Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu các dạng thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và nguyên lý mã hóa dữ liệu; Nghiên cứu các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip hiện nay; Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có tính tổng quát và có tính thực tiễn cao, đồng thời áp dụng để thiết kế được thẻ tag mã hóa dữ liệu theo giải pháp mã hóa nâng cao đề xuất.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Công Cường NÂNG CAO HIỆU QUẢ MÃ HÓA TẦN SỐ CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2024
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Phạm Thị Ngọc Yến PGS.TS. Đào Trung Kiên 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 ……… 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
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu Đối với công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống, trên thẻ tag cần tích hợp một vi mạch tích hợp (IC - Chip) để thực hiện chức năng lưu trữ dữ liệu. Bên mạch đó, vi mạch này còn có chứng năng điều chế dữ liệu mã hóa điện từ bằng cách thay đổi trở kháng của ăng-ten trên thẻ tag. Khi trở kháng của ăng-ten thay đổi làm cho công suất phản hồi mà đầu đọc nhận được cũng thay đổi theo, tương ứng với dữ liệu mà thẻ tag mã hóa. Trong thực tế, thành phần chip này chiếm phần lớn giá thành của một thẻ tag, làm cho giá của thẻ tag cao hơn nhiều khi so với giá thành của mã vạch hay mã QR. Ngoài ra, việc chế tạo thẻ tag bao gồm thành phần chip và ăng-ten cũng phức tạp hơn. Đây là các nguyên nhân chính làm cho công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống không thể thay thế được công nghệ định danh bằng quang học trong lĩnh vực bán lẻ. Để khắc phục điều này, công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip cho mục đích lưu trữ dữ liệu và điều chế tín hiệu được đề xuất và được tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây. Bản chất của công nghệ này vẫn là công nghệ mã hóa dữ liệu thông qua giao tiếp trường điện từ. Do vậy, nó vẫn kế thừa các ưu điểm vượt trội của công nghệ định danh bằng sóng điện từ truyền thống khi so sánh với công nghệ định danh bằng quang học. Đồng thời với việc không sử dụng chip thì công nghệ này giúp giải quyết được vấn đề giảm giá thành của thẻ tag. Ngoài ra, việc loại bỏ đi thành phần chip và thay thế bằng các phần tử thụ động để mã hóa dữ liệu còn giúp cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip bền hơn và dễ chế tạo hơn. Hơn nữa, một số trúc thẻ tag không chip được đề xuất có dạng phẳng nên có thể sản xuất dễ dàng bằng công nghệ in sử dụng mực in dẫn điện. Tuy vậy, nhược điểm của công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip đó là khả năng mã hóa thấp hơn nhiều so với công nghệ có sử dụng chip. Lý do là vì dạng thẻ tag này cần sử dụng phần tử thụ động dùng để mã hóa có kích thước lớn. Trong khi đó, đối với công nghệ chip bán dẫn thì dữ liệu mã hóa chỉ phụ thuộc vào dung lượng vào bộ nhớ được tích hợp bên trong, và có thể lên đến hàng triệu bit. Như vậy, để có thể ứng dụng được vào các lĩnh vực cần mã hóa một lượng lớn dữ liệu thì cần phải nâng cao hiệu quả mã hóa đối với 1
công nghệ định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip. Để đánh giá hiệu quả mã hóa của một dạng thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip, bên cạnh dựa trên số lượng dữ liệu mà thẻ tag đó có thể mã hóa được thì còn đánh giá dựa trên nhiều yếu tố khác như: Kích thước vật lý của thẻ, dải tần số làm việc của thẻ, phương pháp mã hóa dữ liệu, phương pháp thiết kế thẻ tag, độ tin cậy của giải mã dữ liệu ... Hiện nay, các yếu tố này là các chủ đề nghiên cứu có tính cấp thiết cao, được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu và cải thiện. Xuất phát từ vấn đề thực tiễn này, NCS đã quyết định lựa chọn đề tài: “Nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip” để nghiên cứu cho luận án. Trong đó các vấn đề, yếu tố liên quan đến nâng cao khả năng mã hóa của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip sẽ được nghiên cứu và đề xuất giải pháp. