vùng năng lượng, đối với thẻ RFID thụ động,
vùng năng lượng này cần thiết cho mọi hoạt động của thẻ (cấp nguồn và truyền dữ
liệu), còn đối với thẻ RFID chủ động, nó chỉ cần cho việc truyền dữ liệu. Để phát ra
năng lượng, nguyên lý hoạt động bên trong bộ đọc RFID được thiết kế theo hai
hướng tiếp cận khác nhau: cảm ứng từ (magnetic induction) và sóng điện từ
(electromagnetic wave) ứng với hai vùng năng lượng khác nhau: near-field và far-
field. Cả hai đều có thể cung cấp đủ năng lượng cho mọi hoạt động của thẻ, còn tùy
thuộc vào từng loại thẻ nhưng thông thường nằm trong khoảng 10uW – 1mW (vi xử
lý Intel Pentium 4 cần tiêu thụ đến 50W khi hoạt động!).
a) Near-field RFID, vùng năng lượng này được tạo ra tuân theo định luật Faraday
về cảm ứng từ. Dòng điện biến thiên được truyền qua ăng-ten (đây chính là cuộn
cảm) trong bộ đọc RFID làm phát sinh vùng từ trường biến thiên xung quanh ăng-
ten. Nếu đặt thẻ RFID mà cấu tạo ăng-ten của nó là cuộn cảm vào vùng từ trường
này thì dòng điện sẽ xuất hiện trên ăng-ten của thẻ và được tích lũy trong tụ điện
dùng để cấp nguồn cho vi chip hoạt động. Thẻ RFID trong vùng năng lượng này
truyền dữ liệu ngược lại bộ đọc RFID bằng cách sử dụng công nghệ điều chế tải
(load modulation): ăng-ten của thẻ RFID sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng biến đổi
trong vùng từ trường làm thay đổi dòng điện trên ăng-ten của bộ đọc RFID, sự thay
đổi này chính là dữ liệu truyền đi của thẻ RFID và sẽ được giải điều chế
(demodulation) ở phía bộ đọc RFID. Đây là hướng tiếp cận được sử dụng hầu hết
trong mọi bộ đọc RFID dùng với thẻ RFID thụ động. Tuy nhiên, near-field RFID có
Trang 15


giới hạn về mặt vật lý: bán kính bao phủ của vùng từ trường xấp xỉ theo công thức
c/2πf, trong đó, c là hằng số ánh sáng, f là tần số dao động, do đó, nếu f càng lớn thì
vùng từ trường càng nhỏ lại, hơn nữa, năng lượng càng xa tâm từ trường càng yếu
và nếu nhỏ hơn một ngưỡng cho phép thì cũng không thể giao tiếp, điều này dẫn
đến một hướng tiếp cận khác: Far-field RFID.
b) Far-field RFID, vùng năng lượng này được tạo ra tuân theo lý thuyết điện từ của

