Luận án 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2024 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. PHẠM THỊ NGỌC YẾN 2. PGS. TS. ĐÀO TRUNG KIÊN Hà Nội - 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận án và các kết quả được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu khoa học của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà nội, ngày 22 tháng 8 năm 2024 Nghiên cứu sinh Lê Công Cường Giáo viên hướng dẫn GS. TS. Phạm Thị Ngọc Yến PGS. TS. Đào Trung Kiên ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS. Phạm Thị Ngọc Yến và PGS.TS. Đào Trung Kiên. Cô và Thầy đã tận tính hướng dẫn, định hướng cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian nghiên cứu để có thể hoàn thành được luận án này. Tiếp theo tôi xin chân thành cảm ơn đến Quý thầy cô tại Nhóm chuyên môn Cảm biến và KT Đo lường, Khoa Tự động hóa, Trường Điện-Điện tử, Ban Đào tạo, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ và hỗ trợ tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh và viết luận án này. Hà nội, ngày 22 tháng 8 năm 2024 Nghiên cứu sinh Lê Công Cường iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................... vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ ..................................................................................................................................... 6 1.1. Giới thiệu về công nghệ định danh bằng sóng điện từ ....................................... 6 1.2. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ có sử dụng chip .................................. 7 1.2.1. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ trong trường gần .................................... 7 1.2.2. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ trong trường xa ...................................... 9 1.3. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip ......................... 11 1.3.1. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền thời gian ............................................................................................................... 12 1.3.2. Nguyên lý định danh bằng sóng điện từ không sử dụng chip trong miền tần số 13 1.4. Các phương pháp mã hóa dữ liệu đối với thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip trong miền tần số ............................................................................. 17 1.4.1. Phương pháp mã hóa OOK .................................................................................. 17 1.4.2. Phương pháp mã hóa FSC .................................................................................... 19 1.5. Các thách thức trong nâng cao hiệu quả mã hóa cho thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip ...................................................................................... 21 1.6. Kết luận Chương 1 .............................................................................................. 22 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT MÃ HÓA TẦN SỐ TRÊN CƠ SỞ BỨC XẠ ĐIỆN TỪ CỦA THẺ TAG KHÔNG CHIP .................................................................................. 24 2.1. Biểu diễn toán học trường điện từ của thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip ........................................................................................................... 24 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 ................................................................... 29 2.2.1. Xác định tần số cộng hưởng mã hóa dựa trên biến đổi Fourier .......................... 29 2.2.2. Xác định tần số cộng hưởng mã hóa dựa trên diện tích phản xạ ra-đa ............... 33 2.3. Ảnh hưởng của hỗ cảm đối với đối với độ tin cậy mã hóa tần số .................... 36 iv 2.4. Kết luận Chương 2 .............................................................................................. 40 CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP MÃ HÓA TẦN SỐ NÂNG CAO CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP ...................................................... 41 3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 41 3.2. Đề xuất giải pháp cố định các tần số cộng hưởng mã hóa bằng thuật toán tối ưu bầy đàn ........................................................................................................... 43 3.2.1. Vấn đề sai lệch tần số cộng hưởng mã hóa .......................................................... 