中華大學

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中華大學碩士論文

運用高效能預先偵測技術之電子標籤辨識演算法

An Efficient Pre-Detection Algorithm in RFID Systems

系所別：資訊工程學系碩士班學號姓名： E10002002 張書源指導教授：梁秋國博士

中華民國 102 年 8 月

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An Efficient Pre-Detection Algorithm in RFID Systems

Student：Shu-Yuan Chang

Advisor：Dr. Chiu-Kuo Liang

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摘要

無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification System, RFID)是一種利用無線射頻電磁波及嵌入式晶片卡儲存資訊來辨識特定物品的系統，透過非接觸式供電及雙向通信，使其廣泛的應用在各個不同的領域。而隨著RFID使用上的日漸普及，在實際使用上便會面臨電子標籤辨識的問題。因為讀取器(Reader)與電子標籤(Tags)是依靠無線訊號在溝通，而當多個無線訊號在相同的頻率通道下同時傳送時，就會造成訊號碰撞(collisions)的情況。對於如何準確快速的辨識出每一個電子標籤獨有的唯一電子標籤識別碼 (UID) 一直是許多學者研究的重點，而電子標籤防碰撞演算法 (Tag Anti-Collision Algorithms)正是發展用來處理及解決此類的問題。

本篇論文中，我們提出了一個高效能預先偵測廣播演算法(Efficient Pre-Detection Broadcast Algorithm, EPDBA)，此演算法是以預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法 (Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm, PDBQT)的架構進行改良，但我們採用不同的處理機制，能以更少的傳輸成本來提高效率。在電子標籤回覆唯一電子標籤識別碼前使用了預先偵測訊號技術，這時我們提出了使電子標籤以包含更多訊息的較少位元數來回覆的技術，這樣便能使用較短的時間來解析出電子標籤在樹狀結構中的分布狀況，接著讀取器再進行廣播，電子標籤接收到廣播信號，進而辨別自己是否被指定須回覆唯一電子標籤識別碼給讀取器，而且僅須回覆唯一電子標籤識別碼的未知部分即可，如此便可增加電子標籤辨識的效率。本論文最後作了效能的評估，模擬的結果顯示我們所提出的高效能預先偵測廣播演算法(EPDBA)不論在電子標籤為隨機亂數分布或有順序分布的RFID系統環境中確實比前人所提出之預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法(PDBTA)都有更好的表現。

關鍵字：無線射頻辨識、訊號碰撞、唯一電子標籤識別碼、電子標籤防碰撞演算法。

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ABSTRACT

RFID is a system for identification of specific items, which uses radio-frequency electromagnetic waves, and of embedding chip cards used to store information. Through non-contact power supply and bidirectional communication, its wide range of applications in different fields. With the growing popularity of RFID use, in actual use will be facing the problem of electronic identification label. Because the Reader and Tags are relying on wireless signals in communication, and when multiple wireless signals in the same frequency channel of transmission at the same time, it will cause signal collision situation.

How to quickly and accurately identify each UID of tags has been the focus of many scholars committed to research.

In this paper, we propose an Efficient Pre-Detection Broadcast Algorithm (EPDBA), this algorithm is modified from the Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm (PDBQT) architecture. But we use a different mechanism, we can use less transport costs to improve efficiency. This paper analyzes the performance, according to the simulation result, Efficient Pre-Detection Broadcast Algorithm (EPDBA) have a better performance than Hybrid Query Tree Protocol (HQT), Hybrid Hyper Tag Anti-Collision Algorithm ( QT) and Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm (PDBTA) in both random-distribution and sequential-distribution RFID environment.

Keywords: RFID, Collision, UID, Tag Anti-Collision Algorithms.

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誌謝

在這兩年研究所碩士班的求學階段裡，首先要感謝指導教授梁秋國博士，不僅給予我在課業上與研究上完整的指導與嚴厲的督促，還有灌輸了我在做研究時應有的態度和觀念，對於我現在及往後的做事態度以及思考模式方面有良多的獲益。經由教授不斷的指正後，讓我對無線射頻辨識技術領域有了進深入的概念，並且更加熟悉現今各種的RFID防碰撞技術，也因此確定了研究方向及有了自己的想法，更進一步獲得了一份具體的研究成果，進而順利完成此篇論文。

然後我要感謝這兩年來系上教導過我的教授們，在進修的過程中給予我們的指導與鼓勵，並體諒我們在工作與家庭之餘還要兼顧求學的辛勞。感謝曾秋蓉教授在書報討論課程細心與耐心的指導，使我建立論文報告的良好基礎。感謝鄭芳炫教授讓我對於研究有了不同的看法。感謝顏金泰教授課堂上給予的想法與概念，讓我對不同事物原理的聯結運用有了新的領悟。感謝劉志俊教授資料庫課程的教導，對於我目前工作上有非常大的幫助。並要感謝游坤明教授在二年級書報討論課程的嚴厲督促指導，使我們有了更嚴謹的態度。

感謝同研究室的源成、培煜、立群、瑜紘等同學的支持與鼓勵，對於我研究上所給予的建議及互相分享的觀念，感謝畢業的志鴻、志剛、欣模等學長在論文研究方面分享的知識與觀念，感謝日間部研究所小白、峰哥、小豬同學們的幫忙，以及要感謝這兩年研究所碩士班同班同學的加油及打氣。在這短暫的研究學習過程裡獲得了大家許多指正、幫忙、鼓勵與督促，進而使我能完成研究所的學業並順利取得碩士學位。

最後要感謝我的妻子其玲讓我無後顧之憂，我的兩個懂事的兒子翔喆、翔崴讓我不需操心能安心地求學。並要感謝我的長官的支持，使我在離開學業多年後，可以再有機會去進修學習，以及感謝同事的鼓勵，減輕我在工作上的負擔。

