中 華 大 學 碩 士 論 文
RFID 之多項前偵測查詢技術
Multi-Way Pre-Detection Query Tree Protocol
系 別 所：資訊工程學系碩士班
學號姓名：E09902008 趙 建 民 指導教授：許 慶 賢 博士
中華民國 101 年 7 月
I
摘要
無線射頻辨識系統(RFID：Radio Frequency Identification)是針對接觸式系統的缺點所發展出 來的，並且被廣泛發展於各種自動化辨識系統，是利用射頻訊號以無線方式來傳送及接收數據 資料且同時使用此射頻訊號來做無線傳能，識別的工作也不需要人工來實現，而且可以工作於 任何的惡劣環境，所以在無線網路環境中是一門重要的技術。其中碰撞問題與減少多餘的查詢 的協定為影響辨識效能成為了一項很重要的研究議題。
本篇論文提出一個多項前偵測查詢技術，是結合ALOHA時槽特性與查詢樹的概念所產生的 協定。所提出的一個新的想法，以前人所提出的預先偵測查詢樹協定(PDQT)方法為基礎，一開 始便先以2位元(4-ary)方式詢問，於發生碰撞時期時，便於下次預偵測位元加一變成3位元 (8-ary)，如果還是遭遇碰撞，便將預偵測位元再加一變成4位元(16-ary)，之後持續以4位元 (16-ary)方式做預偵測，直到最後一階時切回2位元(4-ary)，演算法主要精髓在於因為預偵測 位元是以2位元、3位元、4位元方式，以128bit長度來說,最後一階會剩餘3位元，此時只需2位 元(4-ary)做偵測,如遇碰撞便可得知最後一位元0與1皆存在，此方法利用PDQT可消除所有閒置 時間外，還以增加位元數做預偵測，減少碰撞和命令時期來降低辨識延遲，進而提昇RFID系統 的整體辨識效能。
我們以電腦模擬一個RFID系統的環境分析本論文方法，並和已知的相關研究演算法進行比 較，實驗的結果顯示多項前偵測查詢技術，不但可以改善碰撞問題，更大幅減少了讀取器發出 詢問的次數，相較其他的方法有更佳的效能。
關鍵字：無線射頻辨識系統、電子標籤防碰撞演算法、樹狀架構、ALOHA協定、查詢樹協定、
混合查詢樹協定
II
ABSTRACT
Radio Frequency Identification (RFID: Radio Frequency Identification) is developed for the shortcomings of the contact system, and the extensive development of a variety of automatic identification system, the use of radio frequency signals to send and receive data wirelessly while using this RF signals do wireless energy transfer, identify the work does not need to manually to achieve, and can work in any harsh environment, so is an important technology in the wireless network environment. By in recent years, the research issues, which the collision problem and reduce redundant queries Agreement affect the recognition performance has become a very important research topic
This thesis proposed a Multi-Way Pre-Detection Query Tree Protocol, a protocol combining the features of ALOHA time slot and the concept of partitioning query tree. It put forward a novel idea:
Begin by 2bit (4-ary) to ask when the collision period, to facilitate the next pre-detection bits plus one become 3bit (8-ary), If still encounter collision, the pre-detection bits plus one into 4bit (16-ary), the last phase Changed back to 2bit (4-ary),the last phase will be the remaining 3 bits, case of collision will be aware of last-bit 0 and 1 are the existence. this method uses PDQT eliminate all idle cycle, also to increase the number of bits to do the pre-detection, reduce the period of collision and command to reduce the identification delay, and thus enhance the overall recognition performance of the RFID system.
We simulate an RFID system environmental to analyze the proposal, and compare the proposal with the tag anti-collision algorithm. Experimental results show that the Multi-Way Pre-Detection Query Tree Protocol and can not only improve the problem of collisions, also significantly reduced the number of inquiries issued by the reader, better performance compared to other methods.
Keywords: RFID, Tag Anti-collision Algorithm, ALOHA Protocol, Query Tree Protocol, Hybrid Query Tree Protocol
III
誌謝
此論文之完成，首先要感謝指導教授許慶賢博士的細心指導，老師認真的授予我關於無線 射頻辨識領域的各項知識，更在百忙之中不間斷的在研究過程中關心我們的研究進度與方向，
一旦發現我們有偏差或迷惘就會馬上導正我們錯誤的觀念與方向，即時排除我的疑問，讓我能 更深入的了解，進而去突破目前的窘境。教授不斷的提醒我們凡事都要抱著大膽假設，小心求 證的精神，這樣的精神與態度不但讓我在職場或者是日常生活上更是助益無窮。今天能夠有此 成果，真的要感謝老師的奉獻與教導。
接著感謝帶領書報討論的曾秋蓉及梁秋國教授，除了你們傳授專業的學問外，並時常的要 我有更深入的看法，去發掘更助益有效率的貢獻，不管之後是學術或專業上的研究，這些觀念 都對我有著很大的啟發與成長。
在撰寫本論文過程中，特別感謝已畢業的陳明倉學長論文的啟發外，另外對我協助貢獻最大 的同學陳繼智，於思考論文方法的過程中給予經驗上的幫助，在我撰寫論文的過程裡給與很多 的建議以及協助，在簡報學術論文時，更時常的提醒我、糾正我，這些都讓我獲益良多。今天 能夠完成本論文，多虧他提供了不少幫助，在此感謝他。
最後要感謝我家人的支持、鼓勵，在我遇到困難與低潮時，能適時給予我繼續努力的泉 源，並讓我在有限的時間內給與我自由，另外經常獨立教養幼子的妻子，沒有妳的督促與幫助，
我也無法積極的將此論文順利的完成。
IV
目錄