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu các dạng thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và nguyên lý mã hóa dữ liệu. Đánh giá khả năng mã hóa cho từng dạng thẻ tag, từ đó lựa chọn được dạng thẻ tag phù hợp cho mục tiêu đề xuất được giải pháp nâng cao hiệu quả mã hóa dữ liệu. Nghiên cứu các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip hiện nay, từ đó nghiên cứu đề xuất được giải pháp mã hóa mới có khả năng mã hóa dữ liệu cao hơn. Nghiên cứu và đề xuất được giải pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có tính tổng quát và có tính thực tiễn cao, đồng thời áp dụng để thiết kế được thẻ tag mã hóa dữ liệu theo giải pháp mã hóa nâng cao đề xuất. Đối tượng nghiên cứu: Các dạng thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và phương pháp mã hóa dữ liệu tương ứng, khả năng nâng cao số dữ liệu mã hóa của dạng thẻ tag đó. Các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip và khả năng nân cao số dữ liệu mã hóa theo các phương pháp đó. Ngoài ra, các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy đối với dữ liệu mã hóa của thẻ tag cũng là đối tượng được nghiên cứu. 2
Các phương pháp thiết kế, chế tạo thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa và độ tin cậy của dữ liệu mã hóa. Phạm vi nghiên cứu: Các kiểu thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa dữ liệu trong miền tần số. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc mã hóa dữ liệu và các phương pháp khắc phục hiện nay. Các phương pháp mã hóa dữ liệu cho thẻ tag trong miền tần số có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip. Các phương pháp thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số có khả năng nâng cao hiệu quả mã hóa cũng như độ tin cậy của dữ liệu. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu của luận án được thực hiện theo các bước như sau: Tổng hợp và phân tích kết quả của các nghiên cứu đã được công bố cho lĩnh vực công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip, từ đó xác định các vấn đề còn hạn chế để tập trung nghiên cứu, đề xuất giải pháp, hướng đến đóng góp kết quả khoa học mới. Nguyên cứu cơ sở lý thuyết nguyên nhân dẫn đến các hạn chế trong kết quả nghiên cứu hiện tại, từ đó phân tích, tính toán các yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp nhằm nghiên cứu đề xuất được các giải pháp cải thiện kết quả. Sau khi có được các tính toán thiết kế đề xuất, các phần mềm chuyên dụng được sử dụng để thiết kế và mô phỏng. Kết quả mô phỏng được sử dụng làm yếu tố để đánh giá tính khả thi của nghiên cứu đề xuất. Ngoài ra, kết quả mô phỏng còn được sử dụng để điều chỉnh, cải thiện đề xuất nghiên cứu ban đầu. Chế tạo mẫu thử sau khi có được phương pháp thiết kế đề xuất, thực hiện đo đạc thực nghiệm trong điều kiện sử dụng thực tế để đánh giá sự phù hợp với kết quả mô phỏng. Các sai lệch nếu có sẽ được phân tích nguyên nhân, và so sánh với các kết quả được công bố bởi các nghiên cứu khác để xác định tính mới, tính vượt trội của phương pháp thiết kế đề xuất. 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Như đã trình bày ở mục lý do chọn đề tài nghiên cứu, công nghệ định danh bằng sóng điện từ không chip là một công nghệ mới, có thể thay thế cho định danh bằng sóng điện từ truyền thống có chip trong các ứng dụng thực tế, đồng thời có thể thay thế công nghệ định danh bằng quang học như mã vạch, mã QR bởi vì có nhiều ưu điểm và giá thành sản xuất rẻ hơn. Tuy vậy, nhược điểm lớn của công nghệ này là khả năng mã hóa thấp và độ tin cậy về dữ liệu chưa cao. Do đó, với kết quả của luận án đề xuất được giải pháp nâng cao hiệu quả mã hóa dữ liệu cho nhiều dạng cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa tần số, thì kết quả này có đóng góp lớn về tính mới và ý nghĩa khoa học. Bên cạnh đó giải pháp thiết kế thẻ tag mà luận án đề xuất có tính tổng quát, có thể áp dụng để thiết kế cho nhiều kiểu thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip khác nhau với độ tin cậy cao về đáp ứng dữ liệu mã hóa tần số. Các sản phẩm thẻ tag mẫu thử đã kiểm chứng kết quả này trong điều kiện thực tế, do vậy phương pháp thiết kế đề xuất này có ý nghĩa lơn về thực tiễn. