JP2006067600A - １つまたは複数のトランスポンダを選択する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多数のトランスポンダからベースステーションによって１つまたは複数を選択する方法において、高信頼性および時間削減に繋がる選択を可能にし、トランスポンダにおける変換の際に必要なチップ面積が小さい方法を提供すること。
【解決手段】各トランスポンダで乱数を乱数発生器によって生成し、該ベースステーションから送信された選択コマンドの受信後、各乱数発生器をカウンタ動作状態に切り替え、カウンタ動作状態時には、該ベースステーションがタイムスロットの開始を伝送した場合、該乱数発生器のカウンタ状態を減分または増分し、各トランスポンダの乱数発生器のカウンタ状態が所定の値に等しくなった場合、各トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子を該ベースステーションへ伝送した後、各乱数発生器を乱数発生のための動作状態に切り替えて戻すことを特徴とする方法によって解決される。
【選択図】図２

Description

本発明は、多数のトランスポンダからベースステーションによって１つまたは複数のトランスポンダを選択する次の形式の方法に関する。すなわち、該トランスポンダはとりわけ後方散乱ベースのトランスポンダであり、該方法はスロットベースのＡＬＯＨＡ選択方式に基づいており、該ベースステーションによって番号付きのタイムスロットを設定し、各トランスポンダにて生成された乱数により、該トランスポンダがトランスポンダ固有の識別子（ＩＤ）を該ベースステーションへ送信するタイムスロットを決定する形式の方法に関する。

衝突防止方式とも称されるこの形式の選択方法は、たとえば非接触識別システムまたはいわゆる無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムにおいて使用される。この形式のシステムは通常、ベースステーションないしは読出装置と、該ベースステーションの応答領域に同時に存在する多数のトランスポンダまたはリモートセンサとから成る。データ伝送を１つまたは１グループのトランスポンダとベースステーションとの間で行うべき場合は、相応のデータ伝送の前にこのような選択方法を行わなければならない。

ここでは基本的に、確立論的な選択方式と決定論的な選択方式との間で区別される。決定論的な選択方式および確立論的な選択方式双方に関して、たとえば『RFID-Handbuch』第３版（Klaus Finkenzeller 著、HANSER、２００２年）に詳細な説明が掲載されている。ここではとりわけ、Kapitel 7.2 の多重アクセス方式を参照されたい。

確立論的方式では決定論的方式と異なり、一意のいわゆるユニークＩＤ（Ｕ‐ＩＤ）が前提となっていない。このユニークＩＤの構成は、たとえばＩＳＯ１５９６３規格で規定されている。このようなＵ‐ＩＤの割り当てはとりわけ、製造者から独立した種々の機関によって行われ、たとえばＥＡＮ／ＵＣＣまたはＩＡＴＡによって行われる。しかしこの割り当ては、製造者自身によって行われることもある。したがって総じて、任意の製造者のトランスポンダが１つのベースステーションの応答領域内に存在することがあるオープンなシステムでは、Ｕ‐ＩＤの一意性が常に保証されるとは限らない。確立論的方式によって、このような場合でも選択を行うことができる。このような確立論的方式の例に、いわゆるＡＬＯＨＡ方式、スロットベースないしはスロット付きＡＬＯＨＡ方式およびダイナミックスロットベースＡＬＯＨＡ方式がある。

ＡＬＯＨＡ方式は、トランスポンダ制御による確立論的方式である。ここでは、トランスポンダは時間的にずれて、伝送すべきデータを送信する。この時間ずれは通常、トランスポンダで生成された乱数に基づいて設定される。複数のトランスポンダが同一のタイムスロット内で識別子を送信した場合、いわゆる衝突が発生する。通常はこれによって、送信されたデータをベースステーションがエラーなしで受信することができなくなる。