摘要... I ABSTRACT... II 誌謝... III 目錄...…. IV 表目錄...…...VI 圖目錄...…...VII
第一章 序論... 1
1 研究背景及動機... 1
2 研究目的... 4
3 論文架構... 5
第二章 相關技術與研究之簡介... 6
2.1 電子標籤的通訊時期... 6
2.2 ALOHA-based協定簡介...…... 7
2.3 二元查詢樹協定簡介... 8
2.4 四元查詢樹協定簡介…... 10
2.5 問題研究... 12
第三章 相關查詢樹技術... 13
3.1 四元查詢樹防碰撞相關技術介紹... 13
3.1.1 混合查詢樹協定...…... 13
3.1.2 查詢實例... 15
3.1.3 預先偵測查詢樹協定...…... 16
3.1.4 查詢實例... 18
第四章 多項前偵測查詢技術………... 20
4.1 Multi-Way Pre-Detection Query Tree Protocol ...…... 20
4.2 MPQT Method ... 21
4.3 查詢實例...…... 23
第五章 效能評估與結果分析...…... 27
5.1 效能評估... 27
V
5.2 結果分析...…... 28
第六章 結論與未來研究方向...…... 36
6.1 結論...…... 36
6.2 未來研究方向...…... 36
參考文獻...……… 37
VI
表目錄
表1-1 RFID頻率分類表... 2
表2-1 二元查詢樹查詢過程表...,,,,... 10
表2-2 四元查詢樹查詢過程表...,,,,... 12
表3-1 混合查詢樹查詢過程表... 16
表3-2 預先偵測查詢樹查詢過程表... 19
表4-1 多項前偵測查詢技術過程表... 25
表4-2 預先偵測查詢技術過程表... 26
表5-1 模擬參數(引用[9])...…... 27
表5-2 效率比較... 35
VII
圖目錄
圖2-1 答覆通訊時期...…... 6
圖2-2 Slotted ALOHA協定...………... 7
圖2-3 Framed-Slot ALOHA協定... 8
圖2-4 二元查詢樹協定示意圖...…... 9
圖2-5 四元查詢樹協定示意圖...…... 11
圖3-1 混合查詢樹協定運作實例...…... 14
圖3-2 時隙延遲答覆技術運作示意之一...…... 14
圖3-3 時隙延遲答覆技術運作示意之二...…... 15
圖3-4 預先偵測查詢樹協定運作示意...…... 17
圖3-5 時隙前偵測訊號技術運作示意...…... 18
圖4-1 MPQT 演算法示意圖之一……….………... 21
圖4-2 MPQT 演算法示意圖之二………..………... 21
圖4-3 MPQT 演算法示意圖之三………..………... 22
圖4-4 MPQT 演算法示意圖之四………..………... 22
圖4-5 MPQT 演算法示意圖之五………..………... 23
圖4-6 多項前偵測查詢樹協定………..………...……..…... 23
圖4-7 預先偵測查詢樹實例………..………...……..…... 25
圖5-1 碰撞時期的數量………..………...………...…... 29
圖5-2 閒置時期的數量………..………...…... 30
圖5-3 識別延遲………..………...……...…... 31
圖5-4 時間分佈………..………...………...…... 32
VIII
圖5-5 讀取器與電子標籤雙向通訊關係………..……...……...…... 33
1
第一章 序論
1.1 研究背景及動機
RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術[4]，此項技術是透 過RF 無線電波來傳遞資料，可用來快速識別出環境之中的各種不同用途的標籤，以取得事先存 在標籤中的重要資訊。除此之外RFID還具備了體積小、成本低、無線通訊的特性。目前生活中 RFID的應用相當廣泛，例如捷運悠遊卡、汽車遙控、傳送輪胎氣壓以及在行動電話等領域或者 是社區門禁管制系統的感應卡、賣場或書店門口的防竊系統、ETC自動收費、動物與車輛識別…
等，在應用上可以說是包羅萬象、相當的廣泛、不論在工業或公共建設上，都具有很大的潛力。
RFID系統架構
RFID系統架構主要可分為標籤、讀取器與系統應用面由三個部分，敘述如下︰
讀取器
其主要功能是負責讀取或寫入標籤數據與資料的設備，包含了天線、控制及運算處理 單元，主要功能為接收應用系統端的命令，發射RF無線電波，存取儲存在電子標籤的資料之後，
再利用有線或無線回傳給後端的應用系統。
電子標籤
內建RF發射器與控制電路，其電源來源是跟據讀取器所發射的RF無線電波將此一電波 能量轉換而來，然後再將標籤內部所有的識別資料，再利用無線電波回傳給讀取器。而 標籤依據供電方式可分為被動式、半被動式及主動式三種，被動式標籤本身內部無供電 電源，靠內感電耦動作。半被動式標籤類似於被動式標籤，不過半被動式標籤本身多了 一個電池提供標籤內部數位電路供電的作用，但是並不透過本身電能主動發送資料。而 主動式標籤本身具有電源供應其內部IC所需電力並且產生對外的訊號，主動式標籤還可 以儲存較大的記憶體及提供較遠的讀取距離，所以在價格上也相對較貴。
應用系統
主要是和讀取器連接在一起，大部份是用來下達指令，或是針對標籤的資料所形成的資 料庫做管理或運算。而經由後端的資料庫管理系統，進行資訊判讀及運用進而達到辨識的目 的。
2
RFID讀取頻率分類:
RFID技術可以基本分為低頻系統、頻率為13.56MHz的高頻(HF)系統以及頻段在900MHz左右的超 高頻系統(UHF)，還有工作在2.4GHz或者5.8GHz微波頻段的系統。依照應用頻率的不同，分成五 種頻段、參閱表1-1
表1-1 RFID頻率分類表
頻段 RFID應用頻率 感應距離 部份RFID廠商 我國使用狀況
低頻(LF) 125KHZ 135KHZ
<1.5m HP 117.6~126: 已指定業務分配但尚
未使用
129~160:已分配但未使用[同上]
高頻(HF) 6.78MHZ(HP) 13.56MHZ(Pretide
)
<1.5m HP Pretide
134.1~157 M: 已指定業務分配但 尚未使用
但13.56 ± 0.007: 供工,科,醫用設 備使用
特高頻 (VHF)
33.92MHZ 40.68MHZ(HP) 433MHZ(SAVI)
- HP
SAVI
30.01~37.5 M: 已指定業務分配 但尚未使用
超高頻 (UHF)
860-950MHZ >1.5m HP SAVI
864.1~868.1: Low-Tier 870~890: 3G
895~915, 940~960: GSM 已分配使用
2.45GHZ >1.5m HP 2.45 ± 0.05GHz:供工,科,醫用設備 使用
極高頻 (SHF)
5.8GHZ >1.5m HP 5.8 ± 0.075GHz: 供工,科,醫用設
備使用
引用technique report ,IEK,ITRT,OCT,2005
RFID技術具有以下特點：
1. 識別精度高，快速準確的識別。
2. 非接觸性，在完成識別工作時無需人工干預，非常適合用於自動化系統。
3. 可以同時對數個物體進行判讀，有些讀取器甚至可以同時以每秒的速度來讀取200個標 籤的數據，這比傳統條碼的掃描方式要快上了許多倍。
4. 採用無線電射頻，可以穿透障礙物，來讀取數據，還可工作於惡劣、黑暗及髒污等惡 列的環境中。
5. 如果用主動式標籤則儲存的信息量大且信息還可加密保存外，更可以加強其通訊範圍，
這些優勢都是一般條碼很難做到的。
3
RFID系統的應用領域：
其應用的範圍是非常廣的，以下便舉些簡單例子
1. 商業供應鏈應用：在商業供應鏈中的應用是所有應用領域中最廣泛和深入的，同時也是技 術難度教高，也最難實現的應用。因為要在所有的商品上都貼上一個標籤，這不僅對成本 是一大的考驗，而且也需要能快速高效處理大量數據的管理系統和軟體。
2. 物流管理：為了降低物流成本，提高其運輸的效率，並且必需保證物品在運輸過程中不能 被遺失，而必需要對整個物流過程進行監控和管理。例如鐵路和公路的貨運調度，集裝箱 識別和跟蹤，物品、包裹的自動識別，這些都頗具代表性。