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表目錄

表 2.1 查詢樹演算法實例完整流程 ... 19

表 2.2 四元查詢樹演算法實例完整流程 ... 21

表 2.3 混合查詢樹協定實例完整流程 ... 33

表 2.4 強化混合電子標籤防碰撞演算法實例完整流程 ... 38

表 2.5 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法實例完整流程 ... 44

表 3.1 高效能預先偵測廣播演算法實例完整流程 ... 52

表 3.2 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 3 之實例完整流程 ... 60

表 4.1 模擬實驗參數值 ... 68

表 4.2 模擬實驗變數 ... 69

表 5.1 隨機亂數電子標籤數量 1000 時各演算法效能改善比較表 ... 75

表 5.2 有順序的電子標籤數量 1000 時各演算法效能改善比較表 ... 81

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圖目錄

圖 1.1 無線射頻辨識系統(RFID)架構 ... 2

圖 1.2 RFID 通訊讀取區及通訊干涉區示意圖 ... 4

圖 1.3 讀取器對電子標籤的訊號干擾 ... 5

圖 1.4 讀取器對讀取器的訊號干擾 ... 6

圖 1.5 多個電子標籤同時回覆訊號對讀取器的訊號干擾 ... 7

圖 2.1 空間分割多重存取(Space division multiple access, SDMA)示意圖 ... 10

圖 2.2 分頻多重存取(Frequency division multiple access, FDMA)示意圖 .... 11

圖 2.3 分碼多重存取(Code division multiple access, CDMA)示意圖 ... 12

圖 2.4 分時多重存取(Time division multiple access, TDMA)示意圖 ... 13

圖 2.5 Slotted Aloha 演算法示意圖 ... 15

圖 2.6 利用二元樹狀圖來表示 UID 碼 ... 16

圖 2.7 查詢樹演算法實例 ... 17

圖 2.8 四元查詢樹演算法實例 ... 19

圖 2.9 混合查詢樹協定示意圖 ... 23

圖 2.10 混合查詢樹協定之實例步驟一 ... 24

圖 2.11 混合查詢樹協定之實例步驟二 ... 25

圖 2.12 混合查詢樹協定之實例步驟三 ... 26

圖 2.13 混合查詢樹協定之實例步驟四 ... 27

圖 2.14 混合查詢樹協定之實例步驟五 ... 28

圖 2.15 混合查詢樹協定之實例步驟六 ... 29

圖 2.16 混合查詢樹協定之實例步驟七 ... 30

圖 2.17 混合查詢樹協定之實例步驟八 ... 31

圖 2.18 混合查詢樹協定之實例步驟九 ... 32

圖 2.19 混合查詢樹協定實例 ... 33

圖 2.20 強化混合電子標籤防碰撞演算法示意圖 ... 34

圖 2.21 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟一 ... 36

圖 2.22 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟二 ... 37

圖 2.23 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟三 ... 37

圖 2.24 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟四 ... 38

圖 2.25 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟五 ... 38

圖 2.26 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法示意圖 ... 40

圖 2.27 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法之實例步驟一 ... 42

圖 2.28 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法之實例步驟二 ... 43

圖 2.29 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法之實例步驟三 ... 44

圖 3.1 電子標籤 UID 取用資訊之結構示意圖 ... 46

圖 3.2 時槽內之訊息解碼方法 ... 47

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圖 3.3 預先偵測時槽訊息解碼示意圖 ... 48

圖 3.4 電子標籤於動態時槽回覆階段回覆訊息示意圖 ... 49

圖 3.5 高效能預先偵測廣播演算法(EPDBA)架構示意圖 ... 49

圖 3.6 電子標籤整個 UID 於預先偵測階段已完全獲得之示意圖 ... 50

圖 3.7 訊號還原示意圖 ... 50

圖 3.8 高效能預先偵測廣播演算法實例 ... 51

圖 3.9 電子標籤 UID 取用資訊之結構示意圖 ... 54

圖 3.10 4 層的樹狀結構於預先偵測時槽訊息解碼示意圖 ... 54

圖 3.11 電子標籤於動態時槽回覆階段回覆訊息示意圖 ... 55

圖 3.12 電子標籤整個 UID 於預先偵測階段已完全獲得之示意圖 ... 56

圖 3.13 前綴字串長度加上 N 值等於整個 UID 長度減 1 示意圖 ... 57

圖 3.14 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 3 之實例步驟一 ... 59

圖 3.15 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 3 之實例步驟二 ... 59

圖 3.16 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 3 之實例步驟三 ... 60

圖 3.17 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 4 之實例步驟一 ... 62

圖 3.18 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 4 之實例步驟二 ... 62

圖 3.19 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 4 之實例步驟三 ... 63

圖 3.20 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 5 之實例 ... 65

圖 3.21 高效能預先偵測廣播演算法 N 值為 6 之實例 ... 66

圖 4.1 96-bit 隨機亂數 Tag 以 N 值為 2 做時間模擬之結果 ... 70

圖 4.8 96-bit 隨機亂數 Tag 之 N 值選用參數比較表 ... 74

圖 4.9 96-bit 有順序的 Tag 以 N 值為 2 做時間模擬之結果 ... 76

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第 1 章緒論

1.1 研究動機

無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification System, RFID)是一種利用無線射頻電磁波及崁入式晶片卡儲存資訊來辨識特定物品的系統。目前被廣泛應用的被動式RFID的理論『無線電波載有足夠的磁場能量去啟動遠方的發射器，進而能讓這具發射器回答訊息。』在1948年被提出[1]，由於這項特性，透過非接觸式的供電及雙向通信，使得RFID應用範圍非常廣泛。

RFID 系統是由讀取器 (Reader) 、電子標籤 (Tag) 和後端應用系統 (Application System)等三個部分所構成，相對於條碼系統，具有讀取資料的速度較快、可以一次讀取多個標籤的特性，以及不需要直線通視等等的優勢。並且資料儲存於晶片之中，

通常壽命可以長達至少十年，相較於一般條碼易受潮濕、汙染、磨損等因素，而導致無法讀取條碼資料之缺點，RFID具有其優勢。

RFID起源於1948年二次大戰期間因雷達發展而形成的RFID理論[2]，1950年代英國使用於空軍戰鬥機的敵我辨識。於1978年首度成功的將RFID標籤植入乳牛的皮膚中，除了可以用來辨識乳牛的身份外，也可以記錄牛隻的體溫。在1987年第一個RFID 道路電子收費系統(Electronic Toll Collection, ETC)建於挪威。1990年代RFID開始進入日常生活應用，2003年起有了各種的標準被提出。

美國最大的零售商沃瑪百貨(Wal-Mart)公司在2007年開始將RFID技術導入其發貨中心，希望藉由新的IT技術來達成貨品的追蹤與有效管理。貼附於商品上的RFID 電子標籤除了可以有效管理發貨中心的庫存，並能利用相關資訊來追蹤管制商品在發貨中心與各零售商店間的配送與調配。Wal-Mart藉此達成減少產品訂貨與出貨週期、

縮短供貨時間以及降低庫存等三個目標。

RFID系統目前主要應用的領域有供應鏈物流管理、倉儲管理、交通運輸管理、

自動控制、安全監控、醫療照顧、圖書與檔案管理、票證儲值。由於成本的考量，主要是使用低成本被動式電子標籤(low-cost passive tag)居多，而由於此類電子標籤本身

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有訊號碰撞、複雜運算的一些限制，若使用不好的方法，會產生讀取器與電子標籤間無效溝通次數的增加、或是溝通的訊號傳輸成本太高，不僅造成時間的浪費並將使得系統的效率不佳，因此解決此一電子標籤溝通效率的問題就是我們研究的動機。

1.2 無線射頻辨識系統(RFID) 架構

無線射頻辨識系統(RFID)主要是由電子標籤(Tag)、讀取器(Reader)和應用系統 (Application System)所組成。其運作的架構是利用讀取器經由天線(Antenna)發射無線電波，讓感應範圍內的電子標籤經由本身的天線(Antenna)以電磁波感應方式產生電源，

使電子標籤上的晶片(IC)動作並回覆無線電波給讀取器接收，如圖1.1所示。

System Reader

Antenna

Tag

Antenna

IC

圖 1.1 無線射頻辨識系統(RFID)架構

而運作的原理分為兩種：其一是電磁感應，是利用磁場感應在讀取器與標籤之間傳遞訊息，感應距離僅限於10公分以內，目前應用於票證系統，例如識別證、悠遊卡和門禁管理等。另一種為射頻共振，是利用電磁波在讀取器與電子標籤之間傳遞訊息，

資料傳輸頻寬較高，傳輸率較佳，其傳輸距離可達15公尺甚至更遠。以下我們將分別介紹電子標籤、讀取器及應用系統。

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1.2.2 電子標籤

電子標籤感應到讀取器的無線電波之後，需要有足夠的電力啟動晶片內的各項元件執行運算，然後驅動天線以無線電波回覆資訊。目前依照電源設計的不同，電子標籤可分為主動式、半被動式及被動式等三種：

