JP2010062948A - シミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグに関する電波の伝搬特性を精度よく評価すること。
【解決手段】ＲＦＩＤタグの電波の受信強度を評価するシミュレート装置１０は、レイトレーシング法によってＲＦＩＤタグのアンテナに届く電波の電波強度を算出するレイトレース部１３と、ＲＦＩＤタグのインピーダンス整合係数を算出する整合係数算出部１１と、整合係数算出部１１によって算出されたインピーダンス整合係数を用いてレイトレース部１３の算出結果を補正する補正部１４とを備えることにより、高精度な評価結果を出力する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、無線タグの電波の受信強度を評価するシミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法に関し、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグに関する電波の伝搬特性を精度よく評価することができるシミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法に関する。

近年、広く普及しつつあるＲＦＩＤタグ（「無線タグ」ともいう）、特に、電池を内蔵しないパッシブ型のＲＦＩＤタグは、微弱な電波によってリーダライタと通信を行うため、電波の状況の影響を受け易く、環境によっては、仕様通りの性能を発揮することができない。そのため、ＲＦＩＤタグを利用するシステムを構築する場合、事前に、実際の利用環境におけるＲＦＩＤタグの電波的な特性をシミュレート装置で評価することが重要である。

ＲＦＩＤタグの電波的な特性を評価する技法として、レイトレーシング法が注目されている。レイトレーシング法は、送信点から出射される光線が、周囲の構造物による反射、回折、透過を繰り返して受信点に到達する軌跡を算出することにより伝搬特性を推定する技法である。しかし、レイトレーシング法は、電波を光線とみなして用いることにより、電波の伝搬特性を推定することも可能である。従来の電波の伝搬特性を求めるモーメント法は、従来から電波の伝搬特性の評価に用いられてきた技法であり、精度の高い評価結果を得ることができるが、非常に多くの計算量を必要とする。それに対して、レイトレーシング法は、演算量が比較的少なくて済むため、一般的なＰＣを用いても十分高速にシミュレーションを行うことができる。

菅原弘人、小野隆志、「ＵＨＦ帯ＲＦＩＤ導入時の設計業務を効率化する読み取り率シミュレータ『ＲＡＤＩＯＳＣＡＰＥ−ＲＦＩＤ』」、ＮＥＣ技法、日本電気株式会社、２００６年、Ｖｏｌ．５９、１１２頁〜１１５頁

しかしながら、レイトレーシング法は、電波の幾何学的な軌跡を算出する技法であるため、ＲＦＩＤタグに関する電波の伝搬特性を十分に精度よく評価することができないという問題があった。例えば、ＲＦＩＤタグにおいて電波の送受信を行うアンテナでは、インピーダンス不整合のための伝送損失が生じるが、従来のレイトレーシング法では、そのような特性が考慮されていなかった。

開示の技術は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、無線タグ、特に、ＲＦＩＤタグに関する電波の伝搬特性を精度よく評価することができるシミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本願の開示するシミュレート装置は、一つの態様において、アンテナとＩＣチップを有する無線タグの電波の受信強度を評価するシミュレート装置であって、レイトレーシング法によって前記無線タグの前記アンテナに届く電波の受信電力を算出するレイトレース部と、前記無線タグの前記アンテナと前記ＩＣチップの間のインピーダンスの整合性を取るためのインピーダンス整合係数を算出する整合係数算出部と、前記整合係数算出部によって算出されたインピーダンス整合係数を用いて前記レイトレース部の算出結果である受信電力を補正する補正部とを備える。

この態様によれば、無線タグ、特に、ＲＦＩＤタグのインピーダンス整合を考慮して評価を行うこととしたので、ＲＦＩＤタグに関する電波の伝搬特性を、計算量を減らしながらも精度よく評価することができる。

なお、本願の開示するシミュレート装置の構成要素、表現または構成要素の任意の組合せを、方法、装置、システム、コンピュータプログラム、記録媒体、データ構造などに適用したものも上述した課題を解決するために有効である。

本願の開示するシミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法の一つの態様によれば、無線タグ、特に、ＲＦＩＤタグに関する電波の伝搬特性を、計算量を減らしながらも精度よく評価することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本願の開示するシミュレートプログラム、シミュレート装置およびシミュレート方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の例では、主として、パッシブ型ＲＦＩＤタグが電波を受信する場合の伝搬特性を評価する場合について説明するが、本願の開示する技術は、ＲＦＩＤタグが発信した電波をリーダライタが受信する場合の伝搬特性についても評価することができる。