3. 防偽應用：應用在防偽領域中，可以具有識別快速、偽造難、成本低等優點，如果再加上 認證和加密功能，便可以提高偽造的難度和成本。目前，日本和歐洲正在嘗試在日元和歐 元中嵌入標籤，其主要目的便是在於防止偽造，還可以方便鈔票交易處理。
4. 身份識別：放入身份證、護照、工作證等各種有效證件中，或者是用來於對人員身份驗證 和識別，還有也可以植入動物皮下來跟蹤，研究。
一般來說，RFID的讀取器一次只能辨識到一個標籤，因而會有所謂訊號碰撞的問題。所以 在數個讀寫器與數個標籤的射頻識別系統中，存在著兩種衝突，一種是同一個標籤有可能同時 收到不同讀寫器所發出的命令，這種稱為讀寫器碰撞，這類的防碰撞算法被稱為讀寫器防碰撞 演算法。而另一種則是同一讀取器同時收到不同標籤發出的回覆，這種便稱為標籤碰撞，這類 的防碰撞算法被稱為標籤防碰撞演算法。而本論文研究便是針對標籤防碰撞所發展的方法。
由上述的種種RFID系統上的技術與標準說明，RFID技術慢慢深入我們的生活中，RFID產品 種類也變的更加豐富。主動式標籤、被動式標籤及半被動式標籤均得到了發展，標籤成本不斷 降低，而且在應用規模上也不斷的擴大，使得RFID技術的理論更因為生活上的應用而更趨近於 豐富和完善。我們可以想像其未來實際應用上是更多采多姿的，所以欲搭上RFID系統實際應用 的潮流做此一方向的研究，希望能夠可以為此系統提供不同的創新技術。
4
1.2研究目的
隨著RFID應用規模不斷擴大，其整體辨識效能的需求也越趨重要，而FRID系統整體效能 取決於是否成功的辨識所有標籤所需要的時間，針對這個目標，目前已有許多學者專注在制定 電子標籤防碰撞協定的研究來降低讀取器發送的查詢命令數量，這些方法我們稱之Anti-Collision [2]、[6] 、[9] 、[20] 、[25]，大致上可將這類的防碰撞演算法區分為Tree-based演算法 [7]、[8]、
[10]、[12]、[13]、[14]、[17]、[26]和ALOHA-based演算法 [2] 、[3] 、[6]、[11]、[20]、[27]兩 大類型。其中ALOHA-based可能因標籤在傳送資料時不斷的重疊傳送而造成碰撞，使得無法順 利的傳送辨識資料給讀取器而造成饑餓問題，本篇論文將以Tree-based協定著手，將不會有饑餓 問題需要處理，並且結合了ALOHA-based中Time-slot的概念，進而提升整體的辨識效率。
現在市場上的開發基本上礙於成本的考量所以大部份是以被動式RFID標籤居多，因為這類 設備無需使用任何電池做為內部電源使用，所以成本價格可以壓到最低，而且易於配置。本篇 論文也針對於在被動式電子標籤方面之便宜的RFID系統解決方案。
查詢樹演算法在不同位元下，其特性皆不同，也有不少學者[16]、[22]針對不同的環境密度 提出各自優點，許多研究學者也分別針對各種伴隨而來的缺失進行研究。本論文將分析二元查 詢樹協定與四元查詢數的特性，並且以預測偵測訊號技術（Pre-Detection Query Tree Protocol，
簡稱PDQT）[9]為基礎。除了降低電子標籤的碰撞數量之外，同時也降低電子標籤的閒置數量。
從實驗中發現，不論RFID系統中標籤密度為何或者ID長度為何，本論文提出的協定，皆能有效 降低讀取器發送的非必要詢問字串，及改善了過程中所產生標籤的碰撞數量，便能減少在辨識 過程中讀取器與標籤溝通的時間，進而提高RFID系統的辨識效率。
5
1.3 論文架構
本篇論文分為六個章節，茲將每一個章節簡易說明如下：
第1章 - 說明本篇論文的整個研究背景，包含為何要研究的動機和目的。
第2章 - 簡介ALOHA-based協定簡介、二元查詢樹協定與四元查詢樹協定簡介，瞭解電子標籤 防碰撞技術的原理與其特性。
第3章 - 介紹二元查詢樹標籤防碰撞技術與四元查詢樹標籤防碰撞技術的差異，瞭解其他電子 標籤防碰撞技術與特性，並且也是本篇論文要進行比較的對象。
第4章 - 說明多項前偵測查詢技術協定(MPQT)，即本篇論文提出來的建立於PDQT的方法，詳細 地描述其原理、運用及特性。
第5章 - 模擬本篇論文提出來的方法，驗證其方法，並將其效能與先前的四種查詢樹協定做個 比較(2-ary,4-ary,HQT,PDQT)。
第6章 - 結論本篇論文的方法、效能。最後敘述未來可能的研究方向。
6
第2章相關技術與研究之簡介
2.1 電子標籤的通訊時期
當RFID讀取器發送查詢命令後，根據電子標籤的通信回覆情況，可以分成三種狀況，請參 閱圖2-1：
辨識成功：只有一個電子標回覆給RFID讀取器，因此RFID讀取器可以直接辨識該電子標 籤。
請參閱圖2-1中的綠色圓圈，以及一個電子標籤編號輔助說明。
發生碰撞：多個電子標籤同時回覆給RFID讀取器，造成RFID讀取器無法辨識各個電子標籤 的唯一電子標籤識別碼。
請參閱圖2-1中的紅色圓圈，以及一個X符號輔助說明。
無回應(閒置)：沒有任何電子標籤的回覆。
請參閱圖2-1中的灰色圓圈，並且沒有任何的符號或編號
圖2-1 答覆通訊時期
7
2.2 ALOHA-based協定簡介
常 見 的 ALOHA-based 演 算 法 可 分 為 Pure ALOHA 、 Slotted ALOHA 與 Framed Slotted ALOHA三種。Pure ALOHA當讀取器對標籤發送詢問命令後，每一個標籤會自行隨機選擇一個 所謂的退讓時間(backoff time)來回傳資料給讀取器，優點就是做法非常簡單、如果碰撞發生，
標籤須再等待一個退讓時間再重傳，直到所有標籤被辨識到為止，而其缺點就是因為標籤可隨 時傳送資料給讀取器，所以發生碰撞的機率會非常的多，使得系統辨識效能變的很差，還可能 因為標籤不斷的發生碰撞而造成飢餓問題。
為了改進Pure ALOHA協定的缺點，便提出Slotted ALOHA、Framed Slotted ALOHA等演 算法，而所謂的時槽(Slotted) ALOHA是一段段相同、連續但不重疊的時間所組成，電子標籤不 再隨機選擇時間來做回應，而是隨機選擇一個時槽的編號，輪到該時槽編號時標籤才回應識別 碼，而因為可以避免部份碰撞，所以其效能是Pure ALOHA的兩倍。
而Framed Slotted ALOHA的方法是將固定數目的時槽段(Time-Slot)組成一個時間框 (Frame)，標籤在收到讀取器的詢問訊息後則只能在一個時間框中隨機選擇一個時槽段來回傳資 料給讀取器，如果當中發生了碰撞、則標籤必需在下次的時間框裡再次選擇時槽做回應。這樣 就可以大大地減少了傳輸頻道的衝突。
ALOHA-based協定實際運用在RFID系統中的話，其電子標籤內部需要內建一個計時器以 來實現隨機選擇時槽段的計算。
8
圖2-2 Slotted ALOHA協定
圖2-3 Framed-Slot ALOHA協定
2.3 二元查詢樹協定簡介
二元查詢樹協定(Binary Query Tree Protocol)[13]是以一次辨識一個位元為原則，從最高 位元至最低位元開始增加欲識別位元串長度。此協定主要特色是在於標籤裡不需要有內部儲存 記憶體，其操作是非常簡單的。主要是利用二元樹的特性來達到防止標籤訊號碰撞的目的。在 Tree-based的架構中讀取器不斷的將發生訊號碰撞的標籤切割成兩個子群組，直到所有的子群 組中只有一個標籤為止，所有的標籤就能完全的被辨識出來。在二元查詢樹協定中，當有發生 碰撞情況的查詢字串，在下一次查詢命令中的查詢字串將會擴展1個位元（0及1）。
以圖2-4為例，請參閱表2-1。注意表2-1中的步驟1，RFID讀取器在開始查詢時，會先發送只 有1位元的查詢字串0的查詢命令；此時等待查詢佇列中只有查詢字串1，但是因為符合查詢字串 0的電子標籤數量大於1個以上，所以答覆會發生碰撞，RFID讀取器發現標籤答覆有發生碰撞後，
便將查詢字串0擴展1個位元（0及1），然後將新查詢字串00及01置入查詢佇列中，接著執行步 驟2，上述過程簡易分類如下：
9
圖2-4 二元查詢樹協定示意圖
Step1 RFID讀取器從等待查詢佇列中取出數值最小的查詢字串 Step2 然後發送帶有該查詢字串的查詢命令
Step3 接著電子標籤的答覆將產生3種查詢結果：
碰撞，查詢字串擴展1個位元，並將2個新查詢字串置入查詢佇列中
閒置，查詢佇列不做任何的處理