 主動式(active)電子標籤：電子標籤有內部電池，可以主動傳送訊號供讀取器讀取，不需讀取器發送無線電波供電，訊號傳送距離較遠。

 半被動式(Semi-passive)電子標籤：電子標籤一樣有內部電池，但不同於主動式的電子標籤，需等讀取器發送訊號再做回覆，可以減少電量的損耗，

增加使用時間。

 被動式(Passive)電子標籤：電子標籤本身沒有電源，其內部電路所需的電源要靠接收讀取器的無線電波以電磁感應方式產生，所以只有在接收到讀取器的訊號才會被動的回應讀取器。

1.2.3 應用系統

應用系統包含中介軟體(meddleware)及後端系統整合(system integration)，介於前端硬體設備與後端系統間的中介軟體，負責處理前端相關資訊最後轉成可讓後端系統可用的資料，後端系統則透過加解密及防火牆等技術保護資料安全。相關整合的應用包括航空公司對於行李監控、生產線自動化、倉庫系統管理、運輸監控、保全管制及醫療管理等。

1.3 RFID訊號碰撞問題

隨著RFID使用上的日漸普及，許多產業也相繼投入應用，在實際使用上便會面臨電子標籤辨識的問題，因為讀取器與電子標籤是依靠無線訊號在溝通，而當多個無線訊號在相同的頻率通道下同時傳送時，就會造成訊號碰撞(collision)的情況，為了更

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深入了解及解釋碰撞的原因，以下我們使用兩種區域概念來解說，即通訊讀取區(Read region)及通訊干涉區(interference region)[16]，如圖1.2所示。通訊讀取區是環繞在讀取器周圍可以跟電子標籤或其它讀取器溝通且訊息可以被正確的讀取的區域，而通訊干涉區則是指讀取器的無線電波可以到達的區域，但在這個區域內的訊號能量強度會干擾電子標籤或其它讀取器的回應。

Reader Interference Region

Read Region

圖 1.2 RFID 通訊讀取區及通訊干涉區示意圖

RFID 的訊號碰撞問題主要可以區分為兩大類，即讀取器碰撞問題 (Reader collision problem)[17]及電子標籤碰撞問題(Tags collision problem)[18]，以下我們分別進行說明。

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在此交疊區域的電子標籤的溝通失敗，這也可以稱為讀取器對電子標籤的訊號干擾，

如圖1.3所示。

Reader

Read Region Reader

Read Region

Tag F

Tag A

Tag B Tag C

Tag D Tag E

Tag G

圖 1.3 讀取器對電子標籤的訊號干擾

第二種是讀取器的通訊干涉區(interference region)的訊號影響到另一個讀取器的正確運作，因為在此狀況下仍有較強的的通訊能量會對另一個讀取器產生訊號干擾，

這稱為讀取器對讀取器的訊號干擾，如圖1.4所示。

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Reader Interference region

Read Region Reader

圖 1.4 讀取器對讀取器的訊號干擾

1.3.2 電子標籤碰撞問題(Tag collision problem)

在RFID中，當讀取器的通訊讀取區(Read region)內有兩個以上的電子標籤時，若有多個電子標籤同時傳送資料或同時回應讀取器時，就會造成訊號干擾進而使得電子標籤辨識失敗，因為讀取器無法接收到正確的訊號，如圖1.5所示。而這些干擾將使得整個系統的效能大幅降低，所以電子標籤防碰撞演算法正是發展用來處理及解決此類的問題。

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Reader

Read Region

Tag F

Tag A

Tag B

Tag C Tag D

Tag E

Tag G

圖 1.5 多個電子標籤同時回覆訊號對讀取器的訊號干擾

1.4 研究目的

本篇論文研究了Slot ALOHA protocol[3,4,5,6]通訊協定和查詢樹演算法(Query Tree Algorithm)[7,8,9,10,11]等相關辨識電子標籤的方法，這些方法的目的都是試圖利用較短的時間找出辨識時所發生的碰撞(collision)、閒置(idle)與成功(success)的情形，

而讀取器便藉此來降低與電子標籤溝通的次數，減少時間浪費，增加整體效率。

另外，本篇論文參考了混合查詢樹協定(HQT)[12]、強化混合電子標籤防碰撞演算法( QT)[13]及預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法(PDBQT)[14]等三種演算法，

以這些演算法為基礎著手使用一個預先時槽偵測訊號[15]技術，試圖降低辨識電子標籤的時間成本，來提升RFID系統辨識效率。

我們的主要目的在透過以上述的技術為基礎，從中探討研究，希望能找出更有效率的電子標籤辨識演算法，讓讀取器在辨識電子標籤的時間可以被有效的縮短，使得 RFID系統的整體效能能夠提升。

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1.5 論文架構

本篇論文共分為五個章節，第一章節會先介紹研究動機、RFID架構’、訊號碰撞問題及說明我們的研究目的。第二章節將介紹目前被動式標籤防碰撞多重存取技術 (multiple-access technique)的主要類別及數種被動式標籤防碰撞演算法。第三章節討論我們所提出來更有效率的標籤辨識方法。在第四章節我們利用實驗來模擬效能並和相關演算法比較，並以得到的數據結果來分析演算法的效能。第五章節是本論文的結論以及未來的展望，最後附上參考文獻。

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第2章相關研究

本章節將介紹目前被動式標籤防碰撞多重存取技術(multiple-access technique)的主要類別及數種被動式標籤防碰撞演算法。

2.1 RFID被動式標籤防碰撞多重存取技術

在無線通訊系統中，由於頻寬(bandwidth)是有限的資源，而要在相同的無線射頻區域內同時讀取並辨識多個標籤，勢必要善加利用這有限的資源，所以為了發揮最大的效益而產生了各種不同的多重存取技術，目前主要分為空間分割多重存取(Space division multiple access, SDMA)、分頻多重存取(Frequency division multiple access, FDMA)、分碼多重存取(Code division multiple access, CDMA)及分時多重存取(Time division multiple access, TDMA) [19]等四大類。

2.1.1 空間分割多重存取(Space division multiple access)

空間分割多重存取(Space Division Multiple Access, SDMA)主要的概念是利用空間角度來區隔無線電波訊號，避免讀取器與電子標籤間的無線電波訊號溝通產生碰撞問題。主要的方法是利用一組可控制方向的天線，再依據讀取器的有效距離將電子標籤進行區分，當讀取器的天線對準某一個電子標籤時便可與其進行通訊，電子標籤之間就不會有互相干擾的情形發生。

如圖2.1所示，讀取器的通訊範圍被分割成數個空間範圍，以順時針方式分別來詢問各個空間範圍內的標籤，以降低碰撞的發生。而此種技術由於天線的特性及大小，

通常會使RFID系統需要較高的建置成本。

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Reader Tag F

Tag A

Tag B

Tag C Tag D

Tag E

Tag G

圖 2.1 空間分割多重存取(Space division multiple access, SDMA)示意圖

2.1.2 分頻多重存取(Frequency division multiple access)

分頻多重存取(Frequency division multiple access, FDMA)技術是將每個電子標籤的數位訊號調變到不同的頻率發送，而讀取器則將欲接收訊號以濾波器濾出，再還原為數位訊號。以收音機為例，很多電台同時將訊號以無線電廣播，這時在空間中所有的訊號是混在一起的，但是利用分頻技術，每個電台使用的廣播頻率是分開來的。

如圖2.2所示，讀取器利用廣播方式(broadcast)傳送功率能量及控制訊號給電子標籤，這時各個電子標籤依照被分配的頻率回應讀取器，避免使用相同頻率而造成碰撞。

