Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
PHÂN TÍCH CÁC KỸ THUẬT ƯỚC TÍNH THẺ RFID
TRONG GIAO THỨC DFSA
*
Nguyễn Văn Vũ , Huỳnh Bửu Ngọc
Trường Đại học An Giang
*Email: [email protected]
Ngày nhận bài: 27/8/2018; ngày hoàn thành phản biện: 7/9/2018; ngày duyệt đăng: 10/12/2018
TÓM TẮT
RFID là một công nghệ nhận dạng tự động được triển khai trong khá nhiều ứng
dụng thực tế ngày nay. Trong một hệ thống RFID, các đầu đọc thực hiện nhận
dạng các thẻ thông qua sóng vô tuyến mà không cần tiếp xúc. Một vấn đề kỹ thuật
trong nhận dạng thẻ RFID là xung đột thẻ sẽ xảy ra khi có nhiều thẻ được đọc
đồng thời bởi một đầu đọc. Một số kỹ thuật ước tính thẻ do đó đã được đề xuất
nhằm giảm xung đột, giảm lãng phí băng thông đường truyền, giảm số lần truy
vấn và kết quả là tăng hiệu quả đọc thẻ. Bài viết này sẽ phân tích một số kỹ thuật
ước tính thẻ đã được đề xuất trong giao thức DFSA và so sánh dựa trên kết quả mô
phỏng.
Từ khoá: Hệ thống RFID, DFSA, xung đột thẻ, kỹ thuật ước tính, hiệu quả hệ
thống.
1. MỞ ĐẦU
Công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến (Radio Frequency
Identification - RFID) được xem là một giải pháp hiệu quả nhằm thay thế công nghệ mã
vạch (barcode) trong các lĩnh vực như quản lý chuỗi cung ứng, phân phối, nông nghiệp,
quân sự, y tế, ngân hàng… Một đầu đọc RFID có thể đọc dữ liệu từ các thẻ RFID mà
không cần tiếp xúc và có khả năng đọc nhiều thẻ cùng lúc trong vùng phủ sóng của nó,
trong khi các đầu đọc mã vạch chỉ có thể đọc được một mã vạch tại một thời điểm [1].
Một hệ thống RFID bao gồm 3 thành phần: các thẻ RFID (tag), các đầu đọc RFID
(reader) và thành phần trung gian thường là một máy chủ để lưu trữ và quản lý dữ liệu.
Thẻ RFID có một ăng-ten để gửi và nhận dữ liệu. Các thẻ RFID được phân làm ba loại
chính: thẻ chủ động (active), thẻ thụ động (passive) và thẻ bán thụ động (semi-active,
51
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
semi-passive). Đầu đọc RFID có thể ghi dữ liệu vào thẻ và đọc dữ liệu từ thẻ và gửi đến
máy chủ để xử lý [2].
Một vấn đề quan trọng của hệ thống RFID là hiệu quả nhận dạng thẻ. Khi có
nhiều thẻ chiếm cùng một kênh truyền thông (radio frequency - RF) tại một thời điểm,
xung đột (collision) sẽ xảy ra; khi đó đầu đọc không thể nhận dạng được dữ liệu của thẻ
và kết quả là hiệu quả nhận dạng thẻ thấp. Một giải pháp cho vấn đề này là mở rộng
băng tần để tăng tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu xung đột. Tuy nhiên, việc mở
rộng băng tần là không khả thi vì các dải tần số có thể sử dụng là có giới hạn, nên một
số kỹ thuật giảm thiểu xung đột khác được đề xuất trong đó có kỹ thuật ước tính thẻ
[3].
ALOHA [4] là một giao thức đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division
Multiple Access - TDMA). Với giao thức này, một thẻ sẽ bắt đầu truyền ngay khi nó sẵn
sàng và có dữ liệu để gửi. Chu kỳ đọc là khoảng thời gian giữa hai yêu cầu (request
commands) liên tiếp và có thể được lập lại cho đến khi tất cả các thẻ trong vùng phủ
sóng đều đã được nhận dạng. Ưu điểm của giao thức này là đơn giản, nhưng nhược
điểm là tạo ra nhiều xung đột (một phần và toàn phần), như được thể hiện ở Hình 1.