スロットベースのＡＬＯＨＡ方式では衝突の確率は、単純なＡＬＯＨＡ方式と比較して格段に低減されている。これは、ベースステーションによって制御される確率論的方式であり、ここではトランスポンダは、定義された同じ時点でのみアクティブになる。すなわち、データの伝送を開始する。その際にベースステーションは、番号付与されたタイムスロットないしはスロットを設定し、トランスポンダはそれぞれ１つずつ乱数を生成する。タイムスロットの番号に相応する乱数を有するトランスポンダはそれぞれ、データないしは識別子をこのタイムスロット内にベースステーションへ送信する。この選択プロセスを開始するためには、ベースステーションは通常、選択プロシージャの開始を指示するためのコマンドをトランスポンダへ送信する。このコマンドの受信後、トランスポンダにそれぞれ乱数が記憶される。この乱数はたとえば、予めトランスポンダで生成ないしは計算されたものである。識別子を１つのタイムスロット内で送信するトランスポンダが１つだけであれば、このトランスポンダはこのタイムスロット内で選択されるか、ないしはコマンドないしは確認信号を送信することによってベースステーションにより選択することができる。その際、このベースステーションはたとえば、該トランスポンダで書き込み動作および／または読み出し動作を実行する。

同一のタイムスロット内に識別子を送信するトランスポンダが複数である場合、衝突が発生する。ビット符号化に依存して、ベースステーションはこのような衝突を、直ちに識別するかまたは遅延して識別し、該当するタイムスロットを飛び越して、衝突が発生しないタイムスロットを提供するか、または相応のコマンドをトランスポンダへ送信して新規の選択プロシージャを開始する。トランスポンダは通常、新たな乱数を生成ないしは記憶するので、もはや衝突は発生しなくなるということが可能になる。

衝突確率は、ベースステーションの応答領域内にあるトランスポンダの数と、設定されたタイムスロットの数とに依存する。トランスポンダの数は大きく変動することがあるので、タイムスロットの数を静的に検出することは問題に繋がる。タイムスロットの数が過度に少ない場合、衝突確率は格段に大きくなる。タイムスロットの数が過度に多いと、それに相応して、データを伝送するトランスポンダが存在しないタイムスロットが多くなる。したがって、この選択プロセスのために必要な時間は、どちらの場合でも格段に長くなる。最適なスループットを実現するためには、トランスポンダがデータを伝送するタイムスロットの数を、トランスポンダの数とほぼ等しく選択しなければならない。

この問題を解決するために、動的なスロットベースのＡＬＯＨＡ方式が存在する。このＡＬＯＨＡ方式では、存在するタイムスロットの数をベースステーションによって制御する。たとえば、ベースステーションは選択プロセスを、少ないタイムスロット数で開始する。ここで衝突が発生する頻度が高い場合、ベースステーションは、タイムスロットの数が増加される新規の選択プロセスを開始する。これによって、衝突確率は低減する。

確率論的方式で乱数を生成するために、種々の手法が公知になっている。たとえば、トランスポンダのリセットと最初のキャラクタが受信される時点との間の時間が、乱数を計算するためのベースとして使用される。別の手法に、トランスポンダの異なる記憶領域に記憶された数を相互に結合して乱数を検出する手法がある。ここでは、改善のために付加的に、受信された日付も考慮に入れることができる。

別の手法では、線形帰還シフトレジスタを使用して乱数発生を行う。このようなシフトレジスタは、たとえばクロック供給によって作動され、このクロック供給は、異なるトランスポンダ間である程度のばらつきを伴う。ある程度の作動時間が経過すると、乱数として使用される異なるシフトレジスタの値は、クロック供給が個別であるために異なってしまう。

スロットベースのＡＬＯＨＡ選択方式ではベースステーションが、番号付与されたタイムスロットまたはスロットを設定し、タイムスロットの番号に相応する乱数を有するトランスポンダが、データないしは識別子をこのタイムスロット内にベースステーションへ送信する。

こうするために、従来はトランスポンダに、乱数発生器の他にいわゆるスロットカウンタおよびバイナリコンパレータも設けられていた。ベースステーションによって選択プロセスが開始されると、スロットカウンタは初期値から開始して、該ベースステーションが適切なコマンドを送信することによって新たなスロットないしはタイムスロットの開始を指示した場合に、減分ないしは増分される。バイナリコンパレータは、乱数発生器に存在する乱数をスロットカウンタのその時点のスロット番号とを比較し、乱数とスロット番号とが一致した場合、相応のトランスポンダが識別子をベースステーションへ伝送する。乱数発生器およびスロットカウンタは別個のユニットとして構成されているので、このような構成には比較的大きなチップ面積が必要とされる。
『RFID-Handbuch』第３版（Klaus Finkenzeller 著、HANSER、２００２年）