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1. Giới thiệu về công nghệ định danh bằng sóng điện từ Hệ thống ứng dụng công nghệ định danh bằng sóng điện từ bao gồm hai phần chính là: (i) Thẻ tag – Lưu trữ và mã hóa dữ liệu, và (ii) Đầu đọc – Phát ra sóng điện từ để trích xuất dữ liệu từ thẻ tag. Sơ đồ khối chức năng cơ bản của hệ thống sử dụng công nghệ này được thể hiện ở Hình 1.1. Trong đó, thẻ tag sẽ được gắn lên đối tượng cần định danh. Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống định danh bằng sóng điện từ 4
1.2. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ có sử dụng chip Định danh bằng sóng điện từ có sử dụng chip được thực hiện theo hai nguyên lý cơ bản sau: (i) Nguyên lý thứ nhất áp dụng cho định danh trong trường gần, là nguyên lý là trao đổi công suất giữa đầu đọc và thẻ tag thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây. Trở kháng của các cuộn dây được chip thay đổi để điều chế dữ liệu. Dữ liệu được mã hóa và giải mã thông qua công suất mà thẻ tag và đầu đọc nhận được. Chính vì vậy ăng-ten dạng vòng được sử dụng cho cả đầu đọc và thẻ tag trong trường hợp này. (ii) Nguyên lý thứ hai áp dụng cho định danh trong trường xa, là nguyên lý truyền sóng điện từ từ đầu đọc đến thẻ tag với dữ liệu được điều chế tín hiệu theo phương pháp phổ biến là ASK. Chip trên thẻ tag có chức năng giải điều chế tín hiệu để nhận thông tin từ đầu đọc và gửi dữ liệu cho đầu đọc bằng cách thay đổi trở kháng của ăng-ten. Điều này làm thay đổi công suất mã đầu đọc nhận lại được, cũng chính là dữ liệu được mã hóa. 1.3. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip Có hai nguyên lý chính trong định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip đó là: sử dụng độ trễ theo thời gian của các xung phản hồi, hoặc sử dụng các tần số cộng hưởng được tạo ra để mã hóa dữ liệu cho thẻ tag. Trong đó, giải pháp mã hóa trong miền tần số có hiệu quả mã hóa cao hơn. Mã háo trong miền tần số cũng chia ra làm hai loại, mã hóa theo kiểu truyền lại sóng điện từ và mã hóa bằng tín hiệu tán xạ ngược lại đầu đọc. Hình 1.2: Cấu trúc thẻ tag tán xạ ngược sóng điện từ 5
Loại thẻ tag tán xạ ngược sóng điện từ có kích thưởng nhỏ do không cần tích hợp ăng-ten mà chỉ tích hợp các phần tử tạo tần số cộng hưởng mã hóa như mô tả ở Hình 1.2. Do vậy, kiểu thẻ tag mã hóa theo nguyên lý này có khả năng mã hóa cao hơn và được luận án sử dụng cho các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả mã hóa. 1.4. Phương pháp mã hóa dữ liệu đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số Có hai phương pháp chính được sử dụng để mã hóa dữ liệu cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số: (i) Phương pháp mã hóa OOK (On-Off Keying) áp dụng cho thẻ tag mã hóa bằng sóng điện từ không chip theo nguyên lý tạo ra cộng hưởng hoặc không cộng hưởng tại các tần số mã hóa. Việc tạo tần số cộng hưởng này được thực hiện bằng cách sử dụng các phần tử cộng hưởng hoặc phần tử lọc chặn dải tại tần số tương ứng. (ii) Phương pháp mã hóa FSC (Frequency Shift Coding) cho phép sử dụng ít phần tử cộng hưởng hơn phương pháp OOK để mã hóa dữ liệu với cùng một bộ tần số cộng hưởng mã hóa. Để thực hiện phương pháp này, các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag được thay đổi với nhiều bộ thông số thiết kế khác nhau nhằm tạo ra cộng hưởng ở nhiều tần số mã hóa khác nhau. 1.5. Các thách thức trong nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip Thách