1. Ví dụ về xung đột một phần và toàn phần trong giao thức ALOHA
FSA (Framed Sloted ALOHA) là một cải tiến của giao thức ALOHA với việc bổ
sung khái niệm khung (frame) [5]. Mỗi khung được chia thành các khe thời gian (slots)
bằng nhau. Kích thước khung được xác định bởi đầu đọc. Mỗi thẻ sẽ chọn ngẫu nhiên
một khe; nếu không có xung đột xảy ra, thẻ sẽ không phải truyền dữ liệu trong chu kỳ
kế tiếp. Ưu điểm của FSA là loại bỏ xung đột một phần, nhưng xung đột toàn phần
vẫn xảy ra nếu có nhiều thẻ trong vùng đọc của một đầu đọc. Hình 2 mô tả một chu kỳ
hoạt động của giao thức FSA.
52
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
nh 2. Mô tả một chu kỳ hoạt động của giao thức FSA
FSA được phân thành hai loại: BFSA (Basic Framed Slotted ALOHA) dựa trên
việc sử dụng kích thước khung cố định [6] và DFSA (Dynamic Framed Slotted ALOHA)
dựa trên việc thay đổi kích thước khung [7]. BFSA duy trì kích thước khung cố định
trong suốt quá trình hoạt động nên gây ra nhiều xung đột nếu số lượng thẻ cao, trong
khi gây ra lãng phí băng thông nếu số lượng thẻ thấp. DFSA khắc phục được nhược
điểm này bằng cách thay đổi kích thước khung chuyển biến theo số lượng thẻ: khi số
lượng thẻ ít, kích thước khung được điều chỉnh nhỏ; nhưng khi số lượng thẻ cao, kích
thước khung được điều chỉnh tăng. Việc điều chỉnh kích thước khung trong DFSA
được dựa trên kết quả của chu kỳ trước đó gồm các thông tin: số khe rỗi, số khe xung
đột và số khe chỉ có một thẻ. So với BFSA, DFSA có xác suất xung đột thấp hơn; nhưng
nếu số lượng thẻ nhiều, xác suất bị xung đột thẻ sẽ cao vì kích thước khung không thể
tăng liên tục trong nhiều chu kỳ [8]. Tuy vậy, việc ước tính thẻ để xác định kích thước
khung tối ưu luôn là một vấn đề rất quan trọng trong các hệ thống RFID, nhằm làm
giảm xung đột và tăng hiệu quả của hệ thống. Bài viết này sẽ phân tích một số kỹ thuật
ước tính thẻ đã được đề xuất cho giao thức DFSA, từ đó đề xuất một số hướng phát
triển nhằm nâng cao hiệu quả đọc thẻ của nó.
2. VẤN ĐỀ UỚC TÍNH THẺ TRONG GIAO THỨC DFSA
Trong giao thức DFSA, việc thay đổi kích thước khung phù hợp được dựa trên
kết quả ước tính của chu kỳ trước đó. Gọi E là số khe rỗi, S là số khe chỉ có một thẻ và
C là số khe xung đột, ta có một bộ ba <E, S, C>.
Có thể sử dụng công thức của Schout (1) hoặc Vogt (2) để ước tính số thẻ chưa
đọc.
53
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
Công thức của Schout [9], [10]:
n =S + 2.39C
(1)
Công thức của Vogt [9], [10]:
Đầu tiên, số thẻ chưa đọc ít nhất được ước tính dựa vào số khe xung đột và số
khe thành công. Mỗi khe xung đột có ít nhất là hai thẻ cùng chọn để truyền số ID, do
đó số thẻ chưa đọc ít nhất được ước tính bằng Công thức (2).
n =S + 2C
(2)
Tiếp theo, để ước tính số lượng thẻ chưa đọc chính xác hơn, công thức ước tính
kết hợp với bộ ba <E, S, C> có thể được sử dụng.
a
E
0
nVogt min a S
(3)
1
n
ak
C
trong đó,
tương ứng với giá trị mong đợi của số khe rỗi, số khe chỉ có một thẻ
và số khe xung đột được tính như trong [9], [10].
Khi đầu đọc sử dụng kích thước khung hiện tại F và số lượng thẻ ước tính nhỏ
nhất n từ Công thức (1), thì xác suất các thẻ tồn tại trong một khe thời gian r được tính
bởi Công thức (4).
r
nr
n
1
1
B
r
1
(4)
1
n,
r
F
F
F
Kết quả mong đợi của khe thời gian r trong chu kỳ đọc được tính bởi Công thức
(5)
r
nr
n
1
1
arF,n FB
r F
1
(5)
1
n,
r
F
F
F
Từ đó có thể suy ra
:
n
n1
1
1
a0 F 1
a1 n 1
(6)
ak F a0 a1
F
F
;
;
.
Sau khi ước tính được số lượng thẻ chưa đọc, vấn đề đặt ra là thiết lập kích
thước khung như thế nào cho phù hợp. DSFA có thể sử dụng bảng tra cứu được đề
xuất trong [9] (Bảng 1) để lựa chọn kích thước khung phù hợp cho chu kỳ tiếp theo.