本発明の課題は、多数のトランスポンダからベースステーションによって１つまたは複数のトランスポンダを選択する次のような方法を提供することである。すなわち、高信頼性および時間削減に繋がる選択を可能にし、トランスポンダにおける変換の際に必要なチップ面積が比較的小さい方法を提供することである。

前記課題は、次のことを特徴とする方法によって解決される。すなわち、各トランスポンダで乱数を乱数発生器によって生成し、該ベースステーションから送信された選択コマンドの受信後、各乱数発生器をカウンタ動作状態に切り替え、カウンタ動作状態時には、該ベースステーションがタイムスロットの開始を伝送した場合、該乱数発生器のカウンタ状態を減分または増分し、各トランスポンダの乱数発生器のカウンタ状態が所定の値に等しくなった場合、各トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子を該ベースステーションへ伝送した後、各乱数発生器を乱数発生のための動作状態に切り替えて戻すことを特徴とする方法によって解決される。

ここに図示された実施形態によって、スロットベースの選択プロセスに必要な構成要素の数が低減され、必要なチップ面積が低減される。新規の乱数発生に早期に切り替えることによってさらに、存在する乱数スペースをより良好に活用することができる。これによって、直後に別の選択プロセスが必要になった場合には、別の選択プロセスを使用することができる。

本発明によれば、各トランスポンダにおいて乱数は、乱数発生器によって生成される。この乱数発生器は、ベースステーションによって送信された選択コマンドが受信されると、カウンタ動作状態に切り替えられる。

カウンタ動作状態の際には、乱数発生器は通常のカウンタないしはスロットカウンタとして動作する。カウンタとして動作する乱数発生器のカウンタ状態は、ベースステーションがタイムスロットの開始を伝送した場合に減分ないしは増分される。乱数発生器のカウンタ状態が所定の値に等しくなった場合、各トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子をベースステーションへ伝送する。その後、各乱数発生器は再び、乱数発生のための動作状態に切り替えられる。乱数発生器を所定の時間インターバル中にスロットカウンタとしても使用することにより、この目的でのみ使用される別個のスロットカウンタを省略することができる。これによって、必要なチップ面積が低減される。トランスポンダ固有の識別子の送信後に乱数発生器を乱数発生のための動作状態に切り替えることにより、可能な限り早期に、新規の乱数発生を開始することができる。このことによって確実に、クロック供給のばらつきに基づく乱数発生の場合には、乱数スペースを最大限に利用することができる。というのも、異なるトランスポンダのクロック供給の差が与える影響は、乱数発生の持続時間が長くなることによって大きくなるからである。その時点の選択プロセスに続いて、たとえば１つのスロット内に衝突が発生したために別の選択プロセスを実行すべき場合、各トランスポンダにおいて使用可能な乱数が早期に得られる。これによって、連続する選択プロセス間の待機時間は必要なくなる。

請求項２による本方法の発展形態では、乱数は、線形帰還シフトレジスタによって生成される。この種のシフトレジスタは簡単に、乱数を発生する動作状態およびカウンタ動作状態に切り替えることができる。さらにこのような構成要素によって、シフトレジスタのクロック制御のために使用されるクロック供給のばらつきないしは不正確さとの組み合わせで、簡単に乱数を生成することができる。

請求項３の本方法の発展形態では、乱数を生成するための動作状態に切り替えることは、トランスポンダ固有の識別子の伝送後にベースステーションがコマンドをトランスポンダに伝送するか否かに依存する。たとえば、ベースステーションが確認コマンドを該当するトランスポンダへ送信する場合、乱数を発生するための動作状態への切り替えは行われない。この確認コマンドによって、トランスポンダの選択が指示される。すなわち、トランスポンダは必ずしも次の選択プロセスに関与する必要はない。この場合、このトランスポンダにおいて乱数を生成するための動作状態に直ちに切り替えなくてもよい。したがって、このトランスポンダの消費電力は低減され、伝送到達範囲は拡大される。