thức thứ nhất đó là độ phức tạp của tín hiệu mã hóa dữ liệu tần số của thẻ tag, đặc biệt đối với kiểu thẻ tag tán xạ ngược sóng điện từ. Ngoài ra các thành phần tín hiệu mang thông tin mã hóa có công suất rất nhỏ, do vậy việc xác định và giải mã được tín hiệu để xác định dữ liệu là không dễ dàng. Thách thức thứ hai là đề xuất được giải pháp mã hóa mới cho thẻ tag mã hóa tần số, cho phép mã hóa được nhiều dữ liệu hơn với một số ít các phần tử cộng hưởng được tích hợp trên thẻ tag. Trong đó, yêu cầu cần giải quyết triệt để là cố định được tần số cộng hưởng mã hóa trong điều kiện hỗ cảm giữa các phần tử làm thay đổi tần số cộng hưởng. Thách thức thứ ba là thiết kế nâng cao được độ tin cậy tần số cộng hưởng của thẻ tag, thể hiện qua độ sai lệch so với tần số mã hóa và 6
biên độ tại tần số cộng hưởng so với ngưỡng tối thiểu mã hệ thống có thể nhận dạng được. Vấn đề này là khó khăn trong điều kiện ảnh hưởng của hỗ cảm lớn và các tần số cộng hưởng mã hóa có độ chênh lệch nhỏ, cũng như phẩm chất vật liệu chế tạo thẻ tag không tốt. CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT MÃ HÓA TẦN SỐ TRÊN CƠ SỞ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CỦA THẺ TAG KHÔNG CHIP 2.1. Biểu diễn toán học trường điện từ của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip Mô tả về các dòng điện cảm ứng xuất hiện trên bề mặt kim loại của cấu trúc thẻ tag khi nhận sóng điện từ tới được thể hiện ở Hình 2.2. Hình 2.2: Mô tả các dòng điện cảm ứng trên thẻ tag Bằng cách phân tích trong miền Laplace với mô hình tín hiệu theo các điểm cực, sau đó biến đổi ngược để chuyển sang miền thời gian, biểu thức điện trường bức xạ của thẻ tag được biểu diễn như sau: e s ( r; t ) = U ( t − t0 )  Rn e−nt cos (nt +  n ) + ee ( r; t ) (2.26) n Trong đó U (t − t0 ) là hàm bước nhảy Heaviside. Vì vậy, về lý thuyết hiện tượng bức xạ điện từ gồm hai thành phần tín hiệu trong miền thời gian là: thành phần phản hồi tức thời ee ( r; t ) và thành phần còn lại là tín hiệu phản hồi sau mang thông tin của các tần số cộng hưởng và giảm dần, được sử dụng làm tín hiệu mã hóa của thẻ tag. Tại tần số cộng hưởng f n = n 2 thì bức xạ điện từ đạt cực đại và được tính theo biểu thức (2.29). 7
N Rn Rm E (n ) = + +  ( ) (2.29) ( −  n ) m n ( −  m ) + j ( − m ) e n m =1 Theo đó, bức xạ điện từ được tính bao gồm ba thành phần. Thành phần đầu tiên là bức xạ từ tại tần số cộng hưởng thứ n. Thành phần thứ hai chính là bức xạ điện từ hỗ cảm từ các phần tử cộng hưởng khác gây ra đối với phần tử cộng hưởng thứ n. Thành phần cuối là bức xạ điện từ phản hồi tức thời tại tần số f n . Như vậy, việc căn cứ vào cường độ bức xạ điện từ lớn nhất để xác định tần số cộng hưởng là không chính xác, điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của dữ liệu tần số mã hóa. 2.2. Các phương pháp xác định tần số cộng hưởng mã hóa đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip Có hai phương pháp để xác định tần số cộng hưởng tạo ra bởi thẻ tag mã hóa tần số theo kiểu tán xạ ngược sóng điện từ đó là: (i) Xác định tần số cộng hưởng dựa trên biến đổi Fourier trong thời gian ngắn (STFT). Phương pháp này sẽ giải quyết được hạn chế của phép biến đổi Fourier thông thường là không có thông tin về thời gian của tín hiệu. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp STFT là có độ phân giải về tần số xác định được không cao, do vậy không phù hợp để sử dụng cho mục đích nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả mã hóa tần số. (ii) Xác định tần số cộng hưởng dựa trên đại lượng diện tích phản xạ ra-đa (RCS) của thẻ tag. Đại lượng này tỷ lệ thuận với công suất mà hệ thống thu nhận được, đồng thời thể hiện tính chất bức xạ công suất của thẻ tag trong dải tần số hoạt động. Do vậy, tại các tần số thu được công suất là cực đại được xác định là các tần số cộng hưởng mà thẻ tag tạo ra để mã hóa dữ liệu. Phương pháp này dễ thực hiện bằng các phần mềm mô phỏng, cũng như dễ đo kiểm bằng máy phân tích mạng véc-tor (VNA), có độ phân giải cao, do vậy được lựa chọn để xác định tần số cộng hưởng trong bài toán nâng cao khả năng mã hóa. 2.3. Ảnh hưởng của hỗ cảm đối với đối với độ tin cậy mã hóa tần số Khi thẻ tag nhận được sóng điện từ tới, thì bề mặt kim loại sẽ xuất hiện các dòng điện cảm ứng, các dòng điện này là lớn nhất tại tần số 8