54
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
Bảng 1. Bảng ngưỡng trên, ngưỡng dưới và kích thước khung tối ưu tương ứng
Kích thước khung tối ưu
Ngưỡng dưới
1
-
4
-
8
-
16 32 64 128 256
1
9
10 17 51 112
27 56 129
Ngưỡng trên
-
-
-
∞
Khi số thẻ ước tính vượt quá ngưỡng trên, đầu đọc tăng kích thước khung;
nhưng khi số thẻ ước tính nhỏ hơn ngưỡng dưới, đầu đọc sẽ giảm kích thước khung.
Việc tăng hoặc giảm kích thước khung có thể được thiết lập bằng cách lấy kích thước
khung hiện tại nhân hoặc chia cho công bội là 2 [9]. Việc điều chỉnh kích thước khung
được lặp lại cho đến khi xác định được kích thước khung phù hợp cho chu kỳ tiếp
theo. Quá trình nhận dạng được lặp lại cho đến khi không có xung đột xảy ra, có nghĩa
là tất cả các thẻ trong vùng phủ sóng được nhận dạng.
Trong DSFA, do kích thước khung được khởi tạo nhỏ, nên trong trường hợp số
lượng thẻ cần nhận dạng lớn thì DFSA phải tăng kích thước khung lên tối đa (256 khe)
trong nhiều chu kỳ liên tục; tuy nhiên kích thước khung tối đa này vẫn nhỏ hơn nhiều
so với số thẻ chưa nhận dạng và kết quả là xung đột thẻ vẫn cao. Một số cải tiến cho
DFSA do dó đã được đề xuất [11], [12] mà sẽ được phân tích kỹ hơn trong phần tiếp
theo.
3. PHÂN TÍCH MỘT SỐ KỸ THUẬT ƯỚC TÍNH THẺ TRONG GIAO THỨC DSFA
3.1. Kỹ thuật EDFSA
Với trường hợp số lượng thẻ ước tính được là lớn hơn rất nhiều so với kích
thước khung tối đa (256), kỹ thuật EDFSA (Enhanced Dynamic Framed Slotted ALOHA)
trong [11] có thể được sử dụng. Kỹ thuật này hạn chế số lượng thẻ trả lời đến đầu đọc
bằng cách chia số thẻ chưa đọc vào các nhóm và chỉ cho phép một nhóm thẻ trả lời. Số
lượng nhóm được tính bằng Công thức (7).
(7)
trong đó
là kích thước khung tối đa.
Rõ ràng M có thể nhận nhiều giá trị khác nhau. Để đơn giản cho việc cài đặt,
EDFSA thiết lập số nhóm là 2, 4, 8, … Sau khi ước tính số lượng thẻ chưa đọc, EDFSA
kết hợp cả việc đặt lại kích thước khung và đồng thời đưa ra số nhóm trong chu kỳ tiếp
theo dựa vào kết quả đã ước tính.
Trong các kỹ thuật ước tính thẻ, hiệu quả của hệ thống sẽ giảm khi số lượng thẻ
lớn hơn nhiều so với kích thước khung tối đa. Với kích thước khung hiện tại F và số
55
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
lượng thẻ ước tính n, kết quả mong đợi của khe thành công trong chu kỳ đọc được viết
lại bởi Công thức (8) là
n1
1
1
a1F,n FB 1 n.F
1
(8)
1
n,
F
F
F
trong đó
là số khe thời gian mong đợi chỉ có một thẻ đăng ký. Khi đó hiệu quả của
hệ thống được tính bằng Công thức (9).
a1F ,n
F
SE
(9)
Khi số lượng thẻ ước tính không lớn hơn nhiều so với kích thước khung tối đa,
thì việc chia các thẻ thành hai hay một nhóm với kích thước khung 256 đều cho hiệu
quả hệ thống gần bằng nhau. Công thức (10) với trường hợp chia thành hai nhóm có
thể suy ra từ Công thức (9).
a1256,n/2 a1256,n
(10)
256
256
Thay (8) vào (10), Công thức (11) thu được là
n
1
2
n
1
1
1
1
n1
(11)
1
n
1
2 256
256
256
256
Như vậy việc EDFSA dựa vào số lượng ước tính thẻ để thiết lập đồng thời kích
thước khung và số nhóm thì sẽ làm cho thuật toán đơn giản hơn là tách rời hai công
việc này. Nếu số lượng thẻ ước tính lớn hơn 354, để đạt hiệu quả hệ thống tối ưu,
EDFSA phải chia số lượng thẻ chưa đọc thành hai nhóm. Tương tự, Công thức (11)
cũng giúp tính được nếu số lượng thẻ ước tính lớn hơn hoặc bằng 708 thì sẽ thiết lập
thành bốn nhóm. Bảng 2 mô tả cách thiết lập kích thước khung và số nhóm tương ứng
với số thẻ chưa đọc.