43 3.2.2. Giải pháp cố định tần số mã hóa sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn................... 45 3.3. Thiết kế thẻ tag cố định theo tần số mã hóa xác định trước bằng giải pháp đề xuất ................................................................................................................... 50 3.3.1. Lựa chọn bộ tần số cộng hưởng mã hóa và kiểu cấu trúc thẻ tag mã hóa .......... 50 3.3.2. Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu theo các tần số xác định trước .......................... 53 3.4. Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số tham chiếu ................... 60 3.5. Đề xuất giải pháp mã hóa nâng cao bằng các tần số xác định trước .............. 63 3.6. Kết luận Chương 3 .............................................................................................. 67 CHƯƠNG 4. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CAO HIỆU QUẢ MÃ HÓA CHO THẺ TAG ĐỊNH DANH BẰNG SÓNG ĐIỆN TỪ KHÔNG CHIP ....................... 69 4.1. Đề xuất hàm mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy tần số cộng hưởng mã hóa ................................................................................................................ 70 4.2. Đề xuất giải pháp khởi tạo phần tử cho thuật toán tối ưu bầy đàn ................. 72 4.3. Đề xuất quy trình thiết kế nâng cao hiệu quả mã hóa tần số cho thẻ tag ....... 75 4.4. Thiết kế thẻ tag mã hóa tần số với yêu cầu nâng cao sử dụng giải pháp thiết kế đề xuất .................................................................................................................. 80 4.4.1. Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) – 3 dBsm .... 80 4.4.2. Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm .... 89 4.4.3. Thiết kế thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số [6,6 6,8 6,9 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm .... 93 4.5. Các kết quả thực nghiệm và phân tích .............................................................. 95 4.5.1. Chế tạo thẻ tag mẫu và thiết lập hệ thống đo ....................................................... 95 4.5.2. Kết quả đo của thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số được cố định ..............................100 4.5.3. Kết quả đo của thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số nâng cao.....................................103 4.6. Kết luận Chương 4 ............................................................................................108 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 110 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .................................. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 114 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACO Ant Colony Optimization Tối ưu hóa đàn kiến ASK Amplitude Shift Keying Điều chế theo biên độ tín hiệu FPC Frequency Predetermined Coding Mã hóa theo tần số xác định trước FRC Frequency Reference Coding Mã hóa theo tần số tham chiếu FSC Frequency Shift Coding Mã hóa theo tần số dịch GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền IC Integrated Circuit Mạch điện tích hợp ISM Industrial - Scientific - Medical Công nghiệp – Kho học – Y tế OOK On-Off Keying Điều chế theo bật tắt tín hiệu PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu hóa bầy đàn QR Quick Response Mã phản hồi nhanh RCS Radar Cross Section Diện tích phản xạ ra-đa SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt STFT Short-Time Fourier Transform Biến đổi Fourier trong thời gian ngắn UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao UWB Ultra Wide Band Băng thông siêu rộng VNA Vector Network Analyzer Máy phân tích mạng véc-tơ vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Thông số chiều dài các phần tử cộng hưởng dạng khe ký tự I...................... 53 Bảng 3.2: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu cố định theo tần số mã hóa cơ bản ............. 56 Bảng 3.3: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu với tần số dịch 6,8GHz ............................... 58 Bảng 3.4: Thông số thẻ tag thiết kế tối ưu với tần số dịch 7,0GHz ............................... 59 Bảng 3.5: Hiệu quả mã hóa của phương pháp mã hóa dữ liệu FSC và FRC ................ 62 Bảng 3.6: Số bit mã hóa theo giải pháp FRC đề xuất .................................................... 63 Bảng 3.7: So sánh khả năng mã hóa của phương pháp mã hóa FPC ............................. 66 Bảng 4.1: Thông số chiều dài của các phần tử cộng hưởng sau khi hiệu chỉnh ............ 81 Bảng 4.2: Giá trị tần số cộng hưởng của thẻ tag chưa tối ưu thông số .......................... 