成功，查詢佇列不做任何的處理
Step4 回到步驟1重新執行，直到等待查詢佇列中沒有查詢字串，表示查詢結束
10
表2-1 二元查詢樹查詢過程表
步驟. 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 0 Collision 1,00,01
2 1 Collision 00,01,10,11
3 00 Tag A 01,10,11
4 01 Tag B 10,11
5 10 Collision 11,100,101 6 11 Collision 100,101,110,111
7 100 Tag C 101,110,111
8 101 Tag D 110,111
9 110 Collision 111,1100,1101
10 111 Idle 1100,1101
11 1000 Tag E 1001
12 1101 Tag F END
從表2-1中可得知RFID讀取器總共發送12次的查詢命令，其中：碰撞=5、閒置=1、成功=6。
2.4 四元查詢樹協定簡介
在四元查詢樹協定（4-ary Query Tree Protocol ，簡稱4-ary QT）中，當有發生碰撞情況時，
查詢字串將會直接變成2個位元。如此將可以大幅度地減少碰撞時期的數量[22]；如此一來四元 查詢樹協定比二元查詢樹協定更加的有效率減少碰撞的數量，但是產生的閒置時期也將會相對 地增加。
以圖2-5為例，請參閱表2-2。注意表2-2中的步驟1，RFID讀取器在開始進行查詢流程時，會 先發送只有2位元的查詢字串00的查詢命令，此時等待查詢佇列中則有查詢字串01、10及11；而 在步驟3，因為符合查詢字串10及11的電子標籤數量大於1個以上，這些電子標籤的答覆會發生 碰撞，RFID讀取器發現電子標籤的答覆有發生碰撞後，會將查詢字串10擴展2個位元（00、01、
10及11），然後將擴展後的新查詢字串1000、1001、1010及1011置入等待查詢佇列中，接著執 行下一個步驟，而字串11也依此類推，上述過程簡易分類如下：
11
圖2-5 四元查詢樹協定示意圖
Step1 RFID讀取器從等待查詢佇列中取出數值最小的查詢字串 Step2 然後發送帶有該查詢字串的查詢命令
Step3 接著電子標籤的答覆將產生3種查詢結果：
碰撞，查詢字串擴展2個位元，並將新查詢字串置入查詢佇列中
閒置，查詢佇列不做任何的處理
成功，查詢佇列不做任何的處理
Step4 回到步驟1重新執行，直到等待查詢佇列中沒有查詢字串，表示查詢結束
12
表2-2 四元查詢樹查詢過程表
步驟 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 00 Tag A 01，10，11
2 01 Tag B 10，11
3 10 Collision 11,1000,1001,1010,1011
4 11 Collision 1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111 5 1000 Tag C 1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111
6 1001 Idle 1010，1011，100000，100001，100010，100011 7 1010 Idle 1011,1011,1100,1101,1110,1111
8 1011 Tag D 1100,1101,1110,1111 9 1100 Tag E 1101,1110,1111 10 1101 Tag F 1110,1111
11 1110 Idle 1111
12 1111 Idle END
從表2-2中可得知RFID讀取器總共發送12次的查詢命令，其中：碰撞=2、閒置=4、成功=6。
2.5 問題研究
將表2-1 二元查詢樹協定的查詢過程與表2-2所得到四元查詢樹協定的查詢過程作比較，結 果發現，兩者查詢樹協定的執行步驟數量皆是12，也就是RFID讀取器發送的查詢命令數量是一 樣的。二元查詢樹協定在這過程中，碰撞時期數量非常的多，但是當轉換成四元樹查詢樹協定 時，碰撞時期的數量的確會大幅度地減少，但是不幸的是閒置時期會大幅度地增加。
從前面的查詢技術介紹與實例探討，可以發現若是完整二元樹，其內部節點當中都會是碰 撞時期，而子節點必定是閒置或成功的時期，所以造成RFID讀取器發送了許多不必要的查詢命 令，進而降低RFID系統的整體辨識速度。同樣的例子當使用四元查詢樹協定，碰撞時期的數量 會大幅度地減少，這是我們想要的結果，但是閒置時期確會大幅度地增加。所以，若是能夠同 時解決二元查詢樹協定大量的碰撞時期數量，以及減少四元查詢樹協定中大量的閒置時期的話，
此時就可以減少無效的查詢命令，進而提高RFID系統的整體辨識速度。
13
第3章相關查詢樹技術
3.1 四元查詢樹防碰撞相關技術介紹.
相較於二元查詢樹協定，使用四元查詢樹技術時，碰撞時期的數量會大幅度地減少，但閒 置時期也將會大幅度地增加。因此就有一些研究討論被提出來，研究如何降低從二元樹查詢樹 協定變換成四元樹查詢樹協定時所增加的閒置時期，其中混合查詢樹協定（Hybrid Query Tree Protocol，簡稱HQT）[21]，便提出利用時隙延遲電子標籤答覆技術來進行改善。以及預先偵測 查詢樹協定(Pre-Detection Query Tree Protocol，簡稱PDQT)[9] 隨後提出時隙前偵測訊號技術來 進行改善。
3.1.1 混合查詢樹協定
此章節將介紹混合查詢樹協定（Hybrid Query Tree Protocol，簡稱HQT[21]），所提出的時 隙延遲電子標籤答覆技術（Slotted Backoff Tag Response Mechanism），主要觀念是在現行的4 元查詢術樹技術上，加入時隙延遲機制。當RFID讀取器送出查詢字串，若電子標籤識別碼(簡稱 UID）的前綴位元符合時，現行的電子標籤答覆技術，會立即答覆UID資料給RFID讀取器；然而，
在混合查詢樹協定中，電子標籤的答覆必須往後延遲一個時間，將電子標籤答覆的開始時間錯 開，而錯開的延遲時間由符合查詢字串之電子標籤UID前綴位元資料的後續2個位元資料來決 定。
實行時隙延遲電子標籤答覆機制的方法必需建立在電子標籤內的一個計時器。RFID讀取器 發送查詢字串，電子標籤的答覆將分別推遲0至2個延遲時隙才作回應，RFID讀取器會偵測通訊 頻道，如此才能知道發生碰撞與否。請參閱圖3-2，經過電子標籤的延遲回應後，RFID讀取器根 據相同的電子標籤答覆時間，得到通訊頻道的繁忙期間（Channel busy duration）與繁忙開始時 間。RFID讀取器將整體時間框，切割成六個通訊頻道，分別為前端時隙fts1-fts3（front-end time-slot，
簡稱fts ）與後端時隙bts1-bts3（back-end time-slot，簡稱bts）,若前、後端通道中有單獨訊號存 在或單獨為閒置時期，RFID讀取器便可預先知道哪個通訊頻道繁忙，存在有電子標籤，哪個通 訊頻道閒置，不存在電子標籤。在下一次的查詢命令，就可以省略不需要的查詢字串給不存在
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的電子標籤，當讀取器不會發送不存在電子標籤的查詢字串時，表示不需要的閒置時期會被刪 除，因此RFID讀取器發送的查詢命令數量將會降低。
RFID讀取器在對四元查詢樹的每階層發送查詢命令前，加入時隙延遲機制在電子標籤答 覆技術上，需要額外花費三個時隙的等待時間，來減少閒置時期，進而降低RFID讀取器發送的 查詢命令數量，請參閱圖3-1及圖3-2。然而如果兩個繁忙的通訊頻道中夾帶著閒置時期，則因為 都屬於通訊頻道的繁忙期間，便會無法檢測出該閒置時期，因此，讀取器在下一次的查詢命令，
仍會發送查詢字串1001及1010 ，仍然造成不必要的閒置時期 請參閱圖3-3。
圖3-1 混合查詢樹協定運作實例
圖3-2 時隙延遲答覆技術運作示意之一
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圖3-3 時隙延遲答覆技術運作示意之二
3.1.2 查詢實例