此項技術由於其系統真正的通訊量不佳，因此漸漸被淘汰。

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Reader

Tag B

Tag F Tag A

Tag E

Tag D Tag C

圖 2.2 分頻多重存取(Frequency division multiple access, FDMA)示意圖

2.1.3 分碼多重存取(Code division multiple access)

分碼多重存取(Code division multiple access, CDMA)的原理為在讀取器的通訊範圍內，使用不同的編碼發送訊號，以達成同時間多個電子標籤與讀取器溝通的方法。

這是利用展頻(Spread Spectrum)技術，其概念是將原始訊號擴展成較寬的頻譜使得信號不易被干擾和截取，透過使用相同的展頻碼在原始訊號的調變發送及收到訊號後的解碼還原，讓發送及接收端進行溝通。CDMA最早用於軍用通訊，但時至今日，已廣泛應用到全球不同的民用通訊中。

如圖2.3所示，讀取器分配給每一個電子標籤不同的編碼，使得同頻段能同時向多個電子標籤溝通，解決碰撞的問題。但是由於展頻技術必須進行大量的數學運算，

所以會使RFID系統需要較高的建置成本。

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Reader Tag F

Tag A

Tag B

Tag C Tag D

Tag E

Tag G

Code 1

Code 2

Code 3 Code 4 Code 5

Cod

e 6 Code 7

Read Region

圖 2.3 分碼多重存取(Code division multiple access, CDMA)示意圖

2.1.4 分時多重存取(Time division multiple access)

分時多重存取(Time division multiple access, TDMA)的概念就是利用時間差來錯開資料傳送的先後順序，主要是利用預先定義好的時槽(Time slot)將通訊時間加以切割並分配給不同的電子標籤進行資料傳送。其原理就像是開會時，由主席將每個發言者的時間錯開，在同一時間內只有一個人能發言，如此每個發言者的聲音便不會受到干擾，可以清楚的傳達。

如圖2.4所示，讀取器先廣播一個請求訊號給在通訊範圍內的所有電子標籤，並以時間切割的方式，定義時槽長度並分配給電子標籤，電子標籤會在選定的時槽內進

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Reader

Tag B Tag F

Tag A Tag C Tag D Tag E

Time slot

time

Time slot

圖 2.4 分時多重存取(Time division multiple access, TDMA)示意圖

以上介紹的四大類多重存取技術，於RFID系統中最常使用也是最成熟的技術為分時多重存取技術，在分時多重存取技術中又可分為主動式電子標籤及被動式電子標籤，本篇論文主要討論的重點為被動式電子標籤的演算法。對於被動式電子標籤常用的演算法又可分成兩種型態，分別為Aloha Based[3,4,5,6]和Tree based[7,8,9,10,11]兩大類，接下來我們將逐一探討各式相關的RFID標籤防碰撞演算法。

2.2 RFID被動式標籤防碰撞相關演算法

在這裡我們將對於被動式標籤防碰撞演算法的相關技術做介紹與分析，主要介紹 Slot ALOHA protocol的時槽切割技術、查詢樹演算法(Query Tree Algorithm)、四元查詢樹演算法(4-ary Query Tree Algorithm)、混合查詢樹協定(Hybrid Query Tree Protocol) [12]、強化混合電子標籤防碰撞演算法( QT) [13]及預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法(Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm, PDBQT) [14]。

2.2.1 Slot ALOHA protocol

Slot ALOHA protocol是利用多個連續的時槽(time slot)來辨識電子標籤，時槽長度即是電子標籤傳送完整的UID所需要的時間長度。首先讀取器會週期性的發送請求訊號給訊號範圍內的每一個電子標籤，其中包含此週期時槽的數目，並限制電子標籤只

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能於每個時槽的起始點回覆本身的UID，接著電子標籤會隨機的挑選時槽回覆，此隨機值須小於等於此週期時槽的數目，並且當週期時間結束時電子標籤將重新等待讀取器下一次的請求訊號。當某個時槽僅被一個電子標籤所佔有並回覆UID，且無任何碰撞發生，則此電子標籤即被成功辨識，讀取器會令此電子標籤進入休眠，不用再參與回應。若同時有多個電子標籤在相同的時槽內回覆UID，就會發生碰撞，而讀取器便不會發出休眠命令，此時電子標籤會不斷的再隨機選擇時槽來重傳UID，直到此週期結束。而當讀取器發送請求訊號的一個周期內都無電子標籤回應時，則已辨識完所有的電子標籤。

以圖2.5為例來解說，讀取器發送請求訊號後，時槽1有電子標籤A、B及D回傳UID，

此時為碰撞。時槽2僅有電子標籤D回傳UID，此時成功辨識，讀取器令電子標籤D進入休眠。時槽3有電子標籤A及C回傳UID，此時為碰撞。時槽4僅有電子標籤A回傳UID，

此時成功辨識，讀取器令電子標籤A進入休眠。時槽5有電子標籤B及C回傳UID，此時為碰撞。時槽6僅有電子標籤C回傳UID，此時成功辨識，讀取器令電子標籤C進入休眠。時槽7僅有電子標籤B回傳UID，此時成功辨識，讀取器令電子標籤B進入休眠。

當下一周期皆無電子標籤回應時，則整個辨識過程便結束了。

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Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

Time slot 1

time

Time slot 2

Time slot 3

Time slot 4

Time slot 5

Time slot 6

Time slot 7

ID

Collision Success

S

Request

Response

C C S C S S

ID

ID ID

C S

ID

圖 2.5 Slotted Aloha 演算法示意圖

Slotted Aloha最主要的缺點是一開始時槽的碰撞率極高，而到了最後時槽的閒置率極高，這些都會造成辨識效率的不彰。

2.2.2 查詢樹演算法(Query Tree Algorithm)

電子標籤的UID，可以用N階層的全二元樹(full binary tree)來表示。如圖2.6為例子，此為一個4階層(4位元)的全二元樹狀圖。第1階層即為UID的最高位元，經過每一階層的節點，一直到第4階層為葉節點。每個葉節點皆可代表一個完整的4-bit電子標籤UID。這裡將會開始介紹一系列利用樹狀結構機制的相關演算法，現在先介紹查詢樹演算法(Query Tree Algorithm, QTA)。

(26)

以樹狀結構來表示4位元的電子標籤，由左至右4個綠色標示的 UID分別為0010、0101、1100、1110

第1階層

第2階層

第3階層

第4階層

圖 2.6 利用二元樹狀圖來表示 UID 碼

查詢樹演算法(Query Tree Algorithm, QTA)的技術，主要是每次往下一階層查詢時，查詢字串會增加1個位元(bit)，當每次讀取器廣播一個查詢字串時，收到該查詢字串的電子標籤，會由最高位元開始檢查本身UID的前幾個位元(或稱為前綴字串)是否與該查詢字串相同，如果相同，電子標籤就會回傳本身的UID給讀取器；如果不同，

則標籤不回應。當只有一個電子標籤回傳UID給讀取器時，因為沒有碰撞而能夠順利完成辨識；但當有兩個以上的電子標籤同時回傳UID給讀取器時，就會產生碰撞而無法被辨識，這時讀取器就將發生碰撞的查詢字串各增加’0’與’1’產生兩組新的查詢字串，並將其放入查詢佇列(Query Queue)裡，接著讀取器將依序從查詢佇列取出一組待查詢的查詢字串進行下一回合的查詢，隨著碰撞的次數增加，查詢字串的長度也會不斷的增加，查詢動作會一直持續到查詢佇列為空的時候才會停止，這時也就完成了所有電子標籤的辨識了。