xác định tương ứng với phần tử cộng hưởng cụ thể. Tuy vậy dòng điện trong phần tử này tạo ra từ trường biến thiên xung quanh, kép kín qua các phần tử cộng hưởng bên cạnh, làm phát sinh cường độ điện trường và dòng điện tương ứng. Các dòng điện mới sinh ra tham gia làm thay đổi tính chất bức xạ tín hiệu của thẻ tag theo tần số và làm cho tần số ứng với công suất bức xạ lớn khác với tần số của dòng điện cảm ứng lớn nhất. Điều này làm thay đổi độ tin cậy dữ liệu tần số cộng hưởng mà thẻ tag mã hóa. Xem xét hiện tượng hỗ cảm trên thẻ tag mã hóa tần số với mô hình mỗi phần tử cộng hưởng tương ứng là một mạch dao động RLC nối tiếp như Hình 2.7. Hình 2.7: Hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng theo mô hình mạch RLC. Mối liên hệ giữa dòng điện và điện áp trong các mạch RLC được mô tả bằng phương trình (2.55) thông qua tổng dẫn nạp Yi và hệ số hỗ cảm  ij do các phần tử khác tác động lên.  I1   Y1 12 13 1N   V1  I   Y2  23  2 N   V2   2   21    I 3  =   31  32 Y3  3 N   V3  (2.55)            I N   N1    N2 N3 YN  VN    Giải pháp tính toán để điều chỉnh lại thông số thiết kế của các phần tử cộng hưởng để phù hợp với ảnh hưởng của hỗ cảm, nhằm cố định được tần số cộng hưởng ban đầu cho tất cả các phần tử là rất khó thực 9
hiện. Lý do là bởi nếu một phần tử thay đổi kích thước sẽ làm thay đổi tất cả các hệ số hỗ cảm  ij còn lại, dẫn đến bài toán có rất nhiều biến. Trong khi đó, việc tính hệ số hỗ cảm giữa hai phần tử theo lý thuyết chỉ mang tính gần đúng. Chính vì khó khăn này cho nên hỗ cảm chính là yếu tố làm giảm độ tin cậy của dữ liệu tần số mà thẻ tag mã hóa. CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP MÃ HÓA TẦN SỐ NÂNG CAO CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP 3.1. Đặt vấn đề Để đánh giá hiệu quả mã hóa của một thiết kế thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số, một hệ số có tính tổng quát được thành lập theo biểu thức (3.1). D (3.1) A= SB Trong đó: - A (bit/ 𝜆2/GHz) là khả năng mã hóa, - D (bit) là số bit có thể mã hóa được, - S ( 𝜆2) là diện tích của cấu trúc thẻ tag tính theo bước sóng trung tâm, - B (GHz) là dải tần số mã hóa của thẻ tag. Đánh giá chung, hệ số A có giá trị càng lớn thể hiện số bit dữ liệu D mã hóa được càng lớn, kích thước S của cấu trúc càng nhỏ và dải tần số mã hóa B càng hẹp. Về lý thuyết, kích thước của thẻ tag phụ thuộc vào kiểu thẻ tag mã hóa được lựa chọn. Trong đó, như đã trình bày ở Chương 1 thì kiểu thẻ tag mã hóa theo nguyên lý tán xạ ngược sóng điện từ có kích nhỏ hơn kiểu truyền lại sóng điện từ. Trong điều kiện thực tế, kích thước của thẻ tag phụ thuộc vào độ dài bước sóng của các tần số cộng hưởng mã hóa và số phần tử có thể tích hợp được mà không làm sai lệch tần số do ảnh hưởng của hỗ cảm. Đải tần số mã hóa của cấu trúc dễ thực hiện hơn ở tần số thấp, điều này sẽ làm tăng diện tích S. Do sự ràng buộc này nên S được tính theo đơn vị bình phương bước sóng của tần số trung tâm. Việc thu hẹp dải tần số mã hóa B trong thực tế là khó khăn. Vì khi đó độ sai lệch tần số cộng hưởng mã hóa cho phép của mỗi phần tử sẽ giảm xuống, và dưới tác 10
