JP2012015968A

JP2012015968A - 無線通信機器

Info

Publication number: JP2012015968A
Application number: JP2010153307A
Authority: JP
Inventors: Masashi Takahara; 誠志高原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】低消費電力で耐雑音特性に優れた無線通信機器を提案する。
【解決手段】無線送信機は、無線送信機を一意に識別するための識別情報を１送信サイクル内での送信タイミングをずらしてそれぞれ異なる複数の無線周波数で複数回無線受信機に無線送信するための複数の送信モード１，２と、識別情報を無線受信機に無線送信せずに待機する待機モードとを有する送信サイクルを繰り返す間欠通信を行う無線モジュールを備える。無線受信機は、それぞれ異なる複数の無線周波数毎に受信した識別情報とその受信感度とを含む受信データを端末機器に出力する。
【選択図】図３

Description

本発明はセキュリティ分野等で用いられる無線通信機器に関する。

従来、携帯電話やパソコン等においては、パスワードロック／アンロック、又は電源オン／オフ等の自動化が要望されており、また自動車においては、ドアロック／アンロック等の自動化が要望されている。これらの要望に応えるべく、自動ロック／アンロックシステムが開発されている。この種のシステムは、ユーザが携帯する無線送信機と、無線送信機から送信される認証用の識別情報を受信する無線受信機とを備えており、無線受信機は、一定周期間隔で無線送信機から送信される電波の受信強度が閾値未満になると、自動的にロックする一方、受信強度が閾値以上になると、自動的にアンロックするように構成されている。このような用途に使用される無線送信機は、認証用の識別情報を一定周期間隔で送信し続けることにより、常時電力を消費しているため、低消費電力の観点から送信パワーを微弱無線通信なみの送信パワー程度に小さくしつつ、オンデューティの小さい間欠通信を行っている。この種の微弱無線通信では、受信感度を高めるための方法として、例えば、特開２００６−３０３９７０号公報に開示されているように、複数の周波数チャネルの中から受信電力が最大となる単一の周波数チャネルを選択し、最大受信電力の周波数チャネルを使用して信号を無線送信する方法が知られている。

特開２００６−３０３９７０号公報

しかし、同公報に開示の方法では、最大受信電力を有する単一の周波数チャネルのみを使用して信号を送信するため、その周波数チャネルに一致又は近接する周波数帯にノイズが発生すると、信号を正常に受信できない虞があった。また、無線送信機は、どの周波数チャネルの受信電力が最大であるのかという情報を無線受信機から受信するために、無線送信機能とは別に無線受信機能を備える必要があり、無線受信時に消費される電流は、無線送信時に消費される電流よりも大きいことから、無線送信機の消費電力を増大させる要因になっていた。

そこで、本発明は、低消費電力で耐雑音特性に優れた無線通信機器を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる無線通信機器は、無線送信機と無線受信機とを備える。無線送信機は、無線送信機を一意に識別するための識別情報を１送信サイクル内での送信タイミングをずらしてそれぞれ異なる複数の無線周波数で複数回無線受信機に無線送信するための複数の送信モードと、識別情報を無線受信機に無線送信せずに待機する待機モードとを有する送信サイクルを繰り返す間欠通信を行う無線モジュールを備える。無線受信機は、それぞれ異なる複数の無線周波数毎に受信した識別情報とその受信感度とを含む受信データを端末機器に出力する。複数の送信モードの無線周波数はそれぞれ異なる周波数に設定され、且つその送信タイミングは１送信サイクル内で重複しないようにずらされているため、端末機器或いはその近辺に設置されている他の電子機器から発生するノイズの影響、又は無線送信機と無線受信機との間にある障害物に起因するフェージングの影響により、複数の送信モードのうち何れか一つの送信モードによって送信された識別情報が正常に受信できなくても、他の送信モードによって送信された識別情報は、ノイズの影響を受けることなく、正常に受信することがき、耐雑音特性に優れている。