まず、本実施例に係るシミュレート装置１０の構成について説明する。図１は、シミュレート装置１０の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すように、シミュレート装置１０は、整合係数算出部１１と、補間部１２と、レイトレース部１３と、補正部１４と、入力部１５と、出力部１６とを有する。

入力部１５は、ＲＦＩＤタグ仕様データ１と、リーダライタ仕様データ２と、受信アンテナ放射パターンデータ３と、送信アンテナ放射パターンデータ４と、幾何データ５と、計算条件６等を入力データとして受け付ける。出力部１６は、レイトレース部１３によって算出され、補正部１４によって補正された受信電力７等をシミュレーション結果として出力する。

整合係数算出部１１は、入力されたＲＦＩＤタグ仕様データ１に基づいて、ＲＦＩＤタグに含まれるアンテナとＩＣ（Integrated Circuit）チップのインピーダンス整合係数を算出する。インピーダンス整合係数とは、アンテナとＩＣチップのインピーダンス整合の度合い、換言すれば、ＲＦＩＤタグがリーダライタから受信した電波を電気に変換する効率を示す係数である。

一般に、ＲＦＩＤタグのインピーダンス整合を考える場合、図２に示すようなモデルに基づき、ＩＣチップのインピーダンスとして、同軸線路の特性インピーダンス５０Ωが用いられる。しかし、実際には、図３に示すように、ＩＣチップのインピーダンスは、同軸線路のインピーダンス５０Ωとは異なる。

そこで、整合係数算出部１１は、以下の式（１）〜（３）を用いて、ＲＦＩＤタグにおけるアンテナとＩＣチップのインピーダンス整合係数τを算出する。

ここで、ｊは、虚数単位であり、ωは、交流の角速度である。Ｃｃｐは、ＩＣチップのチップ容量成分であり、Ｌａｐは、アンテナのインダクタンス成分である。また、Ｒ_Ａは、アンテナの放射抵抗であり、Ｒ_Ｃは、ＩＣチップのチップ抵抗である。

こうして算出されたインピーダンス整合係数τは、補正部１４における受信電力の補正処理に用いられる。インピーダンス整合係数τに基づいて受信電力を補正することにより、ＲＦＩＤタグの特性が反映された正確な受信電力を算出することが可能になる。

ここで、図４に示すように、ＲＦＩＤタグ２０とリーダライタアンテナ３０の間を１０ｃｍずつ変化させて、各距離におけるＲＦＩＤタグ２０の受信電力をレイトレーシング法とモーメント法で算出した例を示す。モーメント法は、従来から電波の伝搬特性の評価に用いられてきた技法であり、精度の高い評価結果を得ることができるが、非常に多くの計算量を必要とする。

図５は、インピーダンス整合係数τを考慮しない場合の評価結果の一例を示す図である。図５に示すように、インピーダンス整合係数τを考慮しない場合、レイトレーシング法で得られた評価結果は、モーメント法で得られた評価結果と異なっている。

図６は、インピーダンス整合係数τを考慮した場合の評価結果の一例を示す図である。図６に示すように、インピーダンス整合係数τを考慮した場合、レイトレーシング法で得られた評価結果は、モーメント法で得られた評価結果とほぼ一致する。レイトレーシング法は、モーメント法よりも計算量を必要としない技法であるが、このようにインピーダンス整合係数τを考慮することにより、モーメント法と同等の計算精度を達成することができる。

なお、整合係数算出部１１は、ＲＦＩＤタグが発信した電波をリーダライタが受信する場合の伝搬特性が評価される際には、入力されたリーダライタ仕様データ２に基づいて、リーダライタにおけるアンテナとケーブルのインピーダンス整合係数を算出する。

補間部１２は、入力された受信アンテナ放射パターンデータ３の補間を行う。受信アンテナ放射パターンデータ３は、アンテナの受信強度を電波の入射方向別に表した複素数データであり、モーメント法、ＦＤＴＤ法、有限要素法等により求められる。入力された受信アンテナ放射パターンデータ３は、レイトレース部１３において、軌跡毎の電波の強度を算出するために用いられる。

受信アンテナ放射パターンデータ３は、本来、ＲＦＩＤタグが複数ある場合は、それらの数や間隔を考慮して、個々のＲＦＩＤタグ毎に作成する必要がある。ＲＦＩＤタグが備えるアンテナは、金属であるため、ＲＦＩＤタグが近接している場合には、アンテナ間にカップリング現象が生じ、アンテナ放射パターンが変化してしまうからである。