請求項４の本方法の発展形態では、乱数発生器の初期のカウンタ状態は生成された乱数であり、各トランスポンダの乱数発生器のカウンタ状態が０である場合、各トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子をベースステーションへ伝送する。その際、この乱数発生器はカウンタ動作状態に切り替わるだけであり、その後カウンタ状態を減分ないしは増分する。したがって、乱数を記憶するための別個のメモリ素子は必要ないので、必要なチップ面積が低減される。カウンタ状態が値０をとったことを識別するのは、任意の値と比較するよりも回路技術的に簡単に実現することができる。このことも、必要なチップ面積の低減に寄与する。

請求項５に記載された本方法の発展形態では、生成された乱数が格納され、その後、乱数発生器のカウンタ状態は初期値にセットされ、このカウンタ状態が乱数の格納された値に等しくなった場合、各トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子をベースステーションへ伝送する。前記初期値は、とりわけ０である。

本発明の有利な実施形態が図面に示されており、以下に説明されている。

図１は、後方散乱ベースのパッシブトランスポンダＴＲのブロック回路図である。このパッシブトランスポンダＴＲは、制御論理ユニットＳＥと乱数発生器ＺＧとゼロ識別ユニットＮＥとを有している。前記乱数発生器ＺＧは、制御論理ユニットＳＥによって供給された信号ＲＣに依存して、乱数発生のための動作状態またはカウンタ動作状態で動作し、前記ゼロ識別ユニットＮＥは、トランスポンダ固有の識別子がベースステーションへ送信されるのをイネーブルする信号ＳＡを供給する。

乱数発生のための動作状態時には、乱数発生器ＺＧは線形帰還シフトレジスタとしてコンフィギュレーションされる。このシフトレジスタは、トランスポンダＴＲで形成されたクロックによって動作する。異なるトランスポンダ間において、トランスポンダＴＲで形成されるクロックはある程度のばらつきを有するので、ある程度の動作時間が経過すると、各トランスポンダのシフトレジスタに異なる値が発生する。カウンタ動作状態時には、乱数発生器ＺＧは従来のカウンタとしてコンフィギュレーションされ、たとえばいわゆるリプルカウンタとしてコンフィギュレーションされる。

ゼロ識別ユニットＮＥは乱数発生器ＺＧに接続されており、該乱数発生器がカウンタ動作状態にある場合には、該ゼロ識別ユニットＮＥは該乱数発生器ＺＧのカウンタ状態を監視する。乱数発生器ＺＧのカウンタ状態がゼロである場合、信号ＳＡがアクティブになる。これによって、ベースステーションへのトランスポンダ固有の識別子の送信がアクティベートされる。

図２は、選択プロセスがベースステーションＢＳによって行われる際の、図１に示されたユニットの制御信号の時間的な流れを示す図である。この選択プロセスないしは選択手順は、スロットベースのＡＬＯＨＡ選択方式またはスロットベースの動的なＡＬＯＨＡ選択方式に基づいている。

ベースステーションは選択プロセスを開始するために、選択コマンドＡＫを送信する。トランスポンダＴＲが、この選択コマンドＡＫを受信する。これに基づいて、制御論理ユニットＳＥはローからハイへのレベル交代によって信号ＲＣをアクティベートする。乱数発生器ＺＧはこの信号ＲＣのレベル交代によって、線形帰還シフトレジスタのクロックにより、乱数発生の動作状態からカウンタ動作状態に切り替えられる。カウンタ動作状態時には、ベースステーションがタイムスロットの開始を伝送したときに、乱数発生器のカウンタ状態ＺＳは減分される。初期のカウンタ状態ＺＳはここでは、カウンタ動作状態への切り替え前に線形帰還シフトレジスタに存在する乱数である。ここに図示された実施例では、初期のカウンタ状態ＺＳは３である。