động của hỗ cảm thì sẽ làm tăng nguy cơ sai dữ liệu mã hóa của thẻ tag. Giải pháp tăng số bit có thể mã hóa được D bằng cách tăng số phần tử cộng hưởng trên thẻ tag cũng dẫn đến tăng hỗ cảm hoặc tăng kích thước thẻ tag S. Do vậy vấn đề quan trọng cần đặt ra đó là xử lý được hỗ cảm để cố định được các tần số cộng hưởng theo các tần số mã hóa. 3.2. Đề xuất giải pháp cố định các tần số cộng hưởng mã hóa bằng thuật toán tối ưu bầy đàn Vì hỗ cảm sinh ra giữa các phần tử phụ thuộc vào thông số thiết kế của các phần tử cộng hưởng, do vậy vấn đề cần giải quyết là xác định lại tham số thiết kế của các phần tử cộng hưởng để bù lại ảnh hưởng sai lệch tần số do hỗ cảm gây ra. Việc tính toán tham số thiết kế mới theo lý thuyết là khó khăn và mang tính gần đúng như đã trình bày. Vì vậy, phương pháp tìm tham số thiết kế phù hợp là tìm kiếm tham số thiết kế tối ưu nhất dựa trên đánh giá kết quả đầu ra tương ứng với các trường hợp thay đổi của đầu vào. Luận án đã nghiên cứu, khảo sát các đánh giá về các thuật toán tối ưu cho các bài toán có tính chất tương tự từ đó lựa chọn thuật toán tối ưu bầy đàn PSO để áp dụng cho vấn đề này. Việc triển khai thuật toán PSO một cách thủ công cho bài toán tối ưu tham số thiết kế thẻ tag đặt ra để cố định tần số là không khả thi. Vì vậy, luận án đã thực hiện nghiên cứu triển khai với mục tiêu thực hiện tự động quá trình tối ưu với giải pháp đưa ra kết hợp sử dụng đồng thời hai phần mềm Malab và CST như Hình 3.3. Hình 3.3 Quá trình triển khai thuật toán PSO để tối ưu thiết kế thẻ tag. Quy trình thực hiện giải pháp cố định tần số cộng hưởng của thẻ tag theo thuật toán tối ưu PSO sử dụng đồng thời hai phần mềm Matlab và CST được thể hiện tại Hình 3.4. Theo đó, bước đầu tiên là lựa chọn bộ tần số cộng hưởng tương ứng với dữ liệu tần số cần mã hóa, sau đó tính toán tham số thiết kế lý thuyết cho dạng phần tử cộng hưởng cụ thể được lựa chọn. Tiếp theo là quá trình tối ưu tham số thiết kế thông 11
qua ba bước cơ bản là Mô phỏng – Đánh giá – Đề xuất tham số bằng thuật toán PSO và lặp lại. Để cập nhật được thông số thiết kế tối ưu thì cần có hàm mục tiêu để đánh giá mức độ hội tụ của các bộ thông số đề xuất. Quá trình tối ưu tham số này chỉ dừng lại sau một giới hạn các vòng lặp đủ lớn để thông số thiết kế thẻ tag tối ưu đạt được có đáp ứng tần số cộng hưởng đã cố định được theo các tần số mã hóa. Hình 3.4 Quá trình triển khai thuật toán PSO để cố định tần số. Độ sai lệch so với tần số mã hóa ban đầu tại các tần số cộng hưởng là khác nhau, thể hiện mức độ hỗ cảm tác động ban đầu là khác nhau lên các phần tử tương ứng. Nếu độ sai lệch so với một tần số mã hóa là lớn thì có nghĩa là ảnh hưởng của hỗ cảm tác động lên phần tử cộng hưởng tương ứng với tần số đó là lớn, dẫn đến cần phải điều chỉnh thông số thiết kế nhiều hơn. Để thể hiện bằng giá trị hàm mục tiêu, thì sự thay đổi của phần tử này về tần số cộng hưởng phải làm thay đổi giá trị của hàm mục tiêu lớn. Từ đó, thuật toán PSO sẽ hoạt động điều chỉnh thông số thiết kế của phần tử đó nhiều hơn. Từ phân tích này đưa đến đề xuất là trong hàm mục tiêu cần có trọng số thể hiện sự sai lệch tần số ban đầu so với tần số mã hóa cần cố định. Ngoài ra, để tăng cường khả năng hội tụ sau ít vòng lặp, độ sai lệch tần số so với tần số cộng hưởng mã hóa xác định trước trong hàm mục tiêu cần phải có bậc chẵn và lớn. Từ các phân tích trên, biểu thức hàm mục tiêu tổng quát hội tụ với giá trị nhỏ được đề xuất như biểu thức (3.3). N   ( f − Fi ) (3.3) 4 o = i i i =1 Trong đó: - N là số phần tử cộng hưởng, -  i là trọng số độ lệch ban đầu của tần số cộng hưởng thứ i, - fi là tần số cộng hưởng tạo ra bởi phần tử thứ i, 12
- Fi là các tần số mã hóa của phần tử thứ i xác định trước. Như vậy, bằng việc sử dụng thuật toán tối ưu PSO, lập trình tự động kết hợp đồng thời hai phần mềm Matlab và CST, đề xuất được hàm mục tiêu phù hợp cho thuật toán, luận án đã đề xuất được giải pháp cố định tần số mã hóa cho các cấu trúc thẻ tag mã hóa các dữ liệu khác nhau theo các tần số xác định trước. 