Bảng 2. Số thẻ chưa đọc so với kích thước khung tối ưu và số nhóm
Số thẻ chưa đọc Kích thước khung (F) Số nhóm (M)
…
…
…
8
1417 – 2831
708 – 1416
355 – 707
177 – 354
82 – 176
256
256
256
256
128
4
2
1
1
56
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Số thẻ chưa đọc Kích thước khung (F) Số nhóm (M)
Tập 13, Số 1 (2018)
41 – 81
20 – 40
12–19
6–11
64
32
16
8
1
1
1
1
…
…
…
Một vấn đề có thể nhận thấy rằng, khi số lượng thẻ ước tính nhiều hơn kích
thước khung tối đa, EDFSA sử dụng kỹ thuật nhóm thẻ nhằm hạn chế số lượng thẻ trả
lời đến đầu đọc, nên số khe xung đột sẽ giảm và tăng hiệu quả hệ thống. Tuy nhiên,
điều này cũng làm tăng số khe rỗi do khi chia nhóm thì số thẻ cho phép trả lời đến đầu
đọc nhỏ hơn so với kích thước khung tối đa. Kỹ thuật 2CTE (2 Conditional Tag
Estimation) trong [8] đã khắc phục được nhược điểm này bằng cách bên cạnh việc cố
gắng giảm khe xung đột khi kích thước khung nhỏ hơn số lượng thẻ, nó còn cố gắng
giảm số lượng khe rỗi khi kích thước khung lớn hơn số lượng thẻ.
3.2. Kỹ thuật 2CTE
2CTE sử dụng kết quả bộ ba <E, S, C> của chu kỳ trước để ước tính số thẻ chưa
đọc nhỏ nhất từ Công thức (3), đồng thời đặt các giá trị như xác suất trung bình số khe
rỗi tối ưu là OES=0.37, xác suất trung bình số khe thành công tối ưu OSS=0.37 và xác
suất trung bình số khe xung đột tối ưu OCS=0.26. Các giá trị xác suất này được xác
định khi hiệu quả hệ thống tốt nhất đạt được trong giao thức DFSA [4]. Ngoài ra, 2CTE
dựa vào xác suất trong khung hiện tại như xác suất số khe rỗi B0, xác suất số khe thành
công B , và xác suất số khe xung đột B để tính độ lệch tương ứng giữa xác suất trung
1
k
bình tối ưu và xác suất trong khung hiện tại. Các giá trị xác suất B
r
được tính bằng
Công thức (4).
Để giảm số khe xung đột, 2CTE căn cứ vào xác suất xung đột tồn tại trong mỗi
khe thời gian. Nếu xác suất số khe xung đột trong chu kỳ trước đó lớn hơn 26% thì
giảm khe xung đột, tức là tăng kích thước khung trong chu kỳ tiếp theo. Để tăng kích
thước khung không vượt quá số thẻ chưa đọc, 2CTE xét thêm hai trường hợp sau:
Nếu xác suất số khe xung đột B
k
lớn hơn 50% thì số thẻ chưa đọc (kích thước
khung chu kỳ tiếp theo) được ước tính bằng Công thức (12).
n' 2C 0.75 2E
F
(12)
0
Nếu xác suất số khe xung đột B
k
lớn hơn 26% và nhỏ hơn 50% thì ước tính thẻ
chưa đọc được tính bằng Công thức (13).