將RFID讀取器對圖3-1混合查詢樹協定的查詢過程列表如下，請參閱表3-1。注意表3-1中的 步驟1，RFID讀取器在開始進行查詢流程時，會先發送0位元的空查詢字串的查詢命令，此時等 待查詢佇列中沒有任何的查詢字串，但是因為符合空查詢字串的電子標籤數量大於1個以上，這 些電子標籤的答覆會發生碰撞，RFID讀取器發現電子標籤的答覆有發生碰撞後，會將空查詢字 串擴展2個位元（00、01、10及11），當查詢至10及11時發生碰碰撞後藉由時隙延遲電子標籤答 覆技術，刪除不需要的新查詢字串，上述過程簡易分類如下：
1. RFID讀取器從等待查詢佇列中取出數值最小的查詢字串（第1次除外）
2. 然後發送帶有該查詢字串的查詢命令 3. 接著電子標籤的答覆將產生3種查詢結果：
碰撞，查詢字串擴展2個位元，然後藉由時隙延遲電子標籤答覆技術，刪除不需要的新 查詢字串，其他需要的新查詢字串置入等待查詢佇列中
閒置，不對等待查詢佇列做任何的處理
成功，不對等待查詢佇列做任何的處理
4. 回到步驟1重新執行，直到等待查詢佇列中沒有查詢字串，表示查詢結束
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表3-1 混合查詢樹查詢過程表
步驟 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 空字串 Collision 00,01,10,11 2 00 Tag A 01,10,11 3 01 Tag B 10,11
4 10 Collision 11,1000,1001,1010,1011 5 11 Collision 1000,1001,1010,1011,1100,1101 6 1000 Tag C 1001,1010,1011,1100,1101 ]7 1001 Idle 1010,1011,1100,1101
8 1010 Idle 1011,1100,1101 9 1011 Tag D 1100,1101 10 1100 Tag E 1101 11 1101 Tag F END
從表3-1中可得知RFID讀取器總共發送9次的查詢命令，其中：碰撞=3、閒置=2、成功=6。
與表2-2中四元查詢樹協定的查詢結果互相比較，使用混合查詢樹協定，碰撞時期的數量雖然增 加1個，但是卻可以消除部份的閒置時期，也使得混合查詢樹協定的執行步驟數量為11，低於四 元樹查詢樹協定的執行步驟數量12。
3.1.3 預先偵測查詢樹協定
此章節將介紹預先偵測查詢樹協定（Pre-Detection Query Tree Protocol，簡稱PDQT[9]），所 提出的時隙前偵測訊號技術（Slotted Pre-Detection Signal Mechanism），主要觀念是在現行的電 子標籤答覆技術上，加入時隙前偵測訊號機制。當讀取器送出查詢字串，若電子標籤識別碼(簡 稱UID)的前綴位元資料符合時，現行的電子標籤答覆技術，會立即答覆UID資料給RFID讀取器；
然而，在預先偵測查詢樹協定中，電子標籤必須在4個偵測時隙後才能答覆，其所增加的4個偵 測時隙是用來傳遞前偵測訊號。而電子標籤若符合查詢字串UID前綴位元資料時，前偵測訊號會 根據，後續2個位元資料表示的時隙作傳遞。
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實行時隙前偵測訊號機制的方法是利用內建於電子標籤一個計時器。RFID讀取器發送查詢 字串，電子標籤的答覆將分別等待4個偵測時隙後才作回應，RFID讀取器通訊頻道會傳遞前偵測 訊號，以來知道發生碰撞與否。請參閱圖3-4，RFID讀取器發送查詢字串，並將四元查詢樹的每 一階層，切割成四個通訊頻道，分別為dts1-dts4（detection time-slot 偵測時隙，簡稱dts）。電子 標籤若符合查詢字串UID前綴位元資料時，前偵測訊號會依據後續2個位元資料表示的時隙作偵 測。經過四個時隙的前偵測訊號偵測後，RFID讀取器便可預先知道哪個時隙繁忙，存在有電子 標籤，哪個時隙閒置，不存在電子標籤。在下一次的查詢命令，並不需要發送查詢字串給不存 在的電子標籤，當讀取器不會發送不存在電子標籤的查詢字串時，表示不必要的閒置時期會被 刪除，因此RFID讀取器發送的查詢命令數量將會降低。
RFID讀取器在對四元查詢樹的每階層發送查詢命令前，加入時隙前偵測訊號機制在電子 標籤答覆技術上，需要額外花費四個時隙的等待時間，以來減少全部的閒置時期，進而降低RFID 讀取器發送的查詢命令數量。請參閱圖3-3及圖3-4。因為可以檢測所有的閒置時期，因此讀取器 在下一次的查詢命令，不需發送查詢字串1001、1010，從而降低RFID讀取器發送的查詢命令數 量，提高整體辨識速度。
圖3-4 預先偵測查詢樹協定運作示意
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圖3-5 時隙前偵測訊號技術運作示意
3.1.4 查詢實例
將RFID讀取器對圖3-4預先偵測查詢樹協定的查詢過程列表如下，請參閱表3-2。注意表3-2 中的步驟1，RFID讀取器在開始進行查詢流程時，會先發送0位元的空查詢字串的查詢命令，此 時等待查詢佇列中沒有任何的查詢字串，但是因為符合空查詢字串的電子標籤數量大於1個以上，
這些電子標籤的答覆會發生碰撞，RFID讀取器發現電子標籤的答覆有發生碰撞後，會將空查詢 字串擴展2個位元（00、01、10及11），然後藉由時隙前偵測訊號技術，刪除不需要查詢字串，
而需要的新查詢字串00、01、10、11等置入查詢佇列中，接著執行步驟2，上述過程簡易分類如 下：
Step1. RFID讀取器從等待查詢佇列中取出數值最小的查詢字串（第1次除外）
Step2. 然後發送帶有該查詢字串的查詢命令 Step3. 接著電子標籤的答覆將產生3種查詢結果：
碰撞，查詢字串擴展2個位元，然後藉由時隙前偵測訊號技術，刪除不需要的新查詢字 串，其他需要的新查詢字串置入等待查詢佇列中。
閒置，不對等待查詢佇列做任何的處理。
成功，不對等待查詢佇列做任何的處理。
Step4. 回到步驟1重新執行，直到等待查詢佇列中沒有查詢字串，表示查詢結束。
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表3-2 預先偵測查詢樹查詢過程表
步驟 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 空字串 Collision 00,01,10,11 2 00 Tag A 01,10,11 3 01 Tag B 10,11
4 10 Collision 11,1000,1011 5 11 Collision 1000,1011,1100,1101 6 1000 Tag C 1011,1100,1101 7 1011 Tag D 1100,1101 8 1100 Tag E 1101 9 1101 Tag F END
從表3-2中可得知RFID讀取器總共發送9次的查詢命令，其中：碰撞=3、閒置=0、成功=6。
與表2-2中四元查詢樹協定的查詢結果互相比較，使用預先偵測查詢樹協定，碰撞時期的數量雖 然多一，但是所有的閒置時期都被清除了，也使得預先偵測查詢樹協定的執行步驟數量為9，低 於四元樹查詢樹協定的執行步驟數量12。
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第 4 章 多項前偵測查詢技術
4.1 Multi-Way Pre-Detection Query Tree Protocol
本篇論文採用預測偵測訊號技術（Pre-Detection Query Tree Protocol，簡稱PDQT）[9]為基 礎，從前方的研究中我們發現，當環境中標籤密度很高時，前面的階層中讀取器發出詢問所得 到的結果幾乎都是碰撞節點，除非是非常不平衡的樹。讀取器必須要到後面的階層才會有機會 詢問到空節點或者直接辨識到標籤，基於這個原因，此論文的想法就是RFID讀取器能夠在前期 如遇碰撞時能夠透過增加預偵測位元快速跳層，來省略實際的命令次數以及碰撞次數。
本文採用預測偵測訊號技術當基礎，讀取器發送查詢字串，符合電子標籤UID前綴位元資料 時，若發生碰撞，表示存在有兩個以上的標籤同時回應，將查詢字串向下擴增兩個位元（00、