(27)

A X X X

X X

C B

D E

Tag A：001010 Tag B：001101 Tag C：001110 Tag D：100111 Tag E：110100

X

Success Collision idle

0 1

00 10 11

001 0010 0011

00110 00111

01

000

101111 110100

001010

001101 001110

圖 2.7 查詢樹演算法實例

以圖2.7為例子來解說查詢樹演算法，假設有5個電子標籤其UID分別為Tag_A：

001010、Tag_B：001101、Tag_C：001110、Tag_D：100111及Tag_E：110100。一開始查詢佇列裡會有’0’與’1’兩個查詢字串，首先讀取器從查詢佇列取出’0’，發送出查詢字串為’0’的查詢命令，此時Tag_A：001010、Tag_B：001101及Tag_C：001110皆符合該查詢字串，會同時回覆讀取器，因有一個以上的電子標籤回覆，所以產生了碰撞(collision)，這時讀取器將查詢字串’0’增加1個位元產生’00’及’01’兩組字串存入查詢佇列。接著讀取器從查詢佇列取出’1’，發送出查詢字串為’1’的查詢命令，此時Tag_D：

100111及Tag_E：110100皆符合該查詢字串，會產生碰撞，這時讀取器將查詢字串’1’

增加1個位元產生’10’及’11’ 兩組字串存入查詢佇列。再來讀取器從查詢佇列取出’00’，

發送出查詢字串為’00’的查詢命令，此時Tag_A：001010、Tag_B：001101及Tag_C：

001110皆符合該查詢字串，產生了碰撞，這時讀取器將查詢字串’00’增加1個位元產生’000’及’001’兩組字串存入查詢佇列。讀取器再從查詢佇列取出’01’，發送出查詢字串為’01’的查詢命令，此時沒有符合’01’的電子標籤，所以產生了閒置(idle)狀態。讀取器再從查詢佇列取出’10’，發送出查詢字串為’10’的查詢命令，此時只有Tag_D：

(28)

100111符合該查詢字串，所以成功(success)辨識電子標籤Tag_D。讀取器再從查詢佇列取出’11’，發送出查詢字串為’11’的查詢命令，此時只有Tag_E：110100符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_E。讀取器再從查詢佇列取出’000’，發送出查詢字串為’000’的查詢命令，此時沒有符合’000’的電子標籤，所以產生了閒置狀態。讀取器再從查詢佇列取出’001’，發送出查詢字串為’001’的查詢命令，此時Tag_A：001010、

Tag_B：001101及Tag_C：001110皆符合該查詢字串，產生了碰撞，這時讀取器將查詢字串’001’增加1個位元產生’0010’及’0011’兩組字串存入查詢佇列。讀取器再從查詢佇列取出’0010’，發送出查詢字串為’0010’的查詢命令，此時只有Tag_A：001010符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_A。讀取器再從查詢佇列取出’0011’，發送出查詢字串為’0011’的查詢命令，此時Tag_B：001101及Tag_C：001110皆符合該查詢字串，產生了碰撞，這時讀取器將查詢字串’0011’增加1個位元產生’00110’及’00111’

兩組字串存入查詢佇列。讀取器再從查詢佇列取出’00110’，發送出查詢字串為’00110’

的查詢命令，此時只有Tag_B：001101符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_B。

讀取器再從查詢佇列取出’00111’，發送出查詢字串為’00111’的查詢命令，此時只有 Tag_C：001110符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_C。接著查詢佇列裡已無待查詢的字串了，這時整個查詢動作結束，同時所有電子標籤也都被辨識成功了，

整個完整的流程如表2.1所示。

(29)

表 2.1 查詢樹演算法實例完整流程

步驟查詢字串查詢結果成功辨識查詢佇列

0 0,1

1 0 collision

1,00,01

2 1 collision

00,01,10,11 3 00 collision

01,10,11,000,001

4 01 idle

10,11,000,001

5 10 success Tag_D 11,000,001 6 11 success Tag_E 000,001

7 000 idle

001 8 001 collision

0010,0011 9 0010 success Tag_A 0011

10 0011 collision

00110,00111 11 00110 success Tag_B 00101 12 00111 success Tag_C null

2.2.3 四元查詢樹演算法(4-ary Query Tree Algorithm)

四元查詢樹演算法(4-ary QTA)與查詢樹演算法(QTA)是使用類似的方法，不同之處在於當發生碰撞時，四元查詢樹演算法發生碰撞的查詢字串會增加 2個位元 (‘00’、’01’、’10’及’11’)，即產生4組新的查詢字串；而查詢樹演算法則是增加1個位元(‘0’及’1’)，即產生2組新的查詢字串，以下我們直接以圖2.8為實例進行解說。

A X

C B

D E

Tag A：001010 Tag B：001101 Tag C：001110 Tag D：100111 Tag E：110100

X

Success Collision idle X

00 01 10 11

0000 0001 0010 0011

001101 001110 001111 001100

001010

001101 001110

101111 110100

圖 2.8 四元查詢樹演算法實例

(30)

假設有5個電子標籤其UID分別為Tag_A：001010、Tag_B：001101、Tag_C：001110、

Tag_D：100111及Tag_E：110100。一開始查詢佇列裡會有’00’、’01’、’10’與’11’共四個查詢字串，首先讀取器從查詢佇列取出’00’，發送出查詢字串為’00’的查詢命令，

此時Tag_A：001010、Tag_B：001101及Tag_C：001110皆符合該查詢字串，會同時回覆讀取器，因有一個以上的電子標籤回覆，所以產生了碰撞(collision)，這時讀取器將查詢字串’00’增加2個位元產生’0000’、’0001’、’0010’與’0011’共四組字串存入查詢佇列。接著讀取器從查詢佇列取出’01’，發送出查詢字串為’01’的查詢命令，此時沒有符合’01’的電子標籤，所以產生了閒置(idle)狀態。讀取器再從查詢佇列取出’10’，

發送出查詢字串為’10’的查詢命令，此時只有Tag_D：100111符合該查詢字串，所以成功(success)辨識電子標籤Tag_D。讀取器再從查詢佇列取出’11’，發送出查詢字串為’11’的查詢命令，此時只有Tag_E：110100符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_E。讀取器再從查詢佇列取出’0000’，發送出查詢字串為’0000’的查詢命令，此時沒有符合’0000’的電子標籤，所以產生了閒置狀態。讀取器再從查詢佇列取出’0001’，

發送出查詢字串為’0001’的查詢命令，此時沒有符合’0001’的電子標籤，所以產生了閒置狀態。讀取器再從查詢佇列取出’0010’，發送出查詢字串為’0010’的查詢命令，

此時只有Tag_A：001010符合該查詢字串，所以成功辨識電子標籤Tag_A。讀取器再從查詢佇列取出’0011’，發送出查詢字串為’0011’的查詢命令，此時Tag_B：001101 及Tag_C：001110皆符合該查詢字串，產生了碰撞，這時讀取器將查詢字串’0011’增加2個位元產生’001100’、’001101’、’001110’與’001111’共四組字串存入查詢佇列。

讀取器再從查詢佇列取出’001100’，發送出查詢字串為’001100’的查詢命令，此時沒有符合’001100’的電子標籤，所以產生了閒置狀態。讀取器再從查詢佇列取出’001101’，