James Clerk Maxwell, dòng điện biến thiên được truyền qua ăng-ten lưỡng cực
trong bộ đọc RFID làm phát sinh sóng điện từ lan tỏa xung quanh. Thẻ RFID đặt
trong vùng điện từ thông qua ăng-ten lưỡng cực sẽ thu giữ nguồn năng lượng và
tích lũy trong tụ điện dùng để cấp nguồn cho vi chip hoạt động. Thẻ RFID trong
vùng năng lượng này truyền dữ liệu ngược lại bộ đọc RFID bằng cách sử dụng công
nghệ tán xạ ngược (back scattering). Nếu ăng-ten lưỡng cực trong thẻ được thiết kế
với một kích thước hoàn toàn chính xác thì nó có thể hấp thu hầu như toàn bộ năng
lượng mà nó bắt gặp tại một tần số nào đó. Bằng cách thay đổi trở kháng của ăng-
ten lưỡng cực, thẻ RFID có thể phản hồi lại với một lượng lớn hơn hay bé hơn so
với năng lượng đến từ bộ đọc RFID, từ đó bộ đọc RFID có thể phát hiện sự thay đổi
này. Thẻ RFID hoạt động theo nguyên lý far-field nằm ở tần số > 100 MHz. Dưới
tần số này là các thẻ RFID theo nguyên lý near-field như đã trình bày. Cũng như
near-field, khoảng cách giao tiếp giữa bộ đọc và thẻ RFID phụ thuộc vào độ phủ
của vùng năng lượng và độ nhạy của bộ đọc đối với tín hiệu phản hồi từ phía thẻ
RFID. Trên thực tế, tín hiệu phản hồi này rất nhỏ do 2 nguyên nhân sau: sự suy
giảm khi sóng điện từ lan tỏa từ bộ đọc đến thẻ RFID và sự suy giảm tín hiệu phản
hồi từ thẻ đến bộ đọc RFID.
1.1.4 Tần số hoạt động RFID
Việc chọn tần số vô tuyến là đặc điểm hoạt động chính của hệ thống RFID. Tần số
xác định tốc độ truyền thông và khoảng cách đọc thẻ. Nói chung, tần số cao hơn cho
biết phạm vi đọc dài hơn. Mỗi ứng dụng phù hợp với một kiểu tần số cụ thể do ở
mỗi tần số thì sóng vô tuyến có đặc điểm khác nhau. Chẳng hạn sóng có tần số thấp
Trang 16


có thể xuyên qua tường tốt hơn sóng có tần số cao hơn nó, nhưng tần số cao có tốc
độ đọc nhanh hơn. Có 4 tần số chính được sử dụng cho hệ thống RFID, đó là: low,
high, ultrahigh, microwave.
Low-frequency: băng tần từ 125KHz - 134KHz. Băng tần này phù hợp với phạm
vi ngắn như hệ thống chống trộm, nhận dạng động vật và hệ thống khóa tự động.

High-frequency: băng tần 13,56MHz. Tần số cao cho phép độ chính xác cao hơn
với phạm vi 1m, vì thế giảm rủi ro đọc sai thẻ. Các thẻ thụ động high-frequency
được đọc ở tốc độ 10 đến 100 thẻ trên giây và ở phạm vi 1m. Các thẻ high-
frequency được dùng trong việc theo dõi các hạng mục trong các thư viện và
kiểm soát hiệu sách, truy cập, theo dõi hành lý vận chuyển bằng máy bay và theo
dõi các món đồ trang sức.
Ultrahigh-frequency: các thẻ hoạt động ở băng tần 900MHz và có thể được đọc ở
khoảng cách dài hơn các thẻ high-frequency, phạm vi từ ≈ 0.9m đến ≈ 4.5m. Tuy
nhiên các thẻ này dễ bị ảnh hưởng bởi các nhân tố môi trường hơn các thẻ hoạt
động ở các tần số khác. Băng tần 900MHz thực sự phù hợp cho các ứng dụng
quản lý dây chuyền cung cấp vì tốc độ và phạm vi của nó. Các thẻ thụ động
ultrahigh-frequency có thể được đọc ở tốc độ 100 đến 1000 thẻ trên giây. Các thẻ
này thường được sử dụng trong việc kiểm tra pallet và container, xe chở hàng và
toa trong vận chuyển tàu biển.
Microwave frequency: băng tần 2,45GHz và 5,8GHz, có nhiều sóng vô tuyến
bức xạ từ các vật thể ở gần có thể cản trở khả năng truyền thông giữa bộ đọc và
thẻ. Các thẻ microwave RFID thường được dùng trong quản lý dây chuyền cung
cấp.
1.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ RFID
Harry Stockman chính là người đầu tiên đặt cột mốc cho RFID khi công bố bài báo
"Communication by Means of Reflected Power" vào 10/1948. Stockman tuyên bố
sau đó rằng "Rõ ràng, việc nghiên cứu và phát triển đã được xem xét và hoàn thành
Trang 17


trước khi các vấn đề cơ bản còn lại trong giao tiếp tán xạ năng lượng được giải
quyết, và trước khi các lĩnh vực ứng dụng hữu ích được khám phá."
Thật vậy, những năm 1950 là một kỷ nguyên khám phá các công nghệ của RFID
dựa trên nền tảng phát triển kỹ thuật vô tuyến và radar trong những năm 1930 và
1940. Tiêu biểu là công trình của F. L. Vernon, "Application of the microwave