01、10及11）由於一開始是以2位元，之後遇碰撞後便增加位元直到最多4位元，所以128位元的 標籤系統下，會發現於最後一階層時只剩3位元((128-2-3)/4=30...3)，所以此方法在此時便切 回2位元方式，為何不直接用3位元偵測，原因是當遇碰撞時，最後一位元0與1皆為存在，跟據 Incremental Splitting Scheme(簡稱 ISS) [8]演算法，在二元查詢樹技術中，若在N-1階層詢問時，
發生碰撞，代表碰撞為兩個電子標籤且最後一位元中的0與1同時都存在，可以同時分辨兩個電 子標籤，如此一來即可省略對N階的詢問，這樣便可減少時隙的數量又可快速辨示標籤，MPQT 也因為預測偵測訊號技術，所以可以去除大量的閒置時期再加上多位元快速跳層所以也可以減 少命令次數，而且透過事先的計算，此方法也同樣適用於16位元、32位元、64位元及96位元。
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4.2 MPQT Method
此章節將介紹MPQT協定的運作流程:
1. 假設環境中的標籤ID長度為128，透過事先計算(128-5)/4=30...3，由此可得知可畫分成33 個Phase，RFID讀取器以0階層開始詢問，一開始Phase 1 便以2bit(4-ary)方式做PDQT[9]，
請參閱圖4-2 ，RFID讀取器依序發送查詢字串為，128 位元的所有組合，請參閱圖4-1。
圖4-1 MPQT 演算法示意圖之一
圖4-2 MPQT 演算法示意圖之二
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2. 標籤回應碰撞，表示碰撞節點之下有二個以上的標籤，查詢字串擴展3個位元，改成8元查詢 樹技術，然後藉由時隙前偵測訊號技術(PDQT[9]，參閱圖4-3)，刪除8元樹查詢樹協定中不 必要閒置節點保留需要的新查詢字串置入等待的佇列中，此時位於phase 2 參閱圖4-1。
圖4-3 MPQT 演算法示意圖之三
3. 當位於8元查詢仍然發生碰撞時，查詢字串繼續擴展成4個位元，改成16元查詢樹技術，然後 藉由時隙前偵測訊號技術(PDQT[9]，參閱圖4-4) ，繼續刪除不必要閒置節點保留需要的新 查詢字串，此時位於phase 3 ，之後到phase 32皆是使用此方法做快速跳層 參閱圖4-1。
圖4-4 MPQT 演算法示意圖之四
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4. 當讀取器做到phase 32仍然發生碰撞時，由於此時標籤位元數只剩3位元，這時後改成二元 查詢樹技術作N-1階層詢問，利用ISS演算法，若在N-1階層詢問時，發生碰撞，即可辨識到碰 撞節點下的兩個標籤，請參閱圖4-5。
圖4-5 MPQT 演算法示意圖之五
4.3 查詢實例
圖4-6 多項前偵測查詢樹實例
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以16位元為例，有A、B、C、D、4個標籤，分別為0000000000000001、0000000000000010、
0110000000000001、0110000000000010，RFID讀取器先計算出所需的Phase，(16-5)/4=2…3，
由計算可得知4Bit有2個Phase，加上開始的2Bit跟3Bit以及最後的2Bit，所以全部有5個Phase，
請參閱圖4-6 ， 讀取器一開始會先發送0位元的空查詢字串的查詢命令，此時等待查詢佇列中 沒有任何的查詢字串，但是因為符合空查詢字串的電子標籤數量大於1個以上，這些電子標籤的 答覆會發生碰撞，RFID讀取器發現電子標籤的答覆有發生碰撞後，會將空查詢字串擴展2個位元 進入到Phase 1 ，利用時隙前偵測訊號技術 PDQT[9] 刪除閒置位元10、11 參閱圖4-6，如發 生碰撞，便增加詢問位元進入到Phase 2 做時隙前偵測訊號技術 PDQT[9] 刪除所有閒置位元，
只保留00000、01100，此時再次發生碰撞，便再次增加詢問位元進入到Phase 3，只保留000000000、
011000000，此時詢問位元已加到4位元，之後的Phase都將會以4位元方式進行時隙前偵測，但 是由於讀取器事先計算出只需5個Phase，所以當Phase 4發生碰撞時，因為讀取器已知未辨識位 元只剩3位元，所以Phase 5時便會切回2位元方式做時隙前偵測，跟據ISS演算法，若在N-1階層 詢問時，發生碰撞，即可辨識到碰撞節點下的兩個標籤
上述過程簡易分類如下：
1. RFID讀取器事先計算出所需的Phase 數量 N=5 2. 一開始發送帶有該查詢字串的查詢命令
3. 接著電子標籤的答覆將產生3種查詢結果：
碰撞：先確認Phase:
I. Init : 查詢字串擴展2個位元進入Phase 1，然後藉由時隙前偵測訊號技術，刪除 四元樹查詢樹協定中不必要閒置節點，其他需要的新查詢字串置入等待查詢佇列中。
II. Phase 1 : 查詢字串擴展3個位元進入Phase 2，藉由時隙前偵測訊號技術，刪除八 元樹查詢樹協定中不必要閒置節點。
III. Phase 2 : 查詢字串擴展4個位元進入Phase 3，之後Phase 4也是如此，藉由時隙 前偵測訊號技術，刪除十六元樹查詢樹協定中不必要閒置節點。
IV. Phase 4 : 查詢字串改回2個位元進入Phase 5，然後藉由時隙前偵測訊號技術，刪 除四元樹查詢樹協定中不必要閒置節點。
V. Phase 5: 此時可直接填0及1做直接辨識。
閒置：不對等待查詢佇列做任何的處理。
成功：不對等待查詢佇列做任何的處理。
5. 直到等待查詢佇列中沒有查詢字串，表示查詢結束。
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表4-1多項前偵測查詢技術過程表
步驟. 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 NULL Collision 00,01 2 00 Collision 01,00000 3 01 Collision 00000,01100 4 00000 Collision 01100,000000000 5 01100 Collision 000000000,011000000 6 000000000 Collision 011000000,0000000000000 7 011000000 Collision 0000000000000,0110000000000 8 0000000000000 Collision 0110000000000,000000000000000
000000000000001
9 0110000000000 Collision 000000000000000,000000000000001 011000000000000,011000000000001 10 000000000000000 Tag A 000000000000001
011000000000000,011000000000001 11 000000000000001 Tag B 001100000000000,011000000000001 12 001100000000000 Tag C 011000000000001
13 011000000000001 Tag D END
從表4-1中可得知RFID讀取器總共發送13次的查詢命令，其中：碰撞=9、閒置=0、成功=4。
如果以相同的例子用預先偵測查詢樹協定PDQT[9]來推演的話，依照章節3.1.3所描述之方式，
我們可以推演出樹狀圖示意以及步驟、參閱圖4-7、表4-2。
圖4-7 預先偵測查詢樹實例
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表4-2 預先偵測查詢技術過程表 步
驟. 查詢字串 查詢結果 等待查詢佇列