(31)

命令，此時沒有符合’001111’的電子標籤，所以產生了閒置狀態。接著查詢佇列裡已無待查詢的字串了，這時整個查詢動作結束，同時所有電子標籤也都被辨識成功了，

整個完整的流程如表2.2所示。

表 2.2 四元查詢樹演算法實例完整流程

0 00,01,10,11

1 00 collision

01,10,11,0000,0001,0010,0011 2 01 idle

10,11,0000,0001,0010,0011 3 10 success Tag_D 11,0000,0001,0010,0011 4 11 success Tag_E 0000,0001,0010,0011

5 0000 idle

0001,0010,0011

6 0001 idle

0010,0011

7 0010 success Tag_A 0011

8 0011 collision

001100,001101,001110,001111 9 001100 idle

001101,001110,001111

10 001101 success Tag_B 001110,001111 11 001110 success Tag_C 001111

12 001111 idle

null

以此類推，若發生碰撞的查詢字串增加3個位元，即會產生8組新的查詢字串，此時可稱為八元查詢樹；若發生碰撞的查詢字串增加4個位元，即會產生16組新的查詢字串此時可稱為十六元查詢樹，等等…

2.2.4 混合查詢樹協定(Hybrid Query Tree Protocol)

在前面兩小節我們可以觀察到，在使用相同的5個電子標籤樣本的狀況下分別執行查詢樹演算法及四元查詢樹演算法，可得到查詢樹演算法有12次查詢、5次碰撞及2 次閒置；四元查詢樹演算法則是12次查詢、2次碰撞及5次閒置。四元查詢樹演算法雖然改善了查詢樹演算法碰撞的次數，但反而增加了本身閒置的次數。因此有一些針對如何降低四元查詢樹演算法閒置(idle)次數的相關研究，底下我們所要介紹的混合查詢樹協定(Hybrid Query Tree Protocol, HQT)便是其中一種研究，混合查詢樹協定提出

(32)

了一個時槽延遲電子標籤答覆技術(Slotted Back-off Tag_Response Mechanism)，可以有效減少四元查詢樹演算法閒置次數的問題。

時槽延遲電子標籤答覆技術最主要是能夠使符合查詢字串的多個電子標籤在同時回覆讀取器時，各自開始回覆的時間可以在不同的時槽(time slot)延遲錯開，讀取器便藉由這些時槽的相關訊號來判斷有無電子標籤存在，如此便可減少四元查詢樹演算法的閒置(idle)次數。而決定電子標籤要延遲幾個時槽回覆，則是由符合查詢字串的電子標籤的UID前綴字串接續的2個位元資料來決定，決定的方式共4種說明如下：

1. 假如接續的2個位元是’00’，則電子標籤馬上於第零時槽回覆UID給讀取器。

2. 假如接續的2個位元是’01’，則電子標籤將延遲1個時槽時間(1-time slot)於第一時槽回覆UID給讀取器。

3. 假如接續的2個位元是’10’，則電子標籤將延遲2個時槽時間(2-time slot)於第二時槽回覆UID給讀取器。

4. 假如接續的2個位元是’11’，則電子標籤將延遲3個時槽時間(3-time slot)於第三時槽回覆UID給讀取器。

如此一來，混合查詢樹協定便在整個反應時間(Response time)裡根據最先一個有訊號的時槽及最後一個訊號結束的時槽，來推算有無電子標籤回覆，進而決定要放入查詢佇列的查詢字串有哪些，圖2.9為混合查詢樹協定的示意圖。

(33)

Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

1 - Time slot

time

Response ID

Response time Request ‘10’

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

2 - Time slot 3 - Time slot

‘1000…’

‘1001…’

‘1010…’

‘1011…’

圖 2.9 混合查詢樹協定示意圖

接著我們以圖2.10為實例來解說混合查詢樹協定的方法，同樣使用前面所舉的5 個電子標籤其UID分別為Tag_A：001010、Tag_B：001101、Tag_C：001110、Tag_D：

100111及Tag_E：110100。首先讀取器發送出空的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續2個位元是’00’的有Tag_A：001010、Tag_B：001101及Tag_C：

001110，會馬上於第零時槽回覆UID；接續2個位元是’01’的則無標籤符合，所以第一時槽無電子標籤回覆；接續2個位元是’10’的有Tag_D：100111，會於第二時槽回覆 UID；接續2個位元是’11’的有Tag_E：110100，會於第三時槽回覆UID。

接著讀取器便在整個反應時間(Response time)裡根據最先一個有訊號的時槽為第零時槽及最後一個訊號結束的時槽為第三時槽，故推算出有碰撞，進而決定要放入查詢佇列的查詢字串為’00’、’01’、’10’及’11’。

(34)

Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

1 - Time slot

time

Response ID

Response time Request ‘empty’

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

‘100111’

Tag E

‘110100’ Response ID

圖 2.10 混合查詢樹協定之實例步驟一

(35)

接著如圖2.11讀取器從查詢佇列取出’00’，並發送出’00’的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續2個位元是’00’的無標籤符合，所以第零時槽無電子標籤回覆；接續2個位元是’01’的也無標籤符合，所以第一時槽無電子標籤回覆；

接續2個位元是’10’的有Tag_A：001010，會於第二時槽回覆UID；接續2個位元是’11’

的有Tag_B：001101及Tag_C：001110，會於第三時槽回覆UID。接著讀取器便在整個反應時間裡根據最先一個有訊號的時槽為第二時槽及最後一個訊號結束的時槽為第三時槽，故推算出有碰撞，進而決定要放入查詢佇列的查詢字串為’0010’及’0011’。

Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

1 - Time slot

time

Response ID

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

‘100111’

Tag E

‘110100’

圖 2.11 混合查詢樹協定之實例步驟二

(36)

接著如圖2.12讀取器從查詢佇列取出’01’，並發送出’01’的查詢字串，此時都沒有符合查詢字串的電子標籤。讀取器在整個反應時間裡都沒有發現訊號，故推算本次查詢為閒置(idle)。

Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

1 - Time slot

time

Response

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

‘100111’

Tag E

‘110100’

圖 2.12 混合查詢樹協定之實例步驟三

(37)

接著如圖2.13讀取器從查詢佇列取出’10’，並發送出’10’的查詢字串，此時符合查詢字串並回覆的只有Tag_D：100111。讀取器在整個反應時間裡發現只有一個時槽有電子標籤回覆，且其中沒有發生碰撞，故推算出是成功辨識Tag_D。

Reader

Tag B Tag A

Tag D Tag C

1 - Time slot

time

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

‘100111’

Tag E

‘110100’

圖 2.13 混合查詢樹協定之實例步驟四

(38)

接著如圖2.14讀取器從查詢佇列取出’11’，並發送出’11’的查詢字串，此時符合查詢字串並回覆的只有Tag_E：110100。讀取器在整個反應時間裡發現只有一個時槽有電子標籤回覆，且其中沒有發生碰撞，故推算出是成功辨識Tag_E。

Reader

Tag B Tag A

Tag C

1 - Time slot

time

Response

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

Tag E

‘110100’ Response ID

圖 2.14 混合查詢樹協定之實例步驟五

(39)

接著如圖2.15讀取器從查詢佇列取出’0010’，並發送出’0010’的查詢字串，此時符合查詢字串並回覆的只有Tag_A：001010。讀取器在整個反應時間裡發現只有一個時槽有電子標籤回覆，且其中沒有發生碰撞，故推算出是成功辨識Tag_A。