n' 2C 0.75 E S
F S
(13)
0
0
57
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
Ngoài ra, 2CTE cũng cố gắng giảm khe rỗi, tức là giảm kích thước khung trong
chu kỳ tiếp theo khi số khe thành công và số khe rỗi lớn hơn số khe xung đột và xác
của suất số khe xung đột nhỏ hơn 26%. Khi giảm kích thước khung trong chu kỳ tiếp
theo, 2CTE chia làm hai trường hợp:
Nếu xác suất số khe xung đột B
k
nhỏ hơn 26% và xác suất số khe rỗi B
0
nhỏ
hơn 50% thì ước tính thẻ chưa đọc được tính bằng Công thức (14)
(14)
n nS
Nếu xác suất số khe xung đột B
k
nhỏ hơn 26% và xác suất số khe rỗi B
0
lớn
hơn 50% thì ước tính thẻ chưa đọc được tính bằng Công thức (15)
n n S E F
0
(15)
trong đó, n’ là kết quả ước tính thẻ mới sau khi thực hiện hai phần trên và thiết lập n’
là kích thước khung mới cho chu kỳ tiếp theo. là độ lệch giữa xác suất trung
bình tối ưu và xác suất trong một khung hiện tại tương ứng với số khe xung đột, số
khe rỗi và số khe thành công. Các giá trị được tính theo các Công thức (16), (17), (18):
B0 OES E0 E0 B0 0.37
B OSS S0 S0 B 0.37
(1)
(2)
(3)
1
1
Bk OCS C0 C0 Bk 0.26
Trong 2CTE, việc ước tính thẻ dựa trên xác suất trung bình tối ưu của số khe
thành công, số khe rỗi và số khe xung đột. Kỹ thuật này ước tính thẻ và thay đổi kích
thước khung tương đối gần bằng với số lượng thẻ chưa đọc trên thực tế; bên cạnh việc
giảm xung đột còn tính đến việc giảm khe rỗi để tránh lãng phí khe thời gian, từ đó
cho thấy tổng số khe dùng để nhận dạng thẻ là thấp hơn DFSA, EDFSA và cho hiệu
quả hệ thống tốt.
Một so sánh giữa các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA được
thể hiện trong Bảng 3.
Bảng 3. So sánh các ưu điểm và nhược điểm của các kỹ thuật ước tính thẻ.
Giao thức/
Đặc điểm
Ưu điểm
Nhược điểm
Kỹ thuật
DFSA
Thay đổi kích thước khung
Giảm số khe xung đột
Tăng số khe rỗi
Nhóm thẻ; hạn chế số thẻ trả Giảm số khe xung đột
lời
Tăng số khe thời gian
EDFSA
2CTE
Cân bằng số khe xung đột giảm Giảm thời gian để Tăng xung đột nếu số
58
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Giao thức/
Tập 13, Số 1 (2018)
Nhược điểm
Đặc điểm
Ưu điểm
Kỹ thuật
và số khe rỗi giảm
nhận dạng hết tất cả thẻ cần đọc lớn
các thẻ
4. SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ DỰA TRÊN MÔ PHỎNG
Các thuật toán được cài đặt bằng bằng ngôn ngữ Java trên PC CPU Intel Core
i3-2330M. 2.20GHZ, 4GB RAM. Xét các trường hợp số thẻ cần nhận dạng thay đổi từ 50
đến 100 thẻ. Để giảm sự phức tạp của quá trình mô phỏng, giả định rằng không có bất
kỳ thẻ nào được thêm vào hoặc rời đi khỏi vùng đọc trong các chu kỳ đọc. Mục tiêu mô
phỏng là so sánh các giá trị SE, TE, TS, TC, NC, NS của các kỹ thuật EDFSA, 2CTE với
DFSA.
Các tiêu chí so sánh gồm:
SE: Hiệu quả hệ thống được đánh giá dựa vào kết quả số khe rỗi, số khe
thành công và số khe xung đột, được tính như trong [4]:
TS
SE
TS TE TC
TE: Tổng số khe rỗi trong quá trình nhận dạng thẻ.
TS: Tổng số thẻ đọc thành công trong quá trình nhận dạng thẻ, hay nói cách
khác là tổng số khe thành công trong quá trình nhận dạng thẻ.
TC: Tổng số khe xung đột trong quá trình nhận dạng thẻ.
NC: Tổng số chu kỳ dùng để nhận dạng các thẻ trong vùng phủ sóng của đầu
đọc
NS: Tổng số khe thời gian mà đầu đọc dùng để nhận dạng được hết thẻ.
Xét về hiệu quả hệ thống (SE), kết quả mô phỏng trong Hình 3 cho thấy 2CTE
đạt được hiệu quả cao nhất đối với tất cả các trường hợp thay đổi số lượng thẻ cần
nhận dạng (từ 50 đến 1000 thẻ).
59
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
3. So sánh giá trị hiệu quả hệ thống (SE) với số thẻ cần nhận dạng thay đổi.
Khi xem xét đến các tiêu chí thành phần: TS, TE và TC, Hình 4 cho thấy khi số
thẻ cần nhận dạng dưới 500, số khe xung đột của các kỹ thuật là tương đương nhau;
nhưng khi số thẻ tăng cao (hơn 500), tổng số khe xung đột của 2CTE và EDFSA thấp
hơn nhiều so với DSFA. Điều này cho thấy 2CTE và EDFSA giảm xung đột tốt hơn khi
số thẻ cần nhận dạng tăng. Tuy nhiên, dựa vào công thức tính hiệu quả hệ thống (SE),
để tăng hiệu quả hệ thống không chỉ phải giảm xung đột mà còn phải giảm số khe rỗi,
bởi vì khi khe rỗi tăng sẽ làm tăng tổng thời gian nhận dạng tất cả các thẻ, gây lãng phí
về mặt băng thông và thời gian.