受信感度は、送信モードのときに無線受信機が受信する電波の受信強度から待機モードのときに無線受信機が受信する電波の受信強度を減算して得られる受信強度であることが好ましい。待機モードのときに無線受信機が受信する電波の受信強度は、ノイズレベルに連動して変動するため、ノイズレベルの変動を加味した上で送信モードの受信感度を適切に検出することができる。

１送信サイクルの期間に対する複数の送信モードのそれぞれの送信期間の合算値の比率（オンデューティ）は、低消費電力の観点から０．０１％以上０．５％以下が好ましい。

本発明によれば、低消費電力で耐雑音特性に優れた無線通信機器を提供できる。

本実施形態に係わる無線送信機の機能ブロック図である。本実施形態に係わる無線受信機の機能ブロック図である。本実施形態に係わる間欠通信のタイミングチャートである。本実施形態に係わる受信データのフォーマットを示す説明図である。本実施形態に係わる受信機の電波受信特性を示すグラフである本実施形態に係わる受信データのフォーマットを示す説明図である。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる無線送信機１０の機能ブロック図である。無線送信機１０は、無線モジュール５０、及び電源部４０を備える。無線モジュール５０は、アンテナ２０、及び送信モジュール３０を備える。送信モジュール３０は、信号処理回路３１、及び高周波回路３２を備える。電源部４０は、太陽電池４１、二次電池４２、及び充電回路４３を備える。

信号処理回路３１は、ＣＰＵとメモリＩＣとから構成されており、例えば、消費電力を抑制するための処理と、無線送信機１０を一意に識別するための認証情報としてのＩＤナンバー（識別情報）を送信するための処理等を行う。メモリＩＣには、無線送信機１０のＩＤナンバーと、無線信号として高周波回路３２から無線伝送される通信フレームの通信フォーマットと、無線通信処理を制御するためのコンピュータログラムとが予め記憶されている。通信フォーマットは、所定の通信プロトコル（例えば、４００ＭＨｚ帯特定省電力無線用の通信プロトコル）に準拠している。ＣＰＵは、ＩＤナンバーと共に通信フォーマットをメモリＩＣから読み出し、所定の転送レート（例えば、９６００ｂｐｓ）で変調された所定のインタフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインタフェース形式）の変調信号を高周波回路３２へ一定周期間隔で出力する。ＣＰＵとしては、例えば８ビットマイコンを用いることができる。

信号処理回路３１は、消費電力を抑制するための処理として、間欠通信を実行する。間欠通信では、所定の送信サイクルのうち、送信モードとして動作する送信期間のみＩＤナンバーが無線伝送され、それ以外の待機モード（スリープモード）として動作するスリープ期間では、信号処理回路３１及び高周波回路３２の動作は、待機状態に遷移する。信号処理回路３１及び高周波回路３２は、送信モードと待機モードとを交互に繰り返す間欠通信により、二次電池４２の消費電力を抑えている。

高周波回路３２は、チップインダクタ、チップコンデンサ又はチップ抵抗等の受動部品、及びトランジスタ等の半導体素子により構成される。高周波回路３２は、信号処理回路３１からの変調信号を受信し、所定の通信フォーマットに従って、無線送信機１０のＩＤナンバーを含む通信フレーム（例えば、３００ＭＨｚ帯の２値ＦＳＫ変調信号）に変調する。アンテナ２０は、高周波回路３２によって生成された通信フレームを無線電波に変換して放射する。アンテナ２０から放射される無線電波は、微弱無線規格を遵守する仕様に設計されている。

太陽電池４１は、光エネルギー（太陽光又は照明光等の光エネルギー）を直流電力に変換する光電変換素子である。無線送信機１０の各部（アンテナ２０、送信モジュール３０、及び電源部４０）は、光透過性材質（例えば、厚み０．２ｍｍ程度の白色ＡＢＳ材）から成る外装ケースの内部に収納されており、光エネルギーが効率よく太陽電池４１に吸収されるように構成されている。なお、太陽電池４１以外の発電素子を電源部４０に搭載してもよい。発電素子として、例えば、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する振動発電素子、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換する電磁誘導発電素子などが好適である。