しかしながら、小型の製品１つずつにＲＦＩＤタグが貼付され、そのような製品がダンボール箱に多数収納されているような場合には、ＲＦＩＤタグが狭い間隔で１００枚以上整列することがある。そのような場合に、個々のＲＦＩＤタグ毎に受信アンテナ放射パターンデータ３を作成することは、非常に多くの手間と時間を要する。

そこで、補間部１２は、複数のＲＦＩＤタグが整列している場合に、一部のＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータ３が入力されれば、他のＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータ３を補間処理によって生成する。

具体的には、補間部１２は、受信アンテナ放射パターンデータ３が入力されていないＲＦＩＤタグがあれば、受信アンテナ放射パターンデータ３が入力されている周辺のＲＦＩＤタグを選択する。そして、選択されたＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータ３を、選択したＲＦＩＤタグと補間対象のＲＦＩＤタグと選択したＲＦＩＤタグとの距離に応じて入射方向毎に補完処理して、受信アンテナ放射パターンデータ３の補間データを生成する。なお、補間の方式は、線形補間でもよいし、多次元の補間であってもよい。

例えば、複数のＲＦＩＤタグが整列している場合、両端のＲＦＩＤタグと中央のＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータ３が入力されれば、補間部１２による補間処理によって十分な精度を有する評価結果を得ることができる。

ここで、図７に示すように、４０個のＲＦＩＤタグ２０を整列させ、０．５ｍ離れた位置にあるリーダライタアンテナ３０を配置した場合における各ＲＦＩＤタグ２０の受信電力の算出例を示す。

図８は、全てのＲＦＩＤタグ２０の受信アンテナ放射パターンデータ３を入力した場合の算出結果の一例を示す図である。同図は、全てのＲＦＩＤタグ２０の受信アンテナ放射パターンデータ３を入力してレイトレーシング法で算出した各ＲＦＩＤタグの受信電力を、モーメント法で求めた各ＲＦＩＤタグの受信電力とともに図示したものである。同図に示すように、レイトレーシング法による算出結果は、モーメント法による算出結果とほぼ一致している。

図９は、両端と中央のＲＦＩＤタグ２０の受信アンテナ放射パターンデータ３のみを入力した場合の算出結果の一例を示す図である。同図は、両端と中央以外のＲＦＩＤタグ２０の受信アンテナ放射パターンデータ３を補間処理によって生成してレイトレーシング法で算出した各ＲＦＩＤタグの受信電力を、モーメント法で求めた各ＲＦＩＤタグの受信電力とともに図示したものである。同図に示すように、両端と中央のＲＦＩＤタグ２０の受信アンテナ放射パターンデータ３のみを入力した場合でも、モーメント法による算出結果と同等の計算精度を得ることができる。

なお、補間部１２は、ＲＦＩＤタグが発信した電波をリーダライタが受信する場合の伝搬特性が評価される際には、入力されていない送信アンテナ放射パターンデータ４を補間処理によって生成する。送信アンテナ放射パターンデータ４は、アンテナの送信強度を電波の入射方向別に表した複素数データであり、モーメント法、ＦＤＴＤ法、有限要素法等により求められる。送信アンテナ放射パターンデータ４は、レイトレース部１３において、軌跡毎の電波の強度を算出するために用いられ、本来は、電波を送信するＲＦＩＤタグ毎に用意する必要がある。

図１の説明に戻って、レイトレース部１３は、レイトレーシング法を用いて電波の伝搬特性を評価する。レイトレース部１３によって算出される値には、例えば、ＲＦＩＤタグによって受信される電波の受信電力が含まれる。レイトレース部１３は、電波の伝搬特性を評価するために、受信アンテナ放射パターンデータ３、送信アンテナ放射パターンデータ４、幾何データ５、計算条件６を用いる。受信アンテナ放射パターンデータ３および送信アンテナ放射パターンデータ４は、光線とみなされた電波がＲＦＩＤタグにどれだけ到達するかを評価するための情報の一部として用いられる。

幾何データ５は、ＲＦＩＤタグの利用環境に関する物理的な情報であり、リーダライタが設置される空間の形状、大きさ、材質や、リーダライタの設置位置および方向や、ＲＦＩＤタグの数や、個々のＲＦＩＤタグの位置および梱包形態等を表す。計算条件６は、使用される電波の周波数等の各種計算条件を含む。

補正部１４は、レイトレース部１３の算出結果に対して補正処理を行う。具体的には、補正部１４は、レイトレース部１３によって算出された各ＲＦＩＤの受信電力に整合係数算出部１１によって算出されたインピーダンス整合係数τを乗じることにより、各ＲＦＩＤタグの受信電力７を算出する。補正部１４によって算出された受信電力７は、評価結果として出力される。