ここでベースステーションは、タイムスロットの開始を指示するコマンドＮＳを伝送する。これに基づいて、乱数発生器ＺＧのカウンタ状態ＺＳは１だけ低減されて２になる。ゼロ識別ユニットＮＥは、カウンタ状態ＺＳがゼロであるか否かを検査する。未だそうではないので、信号ＳＡはローレベルのままである。

その後ベースステーションＢＳは、２つの別のコマンドＮＳを伝送し、カウンタ状態ＺＳは再び、１つずつ低減される。最後のコマンドＮＳの後、カウンタ状態ＺＳはゼロになる。ゼロ識別ユニットＮＥはこのことを識別し、ローからハイへのレベル交代によって信号ＳＡをアクティベートする。トランスポンダＴＲはこれに基づいて、トランスポンダ固有の識別子ＩＤをベースステーションＢＳへ伝送する。

ベースステーションＢＳはトランスポンダ固有の識別子ＩＤを受信し、確認信号ＱＳをトランスポンダＴＲへ送信する。ここではトランスポンダＴＲが、その時点のタイムスロット内に選択されており、このことが信号ＳＥＬによって指示される。その際ベースステーションＢＳは、たとえばここに示されていない書き込み動作および／または読み出し動作をトランスポンダＴＲ上で実行する。

トランスポンダＴＲによってトランスポンダ固有の識別子ＩＤが伝送された後、制御論理ユニットＳＥは信号ＲＣを、ハイからローへのレベル交代によってデアクティベートする。乱数発生器ＺＧはこの信号ＲＣのレベル交代によって、線形帰還シフトレジスタのクロックにより、乱数発生のための動作状態に切り替えられて戻される。その際、線形帰還シフトレジスタには初期値Ｘが割り当てられる。この切り替えは、ここに図示されたケースでは行わなくてもよい。というのも、ベースステーションＢＳは確認信号ＱＳを送信するからである。

トランスポンダＴＲによる必要な動作が終了すると、ベースステーションＢＳは別のコマンドＮＳを伝送する。これによって、図示されていない別のトランスポンダを選択するための新規のタイムスロットが指示される。ここに図示されたトランスポンダはこれに基づいて、その時点の選択プロセスを放棄する。

図３は、図２に示された選択プロセス中の図１のトランスポンダの状態を示す図である。選択プロセスの開始時、コマンドＡＫの受信前には、トランスポンダＴＲは基本状態Ｚ１にある。この状態Ｚ１で、乱数発生器ＺＧは連続して乱数を生成する。

トランスポンダＴＲが、ベースステーションＢＳから送信されたコマンドＡＫを受信すると、状態Ｚ２に切り替わる。この状態Ｚ２では、乱数発生器ＺＧはカウンタ動作状態に切り替えられる。初期のカウンタ状態ＺＳはここでは、カウンタ動作状態に切り替えられる前にシフトレジスタに存在する乱数である。ここではトランスポンダは、コマンドＮＳの受信まで待機する。

トランスポンダＴＲが、ベースステーションＢＳから送信されたコマンドＮＳを受信すると、状態Ｚ３に切り替わってカウンタ状態ＺＳを減分する。状態Ｚ３では、ベースステーションからのコマンドＮＳの受信後に、カウンタ状態ＺＳが１つずつ減分される。

カウンタ状態ＺＳがゼロになると、トランスポンダＴＲは、トランスポンダ固有の識別子ＩＤをベースステーションＢＳへ送信する状態Ｚ４に切り替えられる。その後に乱数発生器ＺＧは、乱数発生のための動作状態に切り替えられて戻される。ここでトランスポンダは、ベースステーションＢＳから確認コマンドＱＳを受信するまで待機する。

トランスポンダＴＲが、ベースステーションＢＳから送信された確認コマンドＱＳを受信すると、状態Ｚ５に切り替えられる。この状態Ｚ５の持続中、トランスポンダは選択されている。その際ベースステーションＢＳは、たとえばここに図示されていない書き込み動作および／または読み出し動作をトランスポンダＴＲで実行する。