homodyne" và D. B. Harris với công trình "Radio transmission systems with
modulatable passive responder".
Những năm 1960-1970, RFID trở nên thực tế hơn với nghiên cứu quan trọng của R.
F. Harrington về lý thuyết điện từ có liên quan đến RFID trong bài báo "Field
measurements using active scatterers" vào năm 1963 và "Theory of loaded
scatterers" vào năm 1964. Ngoài ra, còn có đóng góp của J. P. Vinding với công
trình "Interrogator-responder identification system" vào năm 1967 và Otto
Rittenback với công trình "Communication by radar beams" vào năm 1969.
Với các công trình quan trọng đã công bố, RFID bùng nổ trong những năm 1970,
các nhà phát triển, nhà phát minh, các công ty, trường đại học và các phòng thí
nghiệm của chính phủ đã chủ động với nghiên cứu RFID, và tiến bộ đáng chú ý đã
được thực hiện tại các phòng thí nghiệm và các viện nghiên cứu như Phòng thí
nghiệm khoa học Los Alamos, Đại học Northwestern, và Học viện Microwave ở
Thụy Điển. Trong đó công trình quan trọng là ở Los Alamos được thực hiện bởi
Alfred Koelle, Steven Depp và Robert Freyman "Short-range radio-telemetry for
electronic identification using modulated backscatter" trong năm 1975.
Những năm 1980 đã trở thành thập kỷ phát triển đầy đủ của công nghệ RFID, mặc
dù mục tiêu phát triển hơi khác nhau ở các nơi khác nhau của thế giới. Mối quan
lớn nhất tại Hoa Kỳ là vận chuyển, truy cập riêng tư. Tại châu Âu, mối quan tâm
lớn nhất dành cho hệ thống tầm ngắn (short-range) ở động vật, ứng dụng công
nghiệp và kinh doanh.
Trang 18


1.3 Nhu cầu thực tế
Phát triển công nghệ RFID là nhu cầu cần thiết và quan trọng đối với sự phát triển
kinh tế-xã hội của đất nước. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền tảng phần
cứng, tốc độ hệ thống RFID được nâng lên trong khi giá thành của thẻ và bộ đọc
RFID ngày càng giảm đáng kể. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà nghiên
cứu trong nước tiếp cận và hòa mình vào công nghệ RFID, tránh bị tụt hậu so với

các nước tiên tiến.
Hiện nay nhiều doanh nghiệp, hiệp hội và tổ chức chính phủ đang xem xét để áp
dụng rộng rãi công nghệ RFID trong nhiều ứng dụng ở nước ta. Điều này mở ra một
thị trường vô cùng tiềm năng nhưng cũng nhiều thách thức cho các nhà nghiên cứu
và các nhà sản xuất. Vì thế để có thể vận dụng và phát triển công nghệ RFID, chúng
ta cần phải có sự tìm hiểu, nghiên cứu nghiêm túc về chúng.
1.4 Mục tiêu của luận văn
Trong một hệ thống RFID, bộ đọc có thể giao tiếp với nhiều thẻ trong phạm vi phủ
sóng của nó. Tuy nhiên, quá trình nhận dạng thẻ có thể thất bại khi nhiều thẻ gửi dữ
liệu cùng một lúc. Các tín hiệu từ các thẻ có thể can thiệp lẫn nhau và do đó bộ đọc
không thể nhận được bất kỳ dữ liệu chính xác tại tất cả các thẻ. Nếu điều này xảy ra,
các thẻ sẽ cố truyền lại dữ liệu của chúng, điều này làm lãng phí thời gian đọc thẻ
và dẫn đến làm giảm hiệu suất hệ thống đáng kể. Vấn đề như vậy thường được gọi
là "xung đột thẻ" (tag collision). Đối diện vấn đề này, các nhà nghiên cứu vẫn đang
tìm kiếm phương pháp giải quyết xung đột thẻ (tag anti-collision) hiệu quả nhất để
nhận được UID của thẻ với tốc độ nhận dạng nhanh và độ chính xác của dữ liệu
phải gần 100%.
Giải quyết xung đột thẻ có phạm vi nghiên cứu rất rộng. Do đó, mục tiêu của luận
văn nhằm tập trung làm sáng tỏ một số vấn đề sau:
Tìm hiểu các hướng tiếp cận giải quyết xung đột thẻ được áp dụng hiện nay.
Khảo sát, phân tích, so sánh các thuật toán tiêu biểu giải quyết xung đột thẻ
theo hướng ALOHA-based.
Trang 19