4. So sánh tổng số slot xung đột (TC) với số thẻ cần nhận dạng thay đổi
Trong Hình 5, EDFSA có tổng số khe rỗi tương đối thấp hơn so với DFSA khi số
thẻ cần nhận dạng dưới 200 thẻ. Tuy nhiên, khi số thẻ cần nhận dạng trên 500 thẻ, số
khe rỗi của EDFSA tăng cao do phải nhóm thẻ để hạn chế số thẻ trả lời đến đầu đọc.
Điều này cho thấy EDFSA chỉ quan tâm đến việc giảm khe xung đột để tăng hiệu quả
hệ thống, mà không quan tâm đến việc giảm khe rỗi. Trong khi đó, do 2CTE có quan
tâm giảm khe rỗi nên có tổng số khe rỗi thấp hơn hẳn so với EDFSA và DFSA. Việc
60
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
giảm khe rỗi cũng được xem xét đồng thời với giảm khe xung đột nên khi số thẻ cần
nhận dạng quá lớn (1000 thẻ), số khe rỗi của 2CTE sẽ cao hơn một ít so với DFSA,
nhưng xét về hiệu quả hệ thống thì 2CTE vẫn tốt hơn do xung đột đã được giảm đáng
kể.
5. So sánh tổng số khe rỗi (TE) với số thẻ cần nhận dạng thay đổi
Để giảm số khe xung đột và giảm số khe rỗi, 2CTE cần nhiều chu kỳ hơn so với
DFSA và EDFSA để điều chỉnh kích thước khung cho phù hợp (Hình 6). Số chu kỳ là
số lần đầu đọc gởi khung đến các thẻ.
6. So sánh tổng số chu kỳ để đọc hết thẻ (NC) với số thẻ cần nhận dạng thay đổi
Với kỹ thuật DFSA và EDFSA, tổng số chu kỳ dùng để nhận dạng các thẻ thay
đổi từ 50 thẻ đến 500 thẻ tương đối gần bằng nhau chỉ chênh lệch khoảng 1 đến 2 chu
kỳ. Nhưng khi số thẻ cần nhận dạng lên đến 1000 thẻ, EDFSA sử dụng ít chu kỳ nhận
dạng hơn do sử dụng nhóm thẻ nên số thẻ nhận dạng được trong mỗi chu kỳ là nhiều
hơn DFSA.
Số chu kỳ nhận dạng của 2CTE tương đối nhiều hơn so với DFSA và EDFSA do
cần phải ước tính thẻ nhiều lần để giảm xung đột và giảm số khe rỗi. Khi số thẻ nhận
61
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
dạng là 100 thẻ tổng số chu kỳ nhận dạng thẻ của 2CTE khoảng 13 chu kỳ trong khi
DFSA và EDFSA chỉ cần khoảng 4 đến 5 chu kỳ, và khi số thẻ cần nhận dạng là 500 thẻ
thì 2CTE cần khoảng 13 chu kỳ trong khi DFSA và EDFSA chỉ cần khoảng 9 chu kỳ.
Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả hệ thống vì khi gởi khung
thì kích thước khung cần gởi là bao nhiêu thì mới là vấn đề quan trọng. Kích thước
khung là số khe thời gian dùng để nhận dạng thẻ, số khe thời gian càng lớn đồng
nghĩa với việc cần nhiều thời gian nhận dạng hết thẻ và băng thông tiêu tốn cho việc
gửi các khung. Do đó cần phân tích và so sánh kết quả tổng số khe thời gian của các
giao thức và kỹ thuật (Hình 7).
7. So sánh tổng số khe thời gian (NS) với số thẻ cần nhận dạng thay đổi
Khi số thẻ cần nhận dạng từ 50 thẻ đến 500 thẻ, tổng số khe thời gian của 2CTE
nhỏ hơn DFSA và EDFSA, nhưng không nhỏ hơn nhiều. Khi số thẻ cần nhận dạng là
1000 thẻ ta nhận thấy DFSA cần rất nhiều khe thời gian để nhận dạng được hết thẻ so
với EDFSA và 2CTE, tổng số khe thời gian của DFSA trong trường hợp này lên đến
5328 (Hình 7). Đối với EDFSA và 2CTE, tổng số khe thời gian của 2CTE nhỏ hơn
EDFSA nhưng cũng không nhiều lắm chỉ chênh lệch khoảng 293 khe thời gian, đối với
hiệu quả hệ thống của EDFSA và 2CTE cũng chênh lệch khoảng từ 2% - 3% (Hình 3).