図１０は、評価結果の一例を示す図である。同図に示す例では、算出された受信電力に基づいて、ＲＦＩＤタグの読み取り可能範囲が示されている。

次に、図１に示したシミュレート装置１０の処理手順について説明する。図１１は、シミュレート装置１０の処理手順を示すフローチャートである。図１１に示すように、シミュレート装置１０は、幾何データ５の入力を受け付け（ステップＳ１０１）、ＲＦＩＤタグ仕様データ１の入力を受け付け（ステップＳ１０２）、リーダライタ仕様データ２の入力を受け付ける（ステップＳ１０３）。

さらに、シミュレート装置１０は、受信アンテナ放射パターンデータ３の入力を受け付け（ステップＳ１０４）、送信アンテナ放射パターンデータ４の入力を受け付け（ステップＳ１０５）、計算条件６の入力を受け付ける（ステップＳ１０６）。こうして、各種データが入力された後、受信アンテナ放射パターンデータ３が入力されていないＲＦＩＤがあれば、補間部１２が、補間処理を行ってそれらのＲＦＩＤの受信アンテナ放射パターンデータ３を生成する（ステップＳ１０７）。

そして、レイトレース部１３がレイトレーシングを実行し（ステップＳ１０８）、整合係数算出部１１がインピーダンス整合係数τを算出する（ステップＳ１０９）。そして、補正部１４が、レイトレース部１３の算出結果である受信電力をインピーダンス整合係数τで補正して、受信電力７が出力される（ステップＳ１１０）。

なお、図１に示した本実施例に係るシミュレート装置１０の構成は、要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができる。例えば、シミュレート装置１０の機能をソフトウェアとして実装し、これをコンピュータで実行することにより、シミュレート装置１０と同等の機能を実現することもできる。以下に、シミュレート装置１０の機能をソフトウェアとして実装したシミュレートプログラム１７１を実行するコンピュータの一例を示す。

図１２は、シミュレートプログラム１７１を実行するコンピュータ１００を示す機能ブロック図である。このコンピュータ１００は、各種演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１０と、ユーザからのデータの入力を受け付ける入力装置１２０と、各種情報を表示するモニタ１３０と、記録媒体からプログラム等を読み取る媒体読み取り装置１４０と、ネットワークを介して他のコンピュータとの間でデータの授受を行うネットワークインターフェース装置１５０と、各種情報を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）１６０と、ハードディスク装置１７０とをバス１８０で接続して構成される。

そして、ハードディスク装置１７０には、図１に示したシミュレート装置１０と同様の機能を有するシミュレートプログラム１７１と、図１に示したシミュレート装置１０に入力される各種データに対応するシミュレート用データ１７２とが記憶される。なお、シミュレート用データ１７２を、適宜分散させ、ネットワークを介して接続された他のコンピュータに記憶させておくこともできる。

そして、ＣＰＵ１１０がシミュレートプログラム１７１をハードディスク装置１７０から読み出してＲＡＭ１６０に展開することにより、シミュレートプログラム１７１は、シミュレートプロセス１６１として機能するようになる。そして、シミュレートプロセス１６１は、シミュレート用データ１７２から読み出した情報等を適宜ＲＡＭ１６０上の自身に割り当てられた領域に展開し、この展開したデータ等に基づいて各種データ処理を実行する。

なお、上記のシミュレートプログラム１７１は、必ずしもハードディスク装置１７０に格納されている必要はなく、ＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に記憶されたこのプログラムを、コンピュータ１００が読み出して実行するようにしてもよい。また、公衆回線、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等を介してコンピュータ１００に接続される他のコンピュータ（またはサーバ）等にこのプログラムを記憶させておき、コンピュータ１００がこれらからプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。