Khảo sát, phân tích, so sánh các thuật toán tiêu biểu giải quyết xung đột thẻ
theo hướng Tree-based. Từ đó đề xuất phương pháp cải tiến theo hướng này.
Tìm hiểu công nghệ MIFARE và thẻ RFID sử dụng công nghệ này. Đây là
công nghệ được lựa chọn cho hầu hết các hệ thống RFID trên toàn thế giới,
trở thành nền tảng thành công nhất trong ngành công nghiệp kiểm vé tự động.

Giới thiệu về bộ đọc RFID do chính SELab chế tạo: SELab MIFARE (SM),
bộ đọc hiện hỗ trợ các thẻ sử dụng công nghệ MIFARE như các bộ đọc khác
trên thị trường. Đồng thời trình bày phương pháp áp dụng thuật toán giải
quyết xung đột thẻ vào bộ đọc SM.
1.5 Nội dung của luận văn
Với mục tiêu như trên, nội dung của luận văn được trình bày gồm:
Chương 1 giới thiệu chung về công nghệ RFID đồng thời giới thiệu mục tiêu
và nội dung của luận văn.
Chương 2 tìm hiểu chung về các hướng tiếp cận giải quyết xung đột thẻ hiện
nay, ưu khuyết điểm của mỗi hướng tiếp cận.
Chương 3 tập trung khảo sát, phân tích, so sánh các thuật toán tiêu biểu giải
quyết xung đột thẻ theo hướng ALOHA-based.
Chương 4 tập trung khảo sát, phân tích, so sánh các thuật toán tiêu biểu giải
quyết xung đột thẻ theo hướng Tree-based. Trình bày hai phương pháp cải tiến
thuật toán DBT: CDBT và PDBT.
Chương 5 tìm hiểu về công nghệ MIFARE và thẻ MIFARE Classic được
dùng minh họa trong thuật toán cài đặt.
Chương 6 giới thiệu về bộ đọc RFID SELab MIFARE (SM), phương pháp
áp dụng thuật toán giải quyết xung đột thẻ vào bộ đọc SM, cài đặt và đánh
giá thử nghiệm.
Chương 7 trình bày một số kết luận và hướng phát triển của luận văn.
Trang 20


Chương 2
Các hướng tiếp cận giải quyết xung đột thẻ
2.1 Đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA)
SDMA (Spatial Division Multiple Access) là hướng tiếp cận giải quyết xung đột
theo ý tưởng tái sử dụng lại dung lượng kênh truyền trong các không gian riêng biệt
xung quanh bộ đọc. Đây là một công nghệ tương đối mới được áp dụng trong các hệ