1 NULL Collision 00,01 2 00 Collision 01,0000 3 01 Collision 0000,0110 4 0000 Collision 0110,000000 5 0110 Collision 000000,011000 6 000000 Collision 011000,00000000 7 011000 Collision 00000000,01100000 8 00000000 Collision 01100000,0000000000 9 01100000 Collision 0000000000,0110000000 10 0000000000 Collision 0110000000,000000000000 11 0110000000 Collision 000000000000,011000000000 12 000000000000 Collision 011000000000,00000000000000 13 011000000000 Collision 00000000000000,01100000000000 14 00000000000000 Collision 01100000000000,0000000000000001
0000000000000010
15 01100000000000 Collision 0000000000000001,0000000000000010 0110000000000001,0110000000000010 16 0000000000000001 Tag A 0000000000000010
0110000000000001,0000000000000010 17 0000000000000010 Tag B 0110000000000001,0110000000000010 18 0110000000000001 Tag C 0000000000000010
19 0000000000000010 Tag D END
從表4-2中可得知RFID讀取器總共發送19次的查詢命令，其中：碰撞=15、閒置=0、成功=4 由表4-1、表4-2比較得知，本論文的方法是以預先偵測技術為基礎，所以所有的閒置時間 都可以被完全的消除，除此之外不論是查詢命令上或者是碰撞上都是能夠有效的減少其數量、
稍後將於下一個章節裡，我們將會用實際的數據來證明，並且將本論文的方法與其它四種查詢 技術做一個整體的效能比較。
27
第5章效能評估與結果分析
此章節將前述介紹的二元查詢樹協定（簡稱Binary QT）、四元查詢樹協定（簡稱4-ary QT）、
混合查詢樹協定（簡稱HQT）、預先偵測查詢樹協定（簡稱PDQT）等4種查詢樹協定，與本篇 論文提出的多項前偵測查詢技術（簡稱MPQT）一起作效能上的模擬、評估和比較，並將結果作 一分析與討論。
5.1 效能評估
四種電子標籤碰撞仲裁協定的模擬程式是以Microsoft Visual C++ 2008程式編譯軟體來進行 撰寫，模擬RFID系統中一個讀取器查詢多個電子標籤時，其碰撞週期、閒置週期、成功週期等 三種答覆通訊時期的各個數量為何。並且假設讀取器與電子標籤之間的通訊是在一靜態環境，
所有的電子標籤也都在可讀取範圍內，沒有任何通訊上的錯誤情況發生。電子標籤的模擬種類 分為16Bit、32Bit、64Bit、128Bit，總數為3000、6000、9000、10000、12000、13000、15000、
16000等八種，並對各個電子標籤數量做模擬。其他的模擬參數[27]，並新增部份參數、請參閱 表5-1。
表5-1 模擬參數(引用[9])
模擬參數 模擬參數說明 模擬設定值
L
uid電子標籤的UID 長度 UID：唯一電子標籤識別碼。 128 bits
L
cmd讀取器發送的查詢命令長度，包含命令長度和UID
長度。命令長度= 195 bits , UID 長度= 128 bits。 323 bits
L
res電子標籤的答覆資料長度即是電子標籤的 UID 長
度。 128bits
R
com通訊速率指在讀取器與電子標籤之間的通訊速率。 128 Kbps
28
（單位：bit per second）
T
bit單一位元的通訊時間，即是 1/通訊速率= 1/16
Kbps。 7.8125 us
T
trp (β)讀取器發送查詢命令後，直至接收到電子標籤回覆
訊號的等待時間。 20 us
T
btsHQT 單一時隙延遲的時間混合查詢樹協定之時隙延
遲電子標籤答覆技術中的單一時隙時間。 20 us
T
dts PDQT 單一偵測時隙的時間預先偵測查詢樹協定之時隙前偵測訊號技術中的單一時隙時間。 20 us
T
res (γ
) 電子標籤資料回覆時間 128*7.8125 usT
cmd (α) 讀取器查詢時間 323*7.8125usθ 1
四個前偵測時隙所需時間 4 slots *T
dts 80usθ 2
八個前偵測時隙所需時間 8 slots *T
dts 160usθ 3
16 個前偵測時隙所需時間 16 slots *T
dts 320usθ 4
HQT 時隙延遲的時間 3 slots*T
bts 60us5.2 結果分析
實驗中的4-ary QT、HQT、PDQT這三種查詢樹協定都屬於四元查詢樹架構的協定，其碰撞 時期的數量皆相同且相較於二元查詢樹協定之碰撞時期的數量會大幅度地減少。Binary QT、則 是二元查詢樹架構的協定，而本論文的MPQT，是利用四元查詢樹協定的特點，演生出遇碰撞時 便增加位元的方式做到8元及16元的查詢樹以達到快速跳層，而且防碰撞的效果最佳。從圖5-1 的結果來看，不論是何種Bit數，其結果皆可獲得相同的論證。
29
圖5-1 碰撞時期的數量
4-ary QT、HQT、PDQT這三種查詢樹協定都屬於四元查詢樹架構的協定，從前面章節論述 可知四元查詢樹協定相較於二元查詢樹協定的特性，除了可減少碰撞及詢問次數外，另一個就 是閒置時期的數量會增加。但HQT與PDQT將時隙延遲機制與時隙前偵測訊號機制加入在現行的 電子標籤回覆技術上，來減少或完全清除四元樹查詢樹協定的閒置時期，所以閒置時期數量會 變成低於Binary QT與4-ary QT。
而本篇論文的MPQT將時隙前偵測訊號機制加入在每一個Phase的電子標籤回覆技術上，能 完全清除每一次詢問時的4元、8元、16元查詢樹協定的閒置節點。從圖5-2的結果論證MPQT不論 在何種Bit數，閒置節點數量皆完全消除、相同於PDQT。
30
圖5-2 閒置時期的數量
圖5-3的識別延遲的時間總和是由讀取器發送查詢命令時所花費的時間，再加上電子標籤回 覆UID資料時的通訊時間。4-ary QT、HQT、PDQT等三種同屬於四元查詢樹架構的協定，其中 閒置時期的數量比較，以4-ary QT的數量最多，HQT的數量次之，PDQT的數量等於零，由於三 種查詢樹協定在碰撞時期的數量是一樣的，因此識別延遲的時間多寡依序是4-ary QT最多、HQT 次之、PDQT最少，從圖5-3的結果來看，的確可以論證。
由圖5-1及圖5-2得知碰撞時期數量最多的是Binary QT，而閒置時期數量最多的則是4-ary QT，但是因為發生碰撞時期時，讀取器發送的查詢命令長度
(L
cmd)是323 bits，大於電子標籤的 答覆資料長度(L
res)128 bits(參考表5-1)，所以Binary QT的讀取器有發送查詢命令動作的整體識 別延遲時間會多於4-ary QT。Binary QT則就是二元查詢樹架構的協定，延遲的時間多寡依序是 Binary QT最多、4-ary QT 、HQT、PDQT最少。而本篇論文的MPQT將時隙前偵測訊號機制。從圖5-3的結果論證不論標籤數量及長度為何，
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MPQT的延遲的時間數量低於相較的四個協定，故本論文的效率最好。
圖5-3 識別延遲
圖5-4是電子標籤模擬在16bits、32bits、64bits、128bits時，標籤總數16000的情況下的時間 分佈，三個條狀圖分別代表讀取器發送查詢命令時所花費的時間，與電子標籤回覆UID資料時的 通訊時間，以及兩者時間總和的時間分佈。