3.3. Thiết kế thẻ tag cố định theo tần số mã hóa xác định trước bằng giải pháp đề xuất Giải pháp cố định tần số cộng hưởng theo các tần số mã hóa sử dụng thuật toán tối ưu PSO đã đề xuất thì có thể xử lý được triệt để ảnh hưởng của hỗ cảm tác động giữa các phần tử. Do vậy, có thể lựa chọn phần tử cộng hưởng có thông số đơn giản để hạn chế số biến thiết kế cần tối ưu, đồng thời tăng khả năng tích hợp số phần tử trên một cấu trúc mã hóa. Hình 3.7: Cấu trúc thẻ tag mã hóa năm tần số cộng hưởng cơ bản Từ nhận xét đó, luận án lựa chọn thiết kế một cấu trúc thẻ tag sử dụng kỹ thuật tán xạ ngược và phần tử cộng hưởng có dạng khe cộng hưởng dạng chữ I được khắc trên bề mặt vật liệu dẫn. Năm phần tử cộng hưởng được lựa chọn cho thiết kế với dải tần số hoạt động được chọn trong khoảng từ 6,0GHz đến 8,0GHz thuộc trung tâm của dải tần UWB với lần lượt các tần số cộng hưởng cơ bản là: [6,3 6,6 6,9 7,2 7,5] (GHz). Thẻ tag tích hợp 5 phần tử cộng hưởng được thiết kế theo các tần số cơ bản với khoảng cách giữa các phần tử là 2,0mm được thể hiện ở Hình 3.7. Kích thước chiều dài của mỗi phần tử được tính toán và hiệu chỉnh để cộng hưởng tại tần số cơ bản tương ứng của phần tử 13
đó, lần lượt là: [21,39 20,32 19,32 18,41 17,61] (mm). Đáp ứng tần số cộng hưởng ban đầu của thẻ tag này là: [6,10 6,42 6,77 7,12 7,52] (GHz), nhận thấy có 4 trên 5 tần số cộng hưởng không thỏa mãn giới hạn sai lệch tần số mã hóa cho phép là ±0,05 GHz. Thực hiện giải pháp cố định tần số sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn đề xuất để tìm kiếm thông số tối ưu cho các chiều dài và khoảng cách giữa các phần tử. Kết quả hội tụ của giá trị hàm mục tiêu tiến về giá trị nhỏ nhất sau 50 vòng lặp được thể hiện như Hình 3.9. Hình 3.9: Trạng thái hội tụ của giá trị hàm mục tiêu Thông số thiết kế tối ưu đạt được đối với chiều dài các phần tử cộng hưởng lần lượt là: [20,55 19,80 17,43 18,72 18,04] (mm). Khoảng cách giữa các phần tử lần lượt là: [1,13 1,00 1,04 1,25] (mm). Đáp ứng tần số cấu trúc đã tối ưu (nét liền) so với cấu trúc ban đầu (nét đứt) được thể hiện ở Hình 3.11. Hình 3.11: Đáp ứng tần số của cấu trúc tối ưu 14
Dễ thấy, các tần số cộng hưởng của cấu trúc tối ưu đạt được lần lượt là [6,30 6,61 6,89 7,22 7,47] (GHz) đã thuộc giới hạn sai số cộng hưởng cho phép là ±0,05 GHz xung quanh tần số cộng hưởng cơ bản đặt ra. Như vậy, thiết kế tối ưu của thẻ tag đã loại bỏ được ảnh hưởng của hiện tượng hỗ cảm làm sai lệch tần số cộng hưởng. Kết quả này đã khẳng định tính đúng đắn của giải pháp cố định tần số mã hóa mà luận án đề xuất. 3.4. Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số tham chiếu (FRC) Sau khi đề xuất được giải pháp để cố định tần số cộng hưởng theo các tần số mã hóa thì các giải pháp mã hóa nâng cao được luận án đề xuất. Hình 3.13 mô tả thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp mã hoa nâng cao bằng các tần số tham chiếu FRC được đề xuất. Hình 3.13: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp FRC Theo đó, sử dụng cùng tập tần số mã hóa N  M giống với phương pháp mã hóa theo tần số dịch FSC. Tuy nhiên, N tần số được chọn để mã hóa bit nhị phần và N  ( M − 1) tần số còn lại gọi là các tần số tham chiếu. Các phần tử có thể cộng hưởng theo tần số tham chiếu hoặc tần số mã hóa bit. Vì thẻ tag có thể tích hợp tối đa N phần tử, do vậy số trường hợp dữ liệu tần số mã hóa theo phương pháp này được tính theo biểu thức (3.7). N CFRC = C k =0 k N ( M −1) 2 N −k (3.7) Giải pháp mã hóa này giúp mở rộng được số trường hợp mã hóa tần số của phương pháp FSC đồng thời kế thừa được ưu điểm của phương pháp OOK là khả năng gán nhãn dữ liệu theo bit. Do vậy, giải 15