本実施例に係るシミュレート装置の構成を示す機能ブロック図である。 ＲＦＩＤタグのインピーダンス整合のモデルを示す図である。 ＩＣチップを考慮した場合のインピーダンス整合のモデルを示す図である。 送信電力の評価方法を示す図である。 インピーダンス整合係数τを考慮しない場合の評価結果の一例を示す図である。 インピーダンス整合係数τを考慮した場合の評価結果の一例を示す図である。 複数のＲＦＩＤタグが整列している場合の送信電力の評価方法を示す図である。 全てのＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータを入力した場合の算出結果の一例を示す図である。 両端と中央のＲＦＩＤタグの受信アンテナ放射パターンデータを入力した場合の算出結果の一例を示す図である。 評価結果の一例を示す図である。 シミュレート装置の処理手順を示すフローチャートである。 シミュレートプログラムを実行するコンピュータを示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ ＲＦＩＤタグ仕様データ
２ リーダライタ仕様データ
３ 受信アンテナ放射パターンデータ
４ 送信アンテナ放射パターンデータ
５ 幾何データ
６ 計算条件
７ 受信電力
１０ シミュレート装置
１１ 整合係数算出部
１２ 補間部
１３ レイトレース部
１４ 補正部
２０ ＲＦＩＤタグ
３０ リーダライタアンテナ
１００ コンピュータ
１１０ ＣＰＵ
１２０ 入力装置
１３０ モニタ
１４０ 媒体読み取り装置
１５０ ネットワークインターフェース装置
１６０ ＲＡＭ
１６１ シミュレートプロセス
１７０ ハードディスク装置
１７１ シミュレートプログラム
１７２ シミュレート用データ
１８０ バス

Claims (10)

1. アンテナとＩＣチップを有する無線タグの電波の受信強度を評価するシミュレートプログラムであって、
   レイトレーシング法によって前記無線タグの前記アンテナに届く電波の受信電力を算出するレイトレース手順と、
   前記無線タグの前記アンテナと前記ＩＣチップの間のインピーダンスの整合性を取るためのインピーダンス整合係数を算出する整合係数算出手順と、
   前記整合係数算出手順によって算出されたインピーダンス整合係数を用いて前記レイトレース手順の算出結果である受信電力を補正する補正手順と
   をコンピュータに実行させることを特徴とするシミュレートプログラム。
2. 前記レイトレース手順は、無線タグ毎に入力される電波の放射パターンデータをレイトレーシング法による受信電力の算出に用いることを特徴とする請求項１に記載のシミュレートプログラム。
3. 前記放射パターンデータが入力されない無線タグがある場合に、該無線タグの放射パターンデータを、他の無線タグの放射パターンデータを補間処理することによって生成する補間手順をさらにコンピュータに実行させることを特徴とする請求項２に記載のシミュレートプログラム。
4. アンテナとＩＣチップを有する無線タグの電波の受信強度を評価するシミュレート装置であって、
   レイトレーシング法によって前記無線タグの前記アンテナに届く電波の受信電力を算出するレイトレース部と、
   前記無線タグの前記アンテナと前記ＩＣチップの間のインピーダンスの整合性を取るためのインピーダンス整合係数を算出する整合係数算出部と、
   前記整合係数算出部によって算出されたインピーダンス整合係数を用いて前記レイトレース部の算出結果である受信電力を補正する補正部と
   を備えたことを特徴とするシミュレート装置。
5. 前記無線タグの前記アンテナと前記ＩＣチップの間のインピーダンスの整合性を取るためのインピーダンス整合係数を算出するために用いられる該無線タグの仕様情報が少なくとも入力される入力部と、
   前記補正部によって補正された受信電力をシミュレーション結果として出力する出力部とを備えたことを特徴とする請求項４に記載のシミュレート装置。
6. 前記レイトレース部は、無線タグ毎に入力される電波の放射パターンデータをレイトレーシング法による受信電力の算出に用いることを特徴とする請求項４に記載のシミュレート装置。
7. 前記放射パターンデータが入力されない無線タグがある場合に、該無線タグの放射パターンデータを、他の無線タグの放射パターンデータを補間処理することによって生成する補間部をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載のシミュレート装置。
8. アンテナとＩＣチップを有する無線タグの電波の受信強度を評価するシミュレート方法であって、
   シミュレート装置が、
   レイトレーシング法によって前記無線タグの前記アンテナに届く電波の受信電力を算出するレイトレース工程と、
   前記無線タグの前記アンテナと前記ＩＣチップの間のインピーダンスの整合性を取るためのインピーダンス整合係数を算出する整合係数算出工程と、
   前記整合係数算出工程によって算出されたインピーダンス整合係数を用いて前記レイトレース工程の算出結果である受信電力を補正する補正工程と
   を含んだことを特徴とするシミュレート方法。
9. 前記レイトレース工程は、無線タグ毎に入力される電波の放射パターンデータをレイトレーシング法による受信電力の算出に用いることを特徴とする請求項８に記載のシミュレート方法。
10. 前記放射パターンデータが入力されない無線タグがある場合に、前記シミュレート装置が、該無線タグの放射パターンデータを、他の無線タグの放射パターンデータを補間処理することによって生成する補間工程をさらに含んだことを特徴とする請求項９に記載のシミュレート方法。

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