Qua đó cho thấy thời gian để nhận dạng được hết thẻ của 2CTE là ít hơn so với EDFSA
và DFSA.
Để thấy rõ hơn hoạt động của các kỹ thuật ước tính thẻ, các tiêu chí như số khe
rỗi (E), số khe thành công (S), số khe xung đột (C) và kích thước khung (F) trong mỗi
chu kỳ của DFSA, EDFSA và 2CTE sẽ được tiếp tục được phân tích và so sánh. Mô
phỏng được thực hiện với 1000 thẻ và các kết quả được trích xuất trong 10 chu kỳ đầu
tiên.
Với kỹ thuật DFSA, Hình 8 cho thấy sau chu kỳ thứ nhất, DFSA ước tính thẻ và
thay đổi kích thước khung lên tối đa và liên tục trong 10 chu kỳ để cố gắng nhận dạng
hết thẻ, do kích thước khung tối đa trong DFSA là 256 nhỏ hơn nhiều so với số thẻ cần
62
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
nhận dạng nên xung đột tăng cao gần bằng với kích thước khung, số khe rỗi và số khe
thành công rất ít trong 10 chu kỳ đầu. Từ đó cho thấy hiệu quả hệ thống của DFSA
trong trường hợp này là không cao.
8. So sánh giá trị E, S, C và F của giao thức DFSA
Để khắc phục nhược điểm của DFSA, EDFSA sử dụng phương pháp nhóm thẻ.
Hình 9 cho thấy kích thước khung của EDFSA vẫn đặt lên tối đa từ chu kỳ 2 đến chu
kỳ 10, nhưng tại các chu kỳ 2, 4, 6, 8, 10 xung đột giảm mạnh do EDFSA sử dụng
phương pháp nhóm thẻ và số khe rỗi lại tăng cao do hạn chế số thẻ trả lời đến đầu đọc.
Số thẻ đọc thành công tăng nhiều khi nhóm thẻ. Tại các chu kỳ còn lại không sử dụng
phương pháp nhóm thẻ vì trong chu kỳ trước đã nhóm thẻ và đầu đọc ước tính thẻ
dựa trên kết quả bộ ba <E, S, C>, kết quả ước tính thẻ không lớn hơn 354, do đó xung
đột vẫn tăng cao và số thẻ đọc thành công thì rất thấp.
9. So sánh giá trị E, S, C và F của kỹ thuật EDFSA
Với kỹ thuật 2CTE, Hình 10 cho thấy 2CTE ước tính thẻ tốt hơn và thiết lập kích
thước khung ước tính cho chu kỳ tiếp theo. Trong các chu kỳ đầu 2CTE cố gắng giảm
khe xung đột và số thẻ đọc thành công tăng từ chu kỳ 2 đến chu kỳ 5, số khe xung đột
63
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
đã giảm mạnh tại chu kỳ 5, nhưng số khe rỗi tăng cao tại chu kỳ này, do đó 2CTE thực
hiện giảm kích thước khung và giảm khe rỗi từ chu kỳ 6. Từ chu kỳ 7 đến chu kỳ 10 ta
nhận thấy kích thước khung, số khe rỗi và số khe xung đột bắt đầu giảm do 2CTE ước
tính thẻ chính xác và vừa thực hiện giảm khe xung đột và khe rỗi. Từ đó cho thấy hiệu
quả hệ thống của 2CTE cao hơn DFSA và EDFSA.
10. So sánh giá trị E, S, C và F của kỹ thuật 2CTE
5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Bài báo này đã phân tích và so sánh các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao
thức DFSA, trong đó kỹ thuật 2CTE cho hiệu quả hệ thống tốt nhất. Tuy nhiên, các đề
xuất này cũng bộc lộ các hạn chế như xung đột xảy ra vẫn cao khi số thẻ trong vùng
đọc lớn, số khe rỗi vẫn nhiều và việc thay đổi kích thước khung liên tục ở mỗi chu kỳ
đã làm tiêu tốn nhiều tài nguyên phần cứng. Do vậy, các hướng tiếp cận khác như vận
dụng các phương pháp tính toán heuristics vào việc ước tính số thẻ chưa đọc trong
vùng đọc để tính toán linh hoạt và chính xác hơn, nghiên cứu các cơ chế điều khiển thẻ
đăng ký vào các khe rỗi của khung và nghiên cứu cơ chế phân cụm và phân lượt đăng
ký linh hoạt đối với các thẻ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Huanjia and Y. Shuang-Hua , "RFID Sensor Network - Network Architectures to
integrate RFID, sensor and WSN," Measurement and Control, vol. 40, no. 2, pp. 56-59, 2007.