Reader

Tag B Tag A

Tag C

1 - Time slot

time

Response ID

Response

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001010’

‘001101’

‘001110’

圖 2.15 混合查詢樹協定之實例步驟六

(40)

接著如圖2.16讀取器從查詢佇列取出’0011’，並發送出’0011’的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續2個位元是’00’的無標籤符合，所以第零時槽無電子標籤回覆；接續2個位元是’01’的有Tag_B：001101，會於第一時槽回覆UID；

接續2個位元是’10’的有Tag_C：001110，會於第二時槽回覆UID；接續2個位元是’11’

的無標籤符合，所以第三時槽無電子標籤回覆。接著讀取器便在整個反應時間裡根據最先一個有訊號的時槽為第一時槽及最後一個訊號結束的時槽為第二時槽，故推算出有碰撞，進而決定要放入查詢佇列的查詢字串為’001101’及’001110’。

Reader

Tag B

Tag C

1 - Time slot

time

Request ‘0011’

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001101’

‘001110’

(41)

接著如圖2.17讀取器從查詢佇列取出’001101’，並發送出’001101’的查詢字串，此時符合查詢字串並回覆的只有Tag_B：001101。讀取器在整個反應時間裡發現只有一個時槽有電子標籤回覆，且其中沒有發生碰撞，故推算出是成功辨識Tag_B。

Reader

Tag B

Tag C

1 - Time slot

time

Response time Request‘001101’

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001101’

‘001110’

圖 2.17 混合查詢樹協定之實例步驟八

(42)

接著如圖2.18讀取器從查詢佇列取出’001110’，並發送出’001110’的查詢字串，此時符合查詢字串並回覆的只有Tag_C：001110。讀取器在整個反應時間裡發現只有一個時槽有電子標籤回覆，且其中沒有發生碰撞，故推算出是成功辨識Tag_C。

Reader

Tag C

1 - Time slot

time

Response

Response ID

‘00’ ‘01’ ‘10’ ‘11’

‘00’End

‘01’End

‘10’End

‘11’End

‘001110’

圖 2.18 混合查詢樹協定之實例步驟九

接著查詢佇列裡已無待查詢字串了，這時整個查詢動作結束，同時所有電子標籤

(43)

A X

X

B C

D E

Tag A：001010 Tag B：001101 Tag C：001110 Tag D：100111 Tag E：110100

X

Success Collision Idle

Removed idle X

00 01 10 11

0010 0011

001101 001110

001010

001101 001110

101111 110100

圖 2.19 混合查詢樹協定實例

表 2.3 混合查詢樹協定實例完整流程

1 empty collision

00,01,10,11

2 00 collision

01,10,11,0010,0011

3 01 idle

10,11,0010,0011

4 10 success Tag_D 11,0010,0011 5 11 success Tag_E 0010,0011 6 0010 success Tag_A 0011

7 0011 collision

001101,001110 8 001101 success Tag_B 001110

9 001110 success Tag_C null

在使用相同的5個電子標籤樣本的狀況下分別執行四元查詢樹演算法及混合查詢樹協定，可得到四元查詢樹演算法則是12次查詢、2次碰撞及5次閒置；混合查詢樹協定則是9次查詢、3次碰撞及1次閒置，閒置次數確實已被大大地減少了，連帶的好處是減少了無效的查詢，查詢次數由12次降為9次。

2.2.5 強化混合電子標籤防碰撞演算法(H ² QT)

混合查詢樹協定(HQT)相對於四元查詢樹演算法(4-ary QTA)，雖已減少電子標籤辨識時的閒置(idle)的次數，但還是有閒置無法辨識的情況發生。為了更進一步解決

(44)

閒置問題，一個不同於混合查詢樹協定的技術被提出，這便是強化混合電子標籤防碰撞演算法(Hybrid Hyper Tag Anti-Collision Algorithm, QT)。所使用的方法為當電子標籤回覆讀取器時，是回覆電子標籤的UID，而延遲回覆的單個時槽長度正是UID的長度。因此當某時槽內剛好只有一個電子標籤回覆完整的UID時，就可以成功辨識。

跟混合查詢樹協定比較不同處為強化混合電子標籤防碰撞演算法( QT)是使用前綴字串後接續的3位元來決定於那一個時槽回覆讀取器，而混合查詢樹協定(HQT)則是使用前綴字串後接續的2位元來決定於那一個時槽回覆讀取器如圖2.20所示。

Reader

Tag D

‘100...’

Time slot 1

time

Response time Request‘empty’

Time slot 2 Time slot 3 Time slot 0

Tag F

‘101...’

Tag G

‘110...’

Tag A

‘000...’

Tag C

‘010...’

Tag B

‘001...’

Tag E

‘011...’

Tag H

‘111...’

圖 2.20 強化混合電子標籤防碰撞演算法示意圖

強化混合電子標籤防碰撞演算法決定的方式共4種說明如下：

1.前綴字串後接續的3個位元是’000’時，此3個位元資料共有零個’1’，則電子標

(45)

3.前綴字串後接續的3個位元是’011’、’101’及’110’時，這三組3個位元的資料各自共有二個’1’，則電子標籤將延遲二個時槽時間(2-time slot)於第2時槽回覆讀取器。

4.前綴字串後接續的3個位元是’111’時，此3個位元資料共有三個’1’，則電子標籤將延遲三個時槽時間(3-time slot)於第3時槽回讀取器。

如此一來，當某時槽內有碰撞發生時，便依據該時槽所訂的’1’的個數來對當次查詢的前綴字串的後續3個位元做分析，得出該3個位元的可能組合，然後將這些可能組合與前綴字串合併為新的查詢字串並放入查詢佇列，接著讀取器進行下一次查詢，

直到查詢佇列為空。

我們以圖2.21開始來實際解說強化混合電子標籤防碰撞演算法的方法，同樣使用前面所舉的5個電子標籤其UID分別為Tag_A：001010、Tag_B：001101、Tag_C：001110、

Tag_D：100111及Tag_E：110100。首先讀取器發送出空的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續3個位元共有零個’1’的無標籤符合，所以第零時槽無電子標籤回覆；接續3個位元共有一個’1’的有Tag_A：001010、Tag_B：001101、Tag_C：

001110及Tag_D：100111，會於第一時槽回覆UID，但因為大於一個電子標籤回覆，

所以發生碰撞，此時這3個位元的碰撞訊號為’x0x’，所以分析出可能組合為’001’

及’100’，然後將’001’及’100’放入查詢佇列；接續3個位元共有二個’1’的有Tag_E：

110100，會於第二時槽回覆UID，因為只有一個電子標籤回覆，所以成功辨識；接續 3個位元共有三個’1’的無標籤符合，所以第三時槽無電子標籤回覆。

(46)

Reader

Tag A

‘001010’

Time slot 1

time

Response time Request‘empty’

Tag B

‘001101’

Tag C

‘001110’

Tag D

‘100111’

Tag E

‘110100’

Success Collision

圖 2.21 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟一

接著如圖2.22，讀取器發送出’001’的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續3個位元共有零個’1’的無標籤符合，所以第零時槽無電子標籤回覆；接續3個位元共有一個’1’的有Tag_A：001010，會於第一時槽回覆UID，因為只有一個電子標籤回覆，所以成功辨識；接續3個位元共有二個’1’的有Tag_B：001101、Tag_C：