分析讀取器發送查詢命令時所花費的時間，4-ary QT協定與Binary QT相較可減少部分的碰 撞節點，卻也增加部分的閒置節點，所以在讀取器發送查詢命令時所花費的時間兩者相當。而 HQT與PDQT 兩者協定是屬於四元查詢樹架構的改良，會減少或清除全部的閒置時期，使得讀 取器發送的查詢命令數量大大的減少了。而本論文的MPQT，結合四元查詢樹協定及PDQT的特點，
並且使用增加查詢位元方式達到快速跳層，讓讀取器發送查詢命令時所花費的時間的最少。
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分析電子標籤回覆UID資料時的通訊時間，由於Binary QT的碰撞時期數量是最多的，所以 在電子標籤回覆UID資料時的通訊時間是最多的。4-ary QT、HQT、PDQT 等三種協定屬於四元 查詢樹架構，其碰撞時期數量是相同的，但因為HQT的時隙延遲電子標籤答覆技術需要額外增 加3個時隙時間，而PDQT的時隙前偵測訊號技術則需要額外增加4個時隙時間，所以三者協定在 電子標籤回覆UID資料時的通訊時間多寡依序是4-ary QT最少、HQT 次之、PDQT最多。而本論 文的MPQT則是根據PDQT查詢樹架構做基礎，理論上電子標籤回覆UID資料時的通訊時間應該 跟PDQT相同，但是MPQT多增加了8元、16元的時隙查詢能夠快速跳層，使的碰撞數量大幅的減少，
其電子標籤回覆UID資料時間也會大幅減少，而且也因為能夠快速跳層，讓讀取器利用這個優勢 使發送命令的數量也大幅的減少，且當處理到最後一個Phase時，MPQT會改成4元查詢樹來辨識 最後的三個位元，遇碰撞便直接填0跟1做辨識，如此又可減少時隙的浪廢又可以有效減少命令 次數，進而達到最佳化的通訊時間。
最後兩者時間的總和比較，將五個協定由多至寡依序是Binary QT、4-ary QT、HQT、PDQT、
MPQT。
圖5-4 時間分佈
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圖5-5是讀取器與電子標籤雙項交握關係，TX(
α
)為讀取器發送查詢命令時所花費的時間，其帶有查詢命令長度(
L
cmd)，包含命令長度和UID長度。而RX為電子標籤回覆UID資料時的通訊 時間，其中閒置時期，不會回覆電子標籤自身的UID，所以只有讀取器發送查詢命令後，直至接 收到電子標籤回覆訊號的等待時間(β
)；當遇到成功識別或碰撞時期時，電子標籤的答覆會包含 電子標籤的UID長度換算來的通訊時間(γ
)，加上回覆讀取器訊號的等待時間(β
)，若演算法含有時槽技術,仍須加上時槽的單位數(θ)，所有的參數請參閱表5-1 ，而下列則是如何計算各個時 間的運算式子:
圖5-5 讀取器與電子標籤雙向通訊關係
讀取器發送查詢命令時所花費的時間(TX)：
Binary QT、4-ary QT、HQT、PDQT 、MPQT五種協定
(n idle + n sucess + n Collision ) × α
電子標籤回覆UID資料時的通訊時間(RX)：
Binary QT、4-ary QT、協定:
(n idle × β) + ((n sucess + n Collision ) × ( β + γ))
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HQT 協定:
(n idle × ( β +θ4)) + ((n sucess + n Collision ) × ( β + γ +θ4))
PDQT 協定:
(n idle × ( β +θ1)) + ((n sucess + n Collision ) × ( β + γ +θ1))
MPQT 協定:
(n idle × ( β + θ1 / θ2/ θ3)) + ((n sucess + n Collision ) × ( β + γ + θ1 / θ2/ θ3)))
表5-2是電子標籤模擬數量在16000個的情況下，有關讀取器發送查詢命令時所花費的時間、
電子標籤回覆UID資料時的通訊時間、兩者時間的總和，以及效能比。
分析讀取器發送查詢命令時所花費的時間，4-ary QT協定與Binary QT相較可減少部分的碰 撞節點，卻也增加部分的閒置節點，所以在讀取器發送查詢命令時所花費的時間兩者相當。而 HQT與PDQT 兩者協定是屬於四元查詢樹架構的改良，會減少或清除全部的閒置時期，使得讀 取器發送的查詢命令數量大大的減少了。而本論文的MPQT，結合PDQT預偵測查詢樹協定的特點，
並增加位元的方式，使讀取器發送查詢命令時所花費的時間的最少。
分析電子標籤回覆UID資料時的通訊時間，由於Binary QT的碰撞時期數量是最多的，所以 在電子標籤回覆UID資料時的通訊時間是最多的。4-ary QT、HQT、PDQT 等三種協定屬於四元 查詢樹架構，其碰撞時期數量是相同的，但因為HQT的時隙延遲電子標籤答覆技術需要額外增 加3個時隙時間，而PDQT的時隙前偵測訊號技術則需要額外增加4個時隙時間，所以三者協定在 電子標籤回覆UID資料時的通訊時間多寡依序是4-ary QT最少、HQT 次之、PDQT最多。而本論 文的MPQT多增加了8元、16元的時隙前偵測查詢能夠快速跳層，使的碰撞數量大幅的減少，其 電子標籤回覆UID資料時間也會大幅減少，而且也因為能夠快速跳層，讓讀取器利用這個優勢使 發送命令的數量也大幅的減少，且當處理到最後一個Phase時，MPQT會改成4元前偵測查詢技術 來辨識最後的三個位元，遇碰撞便直接填0跟1做辨識，如此又可減少時隙的浪廢又可以有效減 少命令次數，進而達到最佳化的通訊時間。
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最後兩者時間的總和比較，將五個協定由多至寡依序是Binary QT、4-ary QT、HQT、PDQT、
MPQT。
本篇論文所提出的MPQT結合PDQT的優勢外並增加了多項前偵測的特點，與4-ary QT、HQT、
PDQT 三者協定一起與Binary QT進行比較之後，不論標籤是幾Bit的系統下，Speedup的值都遠 遠優於其它方法。
表5-2 效率比較
註: 以Binary QT為比較的基準
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第6章結論與未來研究方向
6.1 結論
在本篇論文中，我們結合前人所提出的四元查詢樹時隙前偵測訊號協定（簡稱PDQT）的精 髓，提出了多項前偵測查詢技術演算法（簡稱MPQT），利用一開始遇碰撞時便增加下次查詢字 串位元數達到能夠快速跳層，來減少標籤碰撞及命令次數，而且又兼顧了PDQT的優勢，消除了 所有的閒置時間，並且透過讀取器事先的計算，在最後的Phase進行四元樹PDQT，將N-1階預先 偵測到閒置節點從查詢串列中刪除，清除不必要的閒置時期。依據ISS協定讀取器只需詢問到N-1 階，流程在N-1階完成所有標籤的辨識，省略讀取器對不必要階層的詢問，更加提升了在RFID 系統中讀取器的辨識效率。
論文方法提出的多項前偵測查詢技術協定，實際運用在RFID系統中使用四元查詢樹PDQT 演算法，其電子標籤內部需要內建一個計時器以來實現時隙前偵測訊號技術，並且為了能夠預 先偵測不必要的閒置時期，必須在每一次的電子標籤回覆時，都需要額外增加4個、8個、16個 偵測時隙是用來傳遞前偵測訊號。
經由實驗結果證明，MPQT在RFID系統下不論是幾位元的長度除了可以消除所有的閒置時間 外，並且確實能有效的減少讀取器在辨識的過程中發送不必要的的查詢命令數量以及碰撞數 量。
6.2 未來研究方向
本論文是建立在四元查詢樹的前偵測技術，結合了Tree Based以及ALOHA Based，並演生出 增加位元、使用八元查詢樹及十六元查詢樹來快速跳層減少碰撞及清除電子標籤的閒置時期，
但因此也需要增加額外的時隙時間，如此都會增加電子標籤回覆時的通訊時間。建議未來的研 究方向可朝減少時隙數量為前題，或者是不需要時隙就可消除閒置時間，來研究出最佳的辨識 效率及最短的通訊時間。最後，建議未來的研究人員將任意的標簽長度問題也考量入研究之中，
例如：餘數會發生整除、餘一、餘二，三種狀況，此時讀取器必需另外處理運算。在此，僅希 望此論文提出的作法能夠對RFID系統的實際建置上能夠有所幫助。
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