[2] L. Hai , B. Miodrag, N. Akshaya and S. Ivan, "Taxonomy and Challenges of the Integration
of RFID and Wireless Sensor Networks," IEEE Network, vol. 22, no. 6, pp. 26–35, 2008.
[3] L. Zhu and T.S.P. Yum, “A Critical Survey and Analysis of RFID Anti-Collision
Mechanisms,” IEEE Communications Magazine, vol. 49, issue 5, pp. 214-221, May 2011.
64
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế
Tập 13, Số 1 (2018)
[4] N. Abramson, “The aloha system: Another alternative for computer communications,” in
Proceedings of Fall 1970 AFIPS fall joint computer conference, pp. 281–285, 1970.
[5] H. Okada, Y. Igarashi, and Y. Nakanishi, “Analysis and application of framed aloha
channel in satellite packet switching networks-fadra method,” Electronics and
Communications in Japan, vol.60, pp. 72-80, 1977.
[6] PHILIPS Semiconductor. I-CODE1 System Design Guide: Technical Report. May 2002.
[7] K. Finkenzeller, RFID handbook - Second Edition, John Wiley & Sons, pp. 195–219, 2003.
[8] H. Milad and A. Zahra, "2 Conditional tag estimation method for DFSA algorithms in RFID
systems," in International Conference on Computer and Knowledge Engineering (ICCKE),
Mashhad, Iran, 2014.
[9] V. Harald, "Efficient Object Identification with Passive RFID Tags," International Conference
on Pervasive Computing, pp. 98-13, 2002.
[10] W. Jianwei, W. Dong and Z. Yuping, "A Novel Anti-Collision Algorithm with Dynamic Tag
Number Estimation for RFID Systems," in IEEE International Conference on Communication
Technology, Guilin, China, 2006.
[11] L. Su-Ryun, J. Sung-Don and L. Chae-Woo, "An enhanced dynamic framed slotted ALOHA
algorithm for RFID tag identification," in The Second Annual International Conference on
Mobile and Ubiquitous Systems: Networking and Services, San Diego, CA, USA, USA, 2005.
[12] Š. Petar, R. Joško and R. Nikola, "Energy Efficient Tag Estimation Method for ALOHA-
Based RFID Systems," IEEE Sensors Journal, vol. 14, no. 10, pp. 3637 - 3647, 2014.
ANALYIS OF RFID TAG ESTIMATION TECHNIQUES
IN DFSA PROTOCOL
Nguyen Van Vu*, Huynh Buu Ngoc
An Giang University
*Email: [email protected]
ABSTRACT
RFID is an automatic identification technology that is deployed in many practical
applications today. In an RFID system, the reader identifies tags via radio waves
without contact. A technical problem in RFID tag identification is that the conflict
occurs when multiple tags are read simultaneously by a reader. Several estimation
techniques have been proposed to reduce the conflict, minimize bandwidth
65
Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA
wastage, archieve low query time, and result in improved tag reading
performance. This article will analyze some of the proposed tag estimation
techniques in the DFSA protocol and compare them based on simulation results.
Keywords: DFSA, estimation techniques, RFID system, tag collision, system
performance.
Nguyễn Văn Vũ sinh ngày 01/01/1986 tại An Giang. Năm 2008, ông tốt
nghiệp đại học ngành Tin học tại trường Đại học An Giang; Năm 2016, tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính tại Trường Đại học Khoa
học – Đại học Huế. Từ năm 2011 đến nay, công tác tại Phòng Đào tạo,
Trường Đại học An Giang.
Huỳnh Bửu Ngọc sinh ngày 04/10/1983 tại An Giang. Năm 2007, ông tốt
nghiệp kỹ sư Tin học tại Trường Đại học Cần Thơ. Năm 2010 đến nay,
ông giảng dạy tại trường Trung học phổ thông Long Xuyên. Năm 2016
đến nay, ông theo học sau đại học chuyên ngành Khoa học máy tính tại
trường Đại học Khoa học – Đại học Huế.
66
16 trang
23720
Free
Bạn đang xem tài liệu "Phân tích các kỹ thuật ước tính thẻ RFID trong giao thức DFSA", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phan_tich_cac_ky_thuat_uoc_tinh_the_rfid_trong_giao_thuc_dfs.pdf