001110，會於第二時槽回覆UID，但因為大於一個電子標籤回覆，所以發生碰撞，此時這3個位元的碰撞訊號為’1xx’，所以分析出可能組合為’101’及’110’，然後與此查詢回合的前綴字串組合後將’001101’及’001110’放入查詢佇列；接續3個位元共有三個’1’

(47)

Reader

Tag A

‘001010’

Time slot 1

time

Tag B

‘001101’

Tag C

‘001110’

Success Collision

圖 2.22 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟二

接著如圖2.23，讀取器發送出’100’的查詢字串，此時符合查詢字串的電子標籤的前綴字串接續3個位元共有零個’1’的無標籤符合，所以第零時槽無電子標籤回覆；接續3個位元共有一個’1’的無標籤符合，所以第一時槽無電子標籤回覆；接續3個位元共有二個’1’的無標籤符合，所以第二時槽無電子標籤回覆；接續3個位元共有三個’1’

的有Tag_D：100111，會於第三時槽回覆UID，因為只有一個電子標籤回覆，所以成功辨識。

Reader Time slot 1

time

Success Tag D

‘100111’

圖 2.23 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟三

接著如圖2.24，讀取器發送出’001101’的查詢字串，此時只有Tag_B：001101於第零時槽回覆，所以成功辨識Tag_B。

(48)

Reader Time slot 1

time

Success Tag B

‘001101’

圖 2.24 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟四

接著如圖2.25，讀取器發送出’001110’的查詢字串，此時只有Tag_C：001110於第零時槽回覆，所以成功辨識Tag_C。

Reader Time slot 1

time

Success Tag C

‘001110’

圖 2.25 強化混合電子標籤防碰撞演算法之實例步驟五

接著查詢佇列裡已無待查詢字串了，這時整個查詢動作結束，同時所有電子標籤也都被辨識成功了，整個完整的流程如表2.4所示。

表 2.4 強化混合電子標籤防碰撞演算法實例完整流程

(49)

子標籤防碰撞演算法，可得到混合查詢樹協定是9次查詢、3次碰撞及1次閒置；強化混合電子標籤防碰撞演算法則是5次查詢及2次碰撞。比較之下，效率確實有提升。

2.2.6 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法 (Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm, PDBQT)

強化混合電子標籤防碰撞演算法( QT)雖然解決了在混合查詢樹協定(HQT)中的閒置問題，但是在 QT中，因為每個時槽的回覆長度皆為UID的長度，如果當時槽內沒有任何電子標籤回覆時，就會造成等待時間的浪費，於是便有了預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法(Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm, PDBQT) 的提出。預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法(PDBQT)義了兩種不同功能的時槽，為預先偵測時槽(Pre-Detection Time Slot)與廣播回覆時槽(Broadcast Time Slot)。預先偵測時槽安排了4個4位元的時槽，讓符合條件的電子標籤選擇時槽以4位元亂數來回覆藉以偵測電子標籤碰撞、閒置與成功情形；廣播回覆時槽則由讀取器根據預先偵測時槽的回覆情況，廣播一個4位元的資訊，而電子標籤收到此4位元資訊後，依據這組4 位元資訊來決定回傳自己UID的回覆時槽。實際來說預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法的運作可分為三個階段如圖2.26所示，以下我們分別說明：

(50)

Reader

Tag A 001010 RN 0011

Time slot 1

‘01’

time

Pre-Detection Time Slot Request‘empty’

Time slot 2

‘10’

Time slot 3

‘11’

Time slot 0

‘00’

Tag B 001101 RN 0101

Tag C 001110 RN 0111

Tag D 100111 RN 1101

Tag E 110100 RN 0011

Success Collision

Reader Broadcast

Data

‘0011’

Time slot 4 Broadcast Time Slot Success

Response time

Response UID Response UID

圖 2.26 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法示意圖

第一個階段是利用預先偵測機制，讀取器先發送出查詢字串，此時電子標籤依據相符的前綴字串接續的2個位元來決定在預先偵測時槽(Pre-Detection Time Slot)的哪一個時槽來回覆，決定的方式共4種說明如下：

1. 假如接續的2個位元是’00’，則電子標籤馬上於第零時槽回覆4位元亂數給讀取器。

2. 假如接續的2個位元是’01’，則電子標籤將延遲1個時槽時間(1-time slot)於第一時槽回覆4位元亂數給讀取器。

3. 假如接續的2個位元是’10’，則電子標籤將延遲2個時槽時間(2-time slot)於第二時槽回覆4位元亂數給讀取器。

4. 假如接續的2個位元是’11’，則電子標籤將延遲3個時槽時間(3-time slot)於第

中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

運用高效能預先偵測技術之電子標籤辨識演 算法

An Efficient Pre-Detection Algorithm in RFID Systems

系 所 別： 資訊工程學系碩士班 學號姓名： E10002002 張 書 源 指導教授： 梁 秋 國 博 士

中 華 民 國 102 年 8 月

An Efficient Pre-Detection Algorithm in RFID Systems

Student：Shu-Yuan Chang

Advisor：Dr. Chiu-Kuo Liang

摘 要

ABSTRACT

Keywords: RFID, Collision, UID, Tag Anti-Collision Algorithms.

誌 謝

目錄

表目錄

圖目錄

第 1 章 緒論

1.1 研究動機

1.2 無線射頻辨識系統(RFID) 架構

1.2.2 電子標籤

1.2.3 應用系統

1.3 RFID訊號碰撞問題

1.3.2 電子標籤碰撞問題(Tag collision problem)

1.4 研究目的

1.5 論文架構

第2章 相關研究

2.1 RFID被動式標籤防碰撞多重存取技術

2.1.1 空間分割多重存取(Space division multiple access)

2.1.2 分頻多重存取(Frequency division multiple access)

2.1.3 分碼多重存取(Code division multiple access)

2.1.4 分時多重存取(Time division multiple access)

time

2.2 RFID被動式標籤防碰撞相關演算法

2.2.1 Slot ALOHA protocol

time

ID

S

C C S C S S

ID

ID

ID

ID

ID

ID ID

ID ID

C S

ID

2.2.2 查詢樹演算法(Query Tree Algorithm)

A X X X

X X

C B

D E

Tag A：001010 Tag B：001101 Tag C：001110 Tag D：100111 Tag E：110100

X

Success Collision idle

0 1

00 10 11

001

0010 0011

00110 00111

01

000

0

0,1

1 0 collision

1,00,01

2 1 collision

00,01,10,11 3 00 collision

01,10,11,000,001

4 01 idle

10,11,000,001

5 10 success Tag_D 11,000,001 6 11 success Tag_E 000,001

7 000 idle

001

8 001 collision

0010,0011 9 0010 success Tag_A 0011

10 0011 collision

00110,00111 11 00110 success Tag_B 00101 12 00111 success Tag_C null

2.2.3 四元查詢樹演算法(4-ary Query Tree Algorithm)

0

中華大學

中華大學碩士論文

運用高效能預先偵測技術之電子標籤辨識演算法

系所別：資訊工程學系碩士班學號姓名： E10002002 張書源指導教授：梁秋國博士

中華民國 102 年 8 月

摘要

誌謝

第 1 章緒論

第2章相關研究

2.2.5 強化混合電子標籤防碰撞演算法(H ² QT)

2.2.6 預先偵測廣播電子標籤防碰撞演算法 (Pre-Detection Broadcast Tag Anti-Collision Algorithm, PDBQT)