二次電池４２は、信号処理回路３１及び高周波回路３２へ供給される電力を蓄電する蓄電装置である。二次電池４２として、例えば、リチウムイオン電池が好適である。電力を蓄電するための蓄電装置は、二次電池４２に限定されるものではなく、例えば、キャパシタ等でもよい。

充電回路４３は、太陽電池４１から二次電池４２への電力供給、及び二次電池４２から送信モジュール３０への電力供給を制御する。充電回路４３は、二次電池４２から太陽電池４１への電流の逆流を防止する機能や、二次電池４２の端子電圧を監視し、過充電時には二次電池４２への充電を停止し、過放電時には二次電池４２の過放電を停止する機能を有する。具体的には、充電回路４３は、二次電池４２が十分に充電されるまで、送信サイクルを長くしたり、或いは無線通信を一時停止したりする。尚、太陽電池４１と充電回路４３は必須ではなく、電源部４０を二次電池４２のみで構成してもよい。

図２は本実施形態に係わる無線受信機７０を搭載する端末機器６０の機能ブロック図である。端末機器６０は、無線通信機能を搭載した電子機器（例えば、携帯電話、パーソナルコンピュータ）である。端末機器６０は、無線受信機７０に接続可能に構成されたＵＳＢインタフェース８１と、ＵＳＢインタフェース８１を介して無線受信機７０から受信したデータを信号処理するＣＰＵ８２とを備える。無線受信機７０は、アンテナ７１、高周波回路７２、及び信号処理回路７３を備える。高周波回路７２及び信号処理回路７３は、電源電圧Ｖｃｃに接続している。無線送信機１０から無線電波として放射された通信フレームに含まれるＩＤナンバーは、アンテナ７１にて受信され、高周波回路７２にて復調される。信号処理回路７３は、高周波回路７２から供給される信号を雑音信号から識別してＩＤナンバーを抽出する。ＩＤナンバーが暗号化されている場合には、信号処理回路７３は、ＩＤナンバーの復号化処理も行う。また、信号処理回路７３は、ＩＤナンバーの受信感度（受信強度）の検出も行う。ＩＤナンバーは、ＵＳＢインタフェース８１を介して、所定のインタフェース形式（例えば、ＵＡＲＴシリアルインタフェース形式）でＣＰＵ８１に出力される。ＣＰＵ８１は、無線受信機７０が受信したＩＤナンバーに基づいて無線送信機１０を無線認証する。

図３は本実施形態に係わる間欠通信のタイミングチャートを示す。間欠通信では、１送信サイクル内での送信タイミングをずらしてそれぞれ異なる複数の無線周波数でＩＤナンバーを複数回無線送信するための複数の送信モードと、ＩＤナンバーを無線送信せずに待機する待機モードとを有する送信サイクルが繰り返し実行される。これにより、送信モードと待機モードとが交互に且つ周期的に繰り返される。説明の便宜上、同図では、二つの送信モード１，２を図示しているが、１送信サイクル内に３つ以上の送信モードを設定してもよい。送信モード１，２のそれぞれの無線周波数をＦ１，Ｆ２とすると、Ｆ１，Ｆ２は異なる周波数である。二つの送信モード１，２の送信タイミングは１送信サイクル内で重複しないようにずらされている。複数の送信モード１，２のそれぞれの送信期間の合算値をＴ１とし、待機モードの期間（スリープ期間）をＴ２とすると、１送信サイクルの期間は（Ｔ１＋Ｔ２）となるから、同図に示すタイミングチャートでは、オンデューティＴ１／（Ｔ１＋Ｔ２）×１００［％］の間欠通信が行われる。低消費電力を実現するためには、オンデューティは、０．０１％以上０．５％以下が好ましい。オンデューティを０．１％に設定するためには、例えば、Ｔ１＝２ｍｓｅｃ、Ｔ２＝１９９８ｍｓｅｃとするのが好ましい。また、無線送信機１０が送信モード１，２として動作する送信期間の消費電流をＩ１とし、無線送信機１０が待機モードとして動作するスリープ期間の消費電流をＩ２としたとき、送信パワーを０．１ｍＷ以下にするためには、Ｉ１＝１ｍＡ、Ｉ２＝１μＡに設定するのが好ましい。