thống truyền thông hiện đại so với ba cơ chế đa truy cập còn lại. Thông thường,
kiến trúc SDMA cung cấp khả năng truy cập không xung đột trong kênh truyền vô
tuyến và các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ trong thời gian thực. Bởi vì SDMA phân
chia các kênh truyền có sẵn trong phạm vi không gian, nên hệ thống có thể làm tăng
đáng kể dung lượng kênh truyền của cùng một tần số và cùng một khe thời gian.
Các phương pháp chống xung đột thẻ được đề xuất dựa trên cơ chế SDMA là:
a) Minimum distance constellation: phương pháp này làm giảm đáng kể vùng năng
lượng của một đầu đọc, chỉ tập trung năng lượng vào một khu vực và giảm năng
lượng ở các khu vực khác, nhưng bù đắp lại bằng cách ghép một số lượng lớn các
bộ đọc để tạo thành một mảng nhằm phủ toàn bộ năng lượng khu vực xung quanh.
Phương pháp này đã được sử dụng thành công trong các sự kiện marathon quy mô
lớn để xác định thời gian chạy của các vận động viên. Mảng các bộ đọc được bố trí
bên dưới vạch kết thúc, vận động viên khi di chuyển về đích sẽ mang thẻ của mình
(được đính kèm trong gót giày) vào trong vùng năng lượng của một bộ đọc. Do đó,
một số lượng lớn các vận động viên có thể được đọc xác định đồng thời trong sự
phân bố không gian chạy.
b) Adaptive SDMA: phương pháp này sử dụng một ăng-ten điều hướng điện tử
trên bộ đọc, chùm định hướng có thể được trỏ trực tiếp đến một thẻ. Vì vậy, các thẻ
khác nhau có thể được phân biệt bởi vị trí góc của tín hiệu phản hồi của thẻ trong
Trang 21


vùng năng lượng của bộ đọc. Ăng-ten điều hướng điện tử trên bộ đọc là mảng các
ăng-ten lưỡng cực theo pha, do kích thước ăng-ten, phương pháp này chỉ có thể
được sử dụng cho các ứng dụng RFID với tần số trên 850MHz (điển hình là 2.45
GHz). Mỗi ăng-ten lưỡng cực điều khiển tín hiệu theo một hướng và độc lập với vị
trí pha. Các vùng năng lượng riêng biệt của các ăng-ten lưỡng cực theo các hướng
mong muốn chồng lên nhau trong pha, làm cho vùng năng lượng này được khuếch
đại đáng kể. Còn theo các hướng khác, toàn bộ hoặc một phần các sóng sẽ triệt tiêu
lẫn nhau. Để xác định một thẻ, không gian xung quanh bộ đọc sẽ được quét bởi ăng-

ten định hướng cho đến khi thẻ được phát hiện.
Thẻ 1
Thẻ 2
Thẻ 4
Bộ đọc
Thẻ 3
Thẻ 5
Thẻ 7
Thẻ 6

Hình 2.1 Phương pháp ASDMA với một ăng-ten điều hướng điện tử
c) Twice digital beam-forming: phương pháp này phân đoạn vùng năng lượng của
bộ đọc thành các tập hợp con. Các thẻ trong các tập hợp con khác nhau có thể được
đọc trong cùng một thời gian, do đó hiệu năng có thể được nâng lên nhiều lần so với
Trang 22


một hệ thống RFID thông thường mà chỉ có một ăng-ten được kích hoạt trong cùng
một thời điểm.
d) Beam-forming and reader power control.
Ưu điểm của hướng tiếp cận SDMA là dung lượng kênh truyền của hệ thống được
nâng lên đáng kể tuy nhiên chi phí thực hiện lại cao do độ phức tạp của việc thiết kế
ăng-ten của bộ đọc là cao. Vì thế việc sử dụng cơ chế giải quyết xung đột SDMA bị
giới hạn trong một vài ứng dụng chuyên biệt.
Một khía cạnh khác là thách thức về việc kết hợp tối ưu giữa TDMA và SDMA
được vẫn chưa được giải quyết triệt để. Ví dụ, nếu các thẻ không được phân bố
đồng đều trong tất cả các tập con, việc phân bổ khe thời gian nên được thiết kế phù
hợp để tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống. Vì vậy, tầng giải quyết xung đột phù hợp
sẽ là một đề tài nghiên cứu thú vị trong tương lai gần.
2.2 Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)