83 Bảng 4.3: Các giá trị điều chỉnh của tham số thiết kế tối ưu sử dụng phần tử khởi tạo hiệu chỉnh theo lý thuyết ................................................................................................. 85 Bảng 4.4: Các bộ tham số điều chỉnh khởi tạo bởi tối ưu Taguchi (mm) ...................... 86 Bảng 4.5: Các giá trị điều chỉnh của tham số thiết kế tối ưu sử dụng phần tử khởi tạo Taguchi ............................................................................................................................ 88 Bảng 4.6: Giá trị các thông số thiết kế của thẻ tag tối ưu mã hóa dữ liệu tần số nâng cao [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm ............................................................................. 91 Bảng 4.7: Giá trị các thông số thiết kế của thẻ tag tối ưu mã hóa dữ liệu tần số nâng cao [6,6 6,8 6,9 7,2 7,4] (GHz) – 3 dBsm ............................................................................. 94 Bảng 4.8: Đánh giá các ăng-ten UWB theo hệ số S11 trong dải tần số làm việc ......... 97 Bảng 4.9: Giá trị tần số cộng hưởng đo được của thẻ tag đã cố định tần số ...............102 Bảng 4.10: Giá trị tần số cộng hưởng đo được của thẻ tag cố định tần số ..................103 Bảng 4.11: Giá trị và độ sai lệch tần số cộng hưởng của thẻ tag thiết kế nâng cao ....104 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống định danh bằng sóng điện từ .................................... 6 Hình 1.2: Phân loại công nghệ định danh bằng sóng điện từ theo vị trí làm việc của thẻ tag ...................................................................................................................................... 6 Hình 1.3: Trao đổi công suất và dữ liệu định danh bằng sóng điện từ trong trường gần 8 Hình 1.4: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường gần .... 9 Hình 1.5: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ hoạt động trong trường xa .... 10 Hình 1.6: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip mã hóa bằng xung phản hồi ........................................................................................................................... 12 Hình 1.7: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng điện từ ...................................................................................................................................... 13 Hình 1.8: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip truyền lại sóng điện từ .............................................................................................................................. 14 Hình 1.9: Cấu trúc thẻ tag định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược sóng điện từ .............................................................................................................................. 15 Hình 1.10: Mô hình hệ thống định danh bằng sóng điện từ không chip tán xạ ngược sóng điện từ .............................................................................................................................. 16 Hình 1.11: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp OOK .. 18 Hình 1.12: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp OOK ............................. 18 Hình 1.13: a) Cấu trúc thẻ tag; b) Đáp ứng tín hiệu mã hóa theo phương pháp FSC ... 20 Hình 1.14: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo phương pháp FSC ............................... 20 Hình 2.1: Mô hình mạch RLC nối tiếp tương đương ăng-ten đơn giản ........................ 24 Hình 2.2: Mô tả các dòng điện cảm ứng trên thẻ tag ..................................................... 26 Hình 2.3: Đáp ứng của tín hiệu tán xạ ngược trong miền thời gian .............................. 31 Hình 2.4: Phổ của tín hiệu sau khi áp dụng kỹ thuật STFT ........................................... 32 Hình 2.5: Hệ thống đo thông số RCS của đối tượng ..................................................... 34 Hình 2.6: Mô tả hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng trên thẻ tag. ........... 36 Hình 2.7: Hiện tượng hỗ cảm giữa các phần tử cộng hưởng theo mô hình mạch RLC. ......................................................................................................................................... 37 Hình 2.8: Hỗ cảm giữa hai phần tử cộng hưởng dạng khe ký tự I ................................ 39 Hình 3.1: Sai lệch tần số cộng hưởng do hỗ cảm của thẻ tag 20 phần tử so với thẻ tag 1 phần tử. ............................................................................................................................ 44 Hình 3.2: Đáp ứng tần số của thẻ tag có 5 phần tử cộng hưởng. ................................... 