図４は無線受信機７０から端末機器６０に出力される受信データ２００のフォーマットを示す。受信データ２００は、複数の送信モードのそれぞれについて受信したＩＤナンバーを格納するためのデータコード２０１と、複数の送信モードのそれぞれの受信感度を格納するための受信感度コード２０２とを含む。例えば、１送信サイクル中に二つの送信モード１，２が設定される場合、データコード２０１は、送信モード１の無線チャネルで受信したＩＤナンバー２０１Ａと、送信モード２の無線チャネルで受信したＩＤナンバー２０１Ｂとを格納する。受信感度コード２０２は、送信モード１の無線チャネルの受信強度２０２Ａと、送信モード２の無線チャネルの受信強度２０２Ｂとを格納する。端末機器６０は、無線受信機７０から受信データ２００を受信すると、二つの受信強度２０２Ａ，２０２Ｂを比較し、両者のうち高い方の受信強度に対応するＩＤナンバーを無線送信機１０の識別情報として採用する。二つの送信モード１，２の無線周波数はそれぞれ異なる周波数に設定され、且つその送信タイミングは１送信サイクル内で重複しないようにずらされているため、端末機器６０或いはその近辺に設置されている他の電子機器から発生するノイズの影響、又は無線送信機１０と無線受信機７０との間にある障害物に起因するフェージングの影響により、二つの送信モード１，２のうち一方の送信モードによって送信されたＩＤナンバーを正常に受信できなくても、他方の送信モードによって送信されたＩＤナンバーを正常に受信することができる。特に、ノイズやフェージングが不規則なタイミングで発生し、或いは二つの送信モード１，２のうち何れか一方の送信モードの周波数帯に近接する周波数でノイズが発生するような電波環境下では、二つの送信モード１，２の送信タイミングの時間差及び周波数差が大きい程、ノイズやフェージングからの影響を低減する上で効果的である。

図５は無線受信機７０の電波受信特性３００を示すグラフである。同図の横軸は受信感度の絶対値を示し、縦軸は無線送信機１０と無線受信機７０との間の見通し通信距離を示す。受信感度と通信距離とは一対一に対応付けられるため、受信感度から通信距離を推定し、無線送信機１０と無線受信機７０との間の距離に応じて端末機器６０を管理制御することができる。ＣＰＵ８２は、端末機器６０の管理制御を実行するための条件としての受信感度の有効範囲を予め設定し、無線受信機７０の受信感度が有効範囲にあるか否かに応じて端末機器６０を管理制御する。例えば、入退室管理のアプリケーションでは、通信距離が所定値（例えば、０．５〜１ｍ）以下になるときの受信強度の範囲を有効範囲として設定し、受信強度が有効範囲内にあるか否かに基づいて無線送信機１０の携帯者の入退室の有無を管理することができる。また、パーソナルコンピュータのセキュリティ管理のアプリケーションでは、通信距離が所定値（例えば、１〜２ｍ）以下になるときの受信強度の範囲を有効範囲として設定し、受信強度が有効範囲内にあるか否かに基づいてパーソナルコンピュータのロック／アンロックを制御することができる。その他のアプリケーションとして、例えば、無線送信機１０の携帯者の所在管理、在室管理、在席管理等の用途が考えられ、それぞれのアプリケーションに適した受信感度の有効範囲を設定すればよい。なお、通信距離１ｍ以下に対応する受信感度を有効範囲に設定するアプリケーション（例えば、入退室管理やパーソナルコンピュータのセキュリティ管理）では、送信モードの無線周波数は、３００〜３２２ＭＨｚ帯が好ましい。これにより、無線送信機１０と無線受信機７０との間に机やパーソナルコンピュータ等の障害物が介在しても、信号の回折により無線電波が無線受信機７０に到達できる。例えば、送信モード１，２のそれぞれの無線周波数を３１０ＭＨｚ、３２０ＭＨｚに設定するのが好ましい。