FDMA (Frequency Division Multiple Access) là hướng tiếp cận giải quyết xung đột
theo ý tưởng cho phép một số kênh truyền dẫn làm việc đồng thời tại cùng một thời
gian bằng cách sử dụng các tần số hoạt động khác nhau. Trong một hệ thống RFID
thụ động, tín hiệu từ bộ đọc thường được phát sóng ở một số tần số hoạt động để
cung cấp năng lượng và lệnh đến thẻ thụ động. Thẻ không chỉ nhận được năng
lượng mà còn sử dụng sóng mang từ bộ đọc để điều chế tín hiệu tán xạ của nó. Thật
vậy, một thẻ có thể nhận được bất kỳ tín hiệu nào trong dải tần số hoạt động của nó
và sử dụng các tín hiệu nhận được như là sóng mang để điều chế tín hiệu tán xạ của
nó. Vì vậy, hoàn toàn có thể lợi dụng đặc trưng này để áp dụng FDMA vào hệ thống
RFID thụ động.
FDMA đã được ứng dụng trong hệ thống RFID HF theo chuẩn ISO/IEC 18000-3,
trong đó gồm có 8 kênh phản hồi giao tiếp đồng thời với 8 thẻ RFID khác nhau, tuy
nhiên FDMA vẫn chưa được tích hợp trong bất kỳ chuẩn thẻ UHF thụ động nào.
Vào năm 2007, trong bài báo “A Frequency Diverse Gen2 RFID System with
Isolated Continuous Wave Emitters”, Liu đã đề xuất một phương pháp cho phép
Trang 23


một phản hồi của thẻ có thể xảy ra trong dãy tần số khác, được gọi là tán xạ ngược
đa sóng mang.
Thẻ 1
Thẻ 2
Thẻ 4
Bộ đọc
Thẻ 3
Thẻ 5
Thẻ 6
fa
f1
f2

f3
f4
f5
f6

Hình 2.2 Đa truy cập phân chia theo tần số
Tiếp đó, vào năm 2009, Liu và Ciou đề xuất triển khai một hệ thống giải quyết xung
đột tương tự như hệ thống di động. Hệ thống bao gồm nhiều bộ phát sóng liên tục
(Continuous Wave Emitter, CWE), mỗi CWE chiếm một tần số khác với các CWE
láng giềng. Mỗi thẻ trong vùng năng lượng của một CWE sử dụng sóng liên tục
phát ra từ CWE đó như sóng mang để điều chế tín hiệu tán xạ ngược. Bằng cách
này, bộ đọc có thể nhận được chính xác phản hồi của nhiều thẻ cùng một lúc bằng
cách tách rời mỗi phản hồi của thẻ theo tần số sóng mang của nó.
Trang 24


Thời gian
Mã
Tần số

Hình 2.3 Sử dụng kênh truyền trong FDMA
Tương tự như hướng tiếp cận SDMA, việc kết hợp với phương pháp Frame Slot
ALOHA (thuộc hướng tiếp cận TDMA) có thể cải tiến hiệu năng của hệ thống tăng
gần gấp đôi bởi vì các khe thời gian trống có thể được tận dụng cho việc truyền dữ
liệu. Tuy nhiên, hệ thống vẫn cho phép truy vấn UID của một thẻ trong một khe
thời gian. Với một giao thức phát triển thích hợp, có lý do để tin rằng hiệu năng của
hệ thống FDMA có thể cao hơn nhiều lần so với các hệ thống hiện tại. Khuyết điểm
của FDMA là việc thiết kế bộ đọc chiếm chi phí cao, do đó nó vẫn còn bị giới hạn
trong một vài ứng dụng chuyên biệt.
2.3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)

CDMA (Code Division Multiple Access) đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ
thống truyền thông hiện đại. Không giống như FDMA – các thẻ được phân chia vào
các tần số khác nhau hay TDMA – các thẻ được phân chia vào các thời điểm khác
nhau, hướng tiếp cận CDMA cho phép các thẻ có thể liên lạc với bộ đọc trong cùng
một thời điểm và tần số. Nó hoạt động dựa trên kỹ thuật điều chế trải phổ, các thẻ
sử dụng chung tần số và thời gian và được phân biệt nhau bằng một mã duy nhất
gọi là mã trải phổ. Do vậy chỉ những thẻ có mã tương quan phù hợp mới có khả
năng giải điều chế và thu được tín hiệu thông tin cần thiết từ phía bộ đọc. CDMA
thường được phân loại thành hai loại: trải phổ nhảy tần CDMA (FH-CDMA) và trải
phổ dãy trực tiếp CDMA (DS-CDMA). Bởi vì một thẻ thụ động thì không thể chủ