トランスポンダＴＲが、ベースステーションＢＳから送信された別のコマンドＮＳを受信すると、状態Ｚ１に切り替えられて戻される。すなわち、該トランスポンダＴＲはその時点の選択プロセスを放棄し、新規の選択コマンドＡＫまで待機する。

ここに示された図は、単なる例示的なものであり、本発明による選択プロセスを例解するために使用されているだけであることは自明である。

ここに図示された実施例の他に択一的に、生成された乱数をコマンドＡＫの受信後に格納することができる。その後、ここではカウンタとして動作する乱数発生器のカウンタ状態は初期値に、とりわけゼロにセットされる。カウンタ状態は、ここに図示された実施例と同様に、各コマンドＮＳごとに増分される。カウンタ状態と格納された乱数の値とが等しくなると、トランスポンダはトランスポンダ固有の識別子をベースステーションへ伝送する。

乱数発生のための動作状態またはカウンタ動作状態で動作する乱数発生器と制御論理ユニットとゼロ識別ユニットとを有するトランスポンダのブロック回路図である。 図１に示されたユニットの選択プロセス中の制御信号の時間的な流れを示す図である。 図２に示された選択プロセス中の図１のトランスポンダの状態を表す図である。

符号の説明

ＴＲ トランスポンダ
ＳＥ 制御論理ユニット
ＺＧ 乱数発生器
ＮＥ ゼロ識別ユニット
ＢＳ ベースステーション

Claims (5)

1. 多数のトランスポンダからベースステーション（ＢＳ）によって１つまたは複数のトランスポンダ（ＴＲ）を選択する方法であって、
   該トランスポンダは、たとえば後方散乱ベースのトランスポンダであり、
   該方法はスロットベースのＡＬＯＨＡ選択方式を基礎としており、
   該ベースステーション（ＢＳ）によって、番号付与されたタイムスロットを設定し、
   各トランスポンダにて生成された乱数によって、トランスポンダがトランスポンダ固有の識別子（ＩＤ）を該ベースステーション（ＢＳ）へ送信するタイムスロットを決定する形式のものにおいて、
   各トランスポンダ（ＴＲ）で乱数を、乱数発生器（ＺＧ）によって生成し、
   該ベースステーションから送信された選択コマンド（ＡＫ）の受信後、各乱数発生器（ＺＧ）をカウンタ動作状態に切り替え、
   カウンタ動作状態時には、該ベースステーション（ＢＳ）がタイムスロットの開始を伝送した場合、該乱数発生器（ＺＧ）のカウンタ状態（ＺＳ）を減分または増分し、
   各トランスポンダ（ＴＲ）の乱数発生器（ＺＧ）のカウンタ状態（ＺＳ）が所定の値に等しくなった場合、各トランスポンダ（ＴＲ）はトランスポンダ固有の識別子（ＩＤ）を該ベースステーション（ＢＳ）へ伝送し、
   その後、各乱数発生器（ＺＧ）を、乱数発生のための動作状態に切り替えて戻すことを特徴とする方法。
2. 乱数を、線形帰還シフトレジスタによって生成する、請求項１記載の方法。
3. 乱数を生成するための動作状態への切り替えは、該ベースステーション（ＢＳ）がトランスポンダ固有の識別子（ＩＤ）の伝送後にコマンド（ＱＳ）をトランスポンダ（ＴＲ）へ伝送するか否かに依存する、請求項１または２記載の方法。
4. 該乱数発生器（ＺＧ）の初期のカウンタ状態（ＺＳ）は、生成された乱数であり、
   各トランスポンダ（ＴＲ）の乱数発生器のカウンタ状態（ＺＳ）がゼロになった場合、各トランスポンダ（ＴＲ）はトランスポンダ固有の識別子（ＩＤ）を該ベースステーション（ＢＳ）へ伝送する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 生成された乱数を格納し、
   その後、該乱数発生器（ＺＧ）のカウンタ状態（ＺＳ）は初期値に、たとえばゼロにセットされ、
   前記カウンタ状態（ＺＳ）が、格納された乱数の値に等しくなった場合、各トランスポンダ（ＴＲ）はトランスポンダ固有の識別子を該ベースステーションへ伝送する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。

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