なお、上述の説明では、送信モード１，２のときに検出したそれぞれの受信強度２０２Ａ，２０２Ｂをそれぞれの送信モード１，２の受信感度とする場合を例示したが、例えば、図６に示すように、送信モード１，２のときに検出したそれぞれの受信強度２０２Ａ，２０２Ｂから待機モードのときに検出した受信強度２０３を減算して得られる受信強度をそれぞれの送信モード１，２の受信感度としてもよい。言い換えれば、端末機器６０は、受信強度２０２Ａから受信強度２０３を減算して得られる受信強度を送信モード１の受信感度として計算し、受信強度２０２Ｂから受信強度２０３を減算して得られる受信強度を送信モード２の受信感度として計算するのが好ましい。送信モード１，２の受信強度２０２Ａ，２０２Ｂには、無線送信機１０からの送信電波の信号レベルに加えてノイズレベル（例えば、端末機器６０のＣＰＵ８２から発生するホワイトノイズのレベル、妨害波のレベル、又は障害物に起因するフェージングによるノイズのレベル等）が含まれる。これらのノイズレベルは、無線送信機１０が送信電波を放射していない待機モードのときの受信強度２０３として測定できるため、受信強度２０２Ａからノイズレベルに相当する受信強度２０３を減算することにより、送信モード１の受信感度を求めることができる。同様に受信強度２０２Ｂからノイズレベルに相当する受信強度２０３を減算することにより、送信モード２の受信感度を求めることができる。受信感度２０３は、ノイズレベルに連動して変動するため、ノイズレベルの変動を加味した上で送信モード１，２の受信感度を適切に検出することができる。

なお、受信感度の測定に影響を与えるノイズとして、端末機器６０のＣＰＵ８２から発生するホワイトノイズのみを考慮すると、妨害波やフェージングによるノイズレベルの変動に対して柔軟に対処することができない。例えば、端末機器６０のＣＰＵ８２のホワイトノイズレベルを−１２０ｄＢ（固定値）とし、送信モード１の受信強度２０２Ａを−６０ｄＢとした場合、両者の差分である−６０ｄＢが送信モード１の受信感度になる。このような条件下において、妨害波又はフェージングによるノイズが３０ｄＢ加わった場合を考察すると、受信感度は−３０ｄＢとして算出されてしまい、正確な値である−６０ｄＢに対して３０ｄＢの誤差が生じる。このような誤差が生じる原因は、受信感度の測定に影響を与えるノイズとして、端末機器６０のＣＰＵ８２から発生するホワイトノイズのみを固定値として考慮している結果、ノイズレベルの変動に対して柔軟に対処できないという点にある。これに対し、本実施形態によれば、ノイズレベルの変動を加味した上で送信モード１，２の受信感度を適切に検出できるという利点を有している。

本発明に係わる無線通信機器は、無線認証を応用した各種のセキュリティ分野等に利用できる。

１０…無線送信機
２０…アンテナ
３０…送信モジュール
４０…電源部
５０…無線モジュール
６０…端末機器
７０…無線受信機
２００…受信データ
２０１…データコード
２０２…受信感度コード
２０３…受信強度
３００…電波受信特性

Claims

無線送信機と無線受信機とを備える無線通信機器であって、
前記無線送信機は、前記無線送信機を一意に識別するための識別情報を１送信サイクル内での送信タイミングをずらしてそれぞれ異なる複数の無線周波数で複数回前記無線受信機に無線送信するための複数の送信モードと、前記識別情報を前記無線受信機に無線送信せずに待機する待機モードとを有する送信サイクルを繰り返す間欠通信を行う無線モジュールを備え、
前記無線受信機は、前記それぞれ異なる複数の無線周波数毎に受信した前記識別情報とその受信感度とを含む受信データを端末機器に出力する、無線通信機器。
請求項１に記載の無線通信機器であって、
前記受信感度は、前記送信モードのときに前記無線受信機が受信する電波の受信強度から前記待機モードのときに前記無線受信機が受信する電波の受信強度を減算して得られる受信強度である、無線通信機器。
請求項１又は請求項２に記載の無線通信機器であって、
前記１送信サイクルの期間に対する前記複数の送信モードのそれぞれの送信期間の合算値の比率は、０．０１％以上０．５％以下である、無線通信機器。