45 Hình 3.3: Quá trình triển khai thuật toán PSO để tối ưu thiết kế thẻ tag. ...................... 47 Hình 3.4: Quá trình triển khai thuật toán PSO để cố định tần số mã hóa. ..................... 48 Hình 3.5: Cấu trúc thẻ tag với một phần tử cộng hưởng khe dạng chữ I ...................... 51 viii Hình 3.6: Đáp ứng tần số của năm cấu trúc thẻ tag có một phần tử cộng hưởng ......... 54 Hình 3.7: Cấu trúc thẻ tag mã hóa dữ liệu là năm tần số cơ bản ................................... 54 Hình 3.8: Đáp ứng tần số của cấu trúc thẻ tag mã hóa năm tần số cơ bản .................... 55 Hình 3.9: Trạng thái hội tụ của giá trị hàm mục tiêu ..................................................... 56 Hình 3.10: Cấu trúc thẻ tag mã hóa cố định theo các tần số cộng hưởng cơ bản.......... 57 Hình 3.11: Đáp ứng tần số của cấu trúc tối ưu ............................................................... 57 Hình 3.12: Đáp ứng tần số của ba cấu trúc thẻ tag tối ưu .............................................. 60 Hình 3.13: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo giải pháp FRC..................................... 61 Hình 3.14: Mặt phẳng giá trị số bit của các phương pháp mã hóa ................................ 62 Hình 3.15: Mô hình thẻ tag mã hóa tần số theo giải pháp FPC ..................................... 64 Hình 3.16: Đồ thị giá trị số bit mã hóa của các phương pháp với M=5 ........................ 65 Hình 3.17: Mặt phẳng giá trị số bit của các phương pháp mã hóa ................................ 65 Hình 4.1: Đánh giá giá trị RCS tại các tần số cộng hưởng của thẻ tag 20 phần tử ....... 69 Hình 4.2: Các tham số liên quan đến chất lượng của tần số cộng hưởng mã hóa ......... 71 Hình 4.3: Quy trình khởi tạo phần tử hiệu chỉnh ........................................................... 73 Hình 4.4: Quy trình khởi tạo phần tử tối ưu Taguchi ..................................................... 74 Hình 4.5: Quy trình thiết kế thẻ tag có ảnh hưởng của hỗ cảm. .................................... 75 Hình 4.6: Quy trình các bước thiết kế thẻ tag mã hóa tần số với yêu cầu nâng cao ..... 76 Hình 4.7: Quá trình tối ưu thông số phần tử cộng hưởng mã hóa ................................. 79 Hình 4.8: Thiết kế chưa tối ưu của thẻ tag bao gồm 5 phần tử cộng hưởng ................. 82 Hình 4.9: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag đề xuất ban đầu .......................................... 82 Hình 4.10: Giá trị hàm mục tiêu hội tụ theo giải pháp khởi tạo phần tử sử dụng bộ thông số thiết kế hiệu chỉnh theo lý thuyết ............................................................................... 84 Hình 4.11: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu sử dụng phần tử thiết kế lý thuyết làm phần tử khởi tạo. ............................................................................................................. 86 Hình 4.12: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo cách khởi tạo sử dụng các phần tử tối ưu Taguchi ................................................................................................................. 87 Hình 4.13: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu mã hóa tần số [6,7 6,9 7,1 7,3 7,5] (GHz) ............................................................................................................................... 89 Hình 4.14: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo hai cách khởi tạo phần tử ......... 90 Hình 4.15: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag tối ưu mã hóa tần số [6,6 6,8 7,0 7,2 7,4] (GHz) ............................................................................................................................... 92 Hình 4.16: Quá trình hội tụ giá trị hàm mục tiêu theo gải pháp khởi tạo phần tử Taguchi ......................................................................................................................................... 93 Hình 4.17: Đáp ứng giá trị RCS của thẻ tag với tham số thiết kế tối ưu ....................... 95 Hình 4.18: Quy trình chế tạo các thẻ tag mẫu ................................................................ 96 Hình 4.19: Thiết bị và môi trường đo thẻ tag trong điều kiện phòng ............................ 98 ix Hình 4.20: Thiết bị và môi trường đo thẻ tag trong điều kiện buồng câm .................... 99 Hình 4.21: Các thẻ tag mã hóa dữ liệu tần số được cố định ........................................100 Hình 4.22: Thẻ tag chưa được cố định và đã được cố định tần số cộng hưởng ..........100 Hình 4.23: So sánh đáp ứng tần số cộng hưởng giữa mô phỏng và đo lường .