pháp này phù hợp cho định danh sản phẩm trong bán lẻ. Theo đó, dữ liệu tần số tham chiếu sẽ mã hóa cho các chủng loại sản phẩm và dữ liệu tần số cơ bản sẽ mã hóa và gán nhãn theo bit cụ thể cho các sản phẩm thuộc chủng loại sản phẩm đó. 3.5. Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số xác định trước (FPC) Giải pháp mã hóa đề xuất thứ hai được gọi là FPC có mục đích mở rộng tối đa số dữ liệu có thể mã hóa được với số tần số cộng hưởng giống với phương pháp FSC là N  M . Hình 3.15 mô tả thẻ tag mã hóa tần số theo giải pháp mã hóa FPC đề xuất. Hình 3.15: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp FPC Trong đó, mỗi phần tử có thể cộng hưởng tại bất kỳ tần số mã hóa nào trong tập N  M tần số mã hóa bằng phương pháp cố định tần số đề xuất. Do vậy, biểu thức tính số dữ liệu tần số của phương pháp mã hóa bằng các tần số xác định trước FPC mà luận án đề xuất được thể hiện ở biểu thức (3.9). N CFPC = C k =0 k N M (3.9) Để so sánh số bit mã hóa được của phương pháp mã hóa FPC với các phương pháp mã hóa còn lại theo số bit tương đối được tính bằng logarith cơ số 2 của tổng số dữ liệu có thể mã hóa được của phương pháp đó. Bề mặt giá trị số bit mã hóa được của các phương pháp được biểu diễn ở Hình 3.17 với khoảng thay đổi giá trị N và M đều là [1, 10]. Theo đó, bề mặt cao nhất bao trùm các bề mặt còn lại với mọi điểm trong trường hợp này là bề mặt giá trị số bit của phương pháp FPC đề xuất. Mặc dù độ chênh lệch mặt phẳng số bit mã được so với 16
phương pháp FRC không lớn, tuy nhiên một bit tương ứng số dữ liệu mã hóa tăng gấp đôi nên số lượng này là rất lớn khi mã hóa số bit cao. Hình 3.17 Mặt phẳng giá trị số bit của các phương pháp mã hóa CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO KHẢ NĂNG MÃ HÓA CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP Hình 4.1 thể hiện đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tích hợp 20 phần tử cộng hưởng so với đáp ứng RCS của các thẻ tag tích hợp 1 phần tử. Hình 4.1: Đánh giá giá trị RCS của thẻ tag 20 phần tử Nhận thấy, tại một số tần số cộng hưởng biên độ đã bị suy giảm đến ngưỡng khó phân biệt điểm cực tiểu, do vậy dữ liệu mã hóa theo tần số có độ tin cậy không cao. Từ đây, đặt ra yêu cầu thiết kế nâng 17
cao thứ nhất là: giá trị RCS của các điểm cực tiểu cần phải được đánh giá trong quá trình thiết kế tối ưu thẻ tag để đạt được độ tin cậy của dữ liệu tần số mà thẻ tag mã hóa. Đối với yêu cầu đặt ra này, sẽ khó thực hiện được trong điều kiện hệ số phẩm chất sử dụng của vật liệu không tốt hoặc tần số cộng hưởng mã hóa có độ chênh lệch thấp. Điều này dẫn đến thuật toán tối ưu bầy đàn cần nhiều phần tử và vòng lặp để có thể tìm ra được kết quả thỏa mãn. Trong thực tế cần kết thúc quá trình tìm kiếm tối ưu trong thời gian giới hạn. Từ đây, đặt ra yêu cầu thiết kế nâng cao thứ hai là cần phải nâng cao được hiệu quả của quá trình tối ưu thông số thiết kế của thẻ tag bằng thuật toán tối ưu bầy đàn PSO. 4.1. Đề xuất hàm mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy tần số cộng hưởng mã hóa Để đánh giá được đại lượng RCS trong quá trình tối ưu, luận án đề xuất hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu thẻ tag mã hóa tần số như sau: f N −1  (  ) N  min F   ( fi − Fi ) − 4 2 o = i RCS (4.11) i =1 f i =1 Trong đó thành phần đầu tiên phục vụ cho mục đích cố định tần số cộng hưởng, tương tự như hàm mục tiêu đã đề xuất ở Mục 3.2 và có hế sô mũ là 4. Thành phần  iRCS là giá trị sai lệch của đại lượng RCS tại tần số cộng hưởng thứ i và điểm cực đại tiếp theo. Thành phần này có hệ số mũ là 2 để thuật toán ưu tiên cố định tần số mã hóa hơn giá trị RCS tại tần số cộng hưởng. Điều này là phù hợp vì mục đích cố định tần số quan trọng hơn, còn nâng cao độ phân biệt giá trị RCS có thể đạt được bằng chất lượng của môi trường và hệ thống đo. Giá trị RCS tại các tần số cộng hưởng mã hóa có giới hạn nhỏ nhất là đáp ứng đối với các thẻ tag chỉ tích hợp một phần tử cộng hưởng, do đó đã đảm bảo tính hội tụ của hàm mục tiêu đề xuất. 4.2. Đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng phần tử khởi tạo cho thuật toán tối ưu Để nâng cao được hiệu quả tối ưu thể hiện bằng việc rút ngắn được thời gian tìm kiếm được kết quả thỏa mãn thì giải pháp mà luận án đề xuất đó là cần nâng cao chất lượng của các phần tử khởi tạo ban đầu. Giải pháp đầu tiên là sử dụng bộ tham số thiết kết theo lý thuyết đã được hiệu chỉ để cộng hưởng tại các tần số mã hóa tương ứng, và tỷ lệ 18