JP3484336B2 - 通信システム - Google Patents

通信システム

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JP3484336B2
JP3484336B2 JP01213898A JP1213898A JP3484336B2 JP 3484336 B2 JP3484336 B2 JP 3484336B2 JP 01213898 A JP01213898 A JP 01213898A JP 1213898 A JP1213898 A JP 1213898A JP 3484336 B2 JP3484336 B2 JP 3484336B2
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    • G01S13/76Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted
    • G01S13/765Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems wherein pulse-type signals are transmitted with exchange of information between interrogator and responder

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、無線通信システ
ムに関し、特に、建物内、キャンパスにおける変調バッ
クスキャッタ技術を用いた無線通信システムを用いた無
線通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】機械、在庫品又は生き物を識別したりそ
の動きをチェックする目的で、無線周波数識別(RFI
D)システムが利用されている。RFIDシステムは、
質問器(インテロゲータ)と呼ばれる一つの無線送受信
器と、タグと呼ばれる多数の安価な装置との間で通信す
る無線通信システムである。
【0003】RFIDシステムでは、変調無線信号を使
用して質問器からタグへ通信し、タグは変調無線信号に
より応答する。質問器は、タグにメッセージを送った
(ダウンリンクと呼ばれる)後に、連続波(CW)無線
信号をタグに送る。それからタグは、変調バックスキャ
ッタ(MBS)を用いてそのCWを変調する。このMB
Sでは、アンテナは、変調信号により、RF(無線周波
数)放射の吸収体の状態からRF放射の反射体の状態に
電子的にスイッチ操作される。この変調バックスキャッ
タにより、タグから質問器への通信(アップリンクと呼
ばれる)が可能になっている。
【0004】従来のMBSシステムは、(a)質問器の
領域へと通過する物体を識別するため、及び(b)タグ
上にデータを記憶し後にそのタグからデータを取り出し
て、目録を管理したり他の有用なアプリケーションを行
う。
【0005】キャンパスや建物の中で用いる場合を考え
る。そしてまず、RFID技術を「セキュリティ」に用
いる場合を考える。RFIDは今日セキュリティ業界に
て建物アクセスを容易にするように用いられている。例
えば、建物への入館を自動的に認証させて行ったり、特
定の位置を通過した個人を記録したりする。この動作は
質問モードと呼ばれる。即ち、質問器が読みとりフィー
ルド内の全てのタグへ信号を送信し、そのタグを識別さ
せるデータによってタグが応答することを要求する。次
にタグはMBSを用いて質問器へこの情報を送り返す。
【0006】加えて、「位置決定」アプリケーションが
建物等に存在する。(本明細書において、「建物」、
「建物内」は建物の中ないし建物をも含むようなキャン
パス環境等を意味する。)例えば、建物内の特定のタグ
の位置を知りたいことがある。このことは高度なセキュ
リティを要するような場合に求められる。建物内電話シ
ステムにおいて電話の呼をある個人が位置する場所に近
い電話機へルーティングするようなアプリケーションに
も用いることができる。原型のシステムとして赤外線送
信器を用いる例があるが、実際に市場化されておらず、
赤外線技術はとどく範囲が狭く、物体を透過する能力に
欠ける。従って、赤外線送信器がシャツのポケットの中
にあれば、通信パスがブロックされる。従って、位置決
定問題を解決する技術は今日ない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】また、低速度データ
「通信」アプリケーションも存在する。低速度データ通
信を提供する現存するシステムとしては、ページング
(無線呼出し)技術がある。ページングシステムの中に
は建物内の無線カバレッジが悪い場合が多く、また、ト
ランザクション毎にサービスプロバイダに課金される場
合もある。また、無線データLANを建物内に用いる場
合があるが、高価である。更に、現在の低速度データ通
信技術は上のセキュリティ、位置決定問題を解決しな
い。本発明は、セキュリティ、位置決定、低速度データ
通信アプリケーションの各問題を解決するようなシステ
ムを提供することを目的とする。
【0008】本明細書では、変調バックスキャッタを用
いた無線周波数識別システムがどのように単一のシステ
ムで単一のインフラでセキュリティ、位置決定、低速度
データ通信アプリケーションの各問題を解決するかを開
示する。本発明は、建物内又はキャンパス領域の位置や
通信サービスでの低コストなセキュリティを改善でき
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の無線通信システ
ムは、建物内セキュリティ、位置決定、メッセージン
グ、データ通信能力を統合する幾つかのモードの1つで
動作することができる。本システムは、無線信号を生成
し送信する1以上の質問器を有する。システムの1以上
のタグはこの無線信号を受信する。バックスキャッタ変
調器はサブ搬送信号を用いて無線信号の反射を変調し、
反射変調信号を形成する。質問器は反射変調信号を受信
し復調する。また質問器はどのタグがバックスキャッタ
変調器手段を用いて応答するかを指定して1以上のタグ
へ第1情報信号を送信する。
【0010】質問モードでは、質問器は読みとりフィー
ルド内のタグの識別を決定し、識別されたタグとデータ
を交換することができる。位置決定モードでは、本シス
テムはタグが質問モードの無線範囲内にいるか否かを問
わず、建物内のタグの位置を決めるように質問器へ指示
する。メッセージングモード又は低速度データ通信モー
ドにおいて、本システムはタグが何らかの行動を行うこ
とを要求するコマンドを(タグが質問モードの読みとり
フィールド内かを問わず)、質問器が特定のタグへ送信
するように指示する。メッセージングモードの別態様で
は、質問器がタグへのコマンドに加えてデータを送信す
ることができ、また、タグが質問器へ信号を送り返すこ
とができる。本システムは電子メール、ボイスメール、
位置決定、在庫管理等の他のシステムにも用いることが
できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
MBS動作 図1は、この発明を適用を示すのに適したRFIDシス
テムの一実施例の全体ブロック図を示すものである。ア
プリケーションプロセッサ101は、ローカルエリアネ
ットワーク(LAN)102(有線又は無線)を介して
複数の質問器103、104に通信する。質問器それぞ
れはさらに、タグ105〜107のうちの一つ又は複数
と通信する。たとえば、質問器103は、情報信号を、
たとえばアプリケーションプロセッサ101から受信す
る。質問器103はこの情報信号を取り入れ、プロセッ
サ200(図2参照)は、タグに送信するのに適した形
式のダウンリンク・メッセージ(情報信号200a)を
生成する。図1、2において、201は無線信号を合成
し、変調器202はこの情報信号200aを無線信号上
へ変調し、203はこの変調信号を204を介してタグ
へと送る(ここでは振幅変調で)。振幅変調を用いるの
はタグが単一の廉価な非線形デバイス(ダイオード等)
によって復調できるからである。
【0012】タグ105(図3参照)では、アンテナ3
01(通常、ループアンテナ又はパッチアンテナ)が変
調信号を受信する。この信号は、検出器/変調器302
によって直接にベースバンドに復調される。検出器/変
調器302は、たとえば一つのショットキー・ダイオー
ドである。ダイオード検出器の出力は入力信号の直接の
ベースバンドの復調にほぼなっている。304は質問器
がマンチェスタ符号化を用いてAM信号を送るようにす
ることにより拡張できる。
【0013】得られる回復信号304aはプロセッサ3
05へ送信され、ここで回復信号304aが解析され
る。即ち、プロセッサ305は情報信号200aの内容
を検査する。ここで、プロセッサ305はタイミング情
報を与える水晶発振器312を有する。一態様では、プ
ロセッサ305は通常、廉価な4ビット又は8ビットの
マイクロプロセッサであり、クロック回復回路304
は、ASIC(特定用途向け集積回路)によって実装さ
れ、これはプロセッサ305と協力して動作する。本明
細書では、「プロセッサ」は、プロセッサ、マイクロプ
ロセッサ、ASIC等を含む。
【0014】情報信号200aの内容に依存して、プロ
セッサ305は別の情報信号306を生成し、これはタ
グ105から送信され、質問器103へと戻される。情
報信号306は変調器制御回路307への入力として供
給され、これは情報信号306を用いてサブ搬送周波数
源308が生成したサブ搬送信号308aを変調する。
一態様において、サブ搬送周波数源308は水晶発振器
312により得られるか、又は、水晶発振器312はプ
ロセッサ305と分離している。別の態様では、周波数
源(プロセッサ305の主クロック周波数の分割器等)
がプロセッサ305内部に存在する信号から得られる。
【0015】変調器制御回路307は、変調サブ搬送信
号311を出力し、これは検出器/変調器302により
用いられ、ダウンリンク信号202aのCW無線信号を
変調し、これにより変調バックスキャッタ(例えば、反
射された)信号301aを作る。ここで、タグから質問
器への伝送をアップリンクとしている。このように、変
調バックスキャッタ信号はアップリンク信号を構成す
る。
【0016】一態様では、変調サブ搬送信号311の存
在(欠如)は、検出器/変調器302(例、ショットキ
ーダイオード)がアンテナ301の反射(インピーダン
ス)を換えることになる。例えば、アンテナのインピー
ダンスは、0から無限へと変わる。
【0017】電池310によりタグの回路へ電源を供給
する。本明細書では、「電源」は、電池、マイクロ波又
は電磁エネルギーを電気エネルギーへ変換することので
きるデバイス(例、整流器、誘導カップリング)等を含
む。
【0018】単一の周波数サブキャリアを用いる変調バ
ックスキャッタ(MBS)には数々の利点がある。例え
ば、サブ搬送の位相シフトキー(PSK)(例えば、B
PSK(バイナリPSK)、QPSK(直角位相PS
K)、より複雑な変調方法(例えば、MSK(最小シフ
トキー)、GMSK(ガウス最小シフトキー)))があ
る。
【0019】図2に戻って、質問器103は、反射され
変調された信号を受信アンテナ206で受信し、その信
号を低ノイズアンプ207で増幅する。そして直交(qua
drature)ミキサ208内のホモダイン検出を用いてその
単一サブ搬送波の中間周波数(IF)に復調する。(質
問器の設計によっては、送信アンテナ204と受信アン
テナ206とを兼ねた一つのアンテナが使用される。そ
の場合は、受信器チェーンで受信された送信信号をキャ
ンセルするための電子的方法が必要である。これはたと
えばサーキュレータ等のデバイスによって実現でき
る。)送信チェーン手段で使用した無線信号源201と
同じものを使用して、ホモダイン検出を使用してベース
バンドへの復調がなされる。これは、受信回路の位相ノ
イズを減少させるという意味で有利である。それから、
ミキサ208は復調信号209を適当にフィルタするた
めにその復調信号209を(直交ミキサを使用する場合
は、I(同相)信号とQ(直交相)信号の両方を)フィ
ルタ/アンプ210に送る。出力のフィルタされた信号
は、(それから、典型的にはIFサブ搬送波上で搬送さ
れる情報信号211が、)サブ搬送復調器212でサブ
搬送波から復調する。次にサブ搬送復調器212は、メ
ッセージの内容を判定するために情報信号213をプロ
セッサ200に送る。サブ搬送復調器は、複雑な応用に
おいては単純なA/D変換器とディジタルシグナルプロ
セッサ(DSP)を用いて実装される。例えば、振幅変
調サブ搬送に対してはダイオードが用いられ、PSK変
調サブ搬送に対してはDSPが用いられる。復調信号2
09のIチャネルとQチャネルは、フィルタ/アンプ2
10もしくはサブ搬送復調器212内で結合されるか、
又はプロセッサ200で結合されることも可能である。
別の態様では、質問器は、無線信号を送受信するために
単一のアンテナを有する。この態様では、受信器連鎖に
より受信したものから送信信号を分離する電子的な方法
が必要である。このことは、サーキュレーターのような
デバイスにより実現できる。
【0020】上の技術等を用いて、小範囲、双方向のデ
ィジタル無線通信チャネルを実装できる。ショットキー
ダイオード、信号強度ブースト用アンプ、ビットフレー
ム同期回路、4又は8ビットマイクロプロセッサ、サブ
搬送生成回路、電池等を用いて低コストなシステムを作
ることができる。ビットフレーム同期、サブ搬送におけ
る回路は、マイクロプロセッサコアの周辺のカスタムロ
ジックにより実装してもよい。従って、これらの機能は
かなり低コストで提供できる。
【0021】狭帯域動作 上の手順を用いて、双方向ディジタル無線通信チャネル
を作ることができる。このチャネルの範囲はなるべく拡
張できた方がよい。このことは、ダウンリンク、アップ
リンク双方の範囲を拡張することを伴う。
【0022】ダウンリンクの範囲を拡張することは、幾
つかの因子を伴う。第1に、ダウンリンクの範囲は、信
号損失を最小化することにより拡張できる。上述のよう
に一態様においては、ダウンリンクは振幅変調信号であ
り、これは容易に単一非線形デバイスである検出器/変
調器(マイクロ波、ショットキーダイオード等)により
検出できる。アンテナ301から非線形検出変調器への
信号損失を最小化するために、アンテナからダイオード
へのインピーダンスを整合させることは重要である。第
2に、ダウンリンクのデータ速度は、ダウンリンク信号
の雑音バンド幅を減らすために制限することができる。
【0023】第3に、タグのアンテナ301は、アンテ
ナバンド幅の外のRF信号をフィルタリングして除くよ
うに用いることができる(RF信号の受信の他に)。例
えば、2.45GHzでは、許容RF搬送周波数は、
2.400〜2.485GHzである。パッチアンテナ
等のアンテナの設計は、この周波数バンドをカバーする
が、この範囲を超える周波数をフィルタリングして除
く。理想的な周波数応答は、許容周波数範囲をまたがる
3dBの間のアンテナ感度で、この範囲を超えると急激
に落ちるものがよい。更に、アンプ303はアップは期
待ダウンリンクデータ速度(典型的には、数kbps〜
数十kbps)の周辺の特定のパスバンドの間の信号の
み通過するように設計されているという点で、フィルタ
としても機能する。上述のタグ設計は、変調スキームが
主に一定のエンベロープである、アンテナの周波数バン
ド内のRF伝送にはあまり影響を与えない。このよう
に、このようなタグ設計は、多くの潜在的な干渉信号に
抵抗性のある堅牢なタグを可能にする。
【0024】また、アップリンクの範囲を拡張すること
は、幾つかの因子を伴う。第1に、アップリンク信号の
雑音バンド幅は、可能な限りデータ速度を遅くすること
により減らすことができる。もしアップリンク信号のデ
ータ速度を数bpsに抑えれば、実装できる有用なアプ
リケーションの数を大きくできる。データ速度の制限
は、単一サブ搬送周波数上に変調データがないような極
限にする事ができる。このような場合、このサブ搬送周
波数にて受信した信号がごく少ないないし皆無なこと
は、前のメッセージに対し、「確認」又は「非確認」を
指示させる。
【0025】サブ搬送信号は比較的正確に決定できる。
一態様において、サブ搬送周波数源308は比較的正確
な周波数のサブ搬送信号を生成する。例えば、サブ搬送
周波数源308は周波数32kHzで精度±100pp
m(即ち、水晶発振器の周波数は±3.2Hzの間)の
廉価な水晶発振器を用いることができる。
【0026】一態様において、DSP等のプロセッサ2
10aを用いる質問器において狭帯域フィルタリングが
実装され、フィルタ/アンプ210とサブ搬送復調器
12の機能を行う。この態様では、プロセッサ210a
は公知の狭帯域フィルタリングアルゴリズムを用い、1
0Hzより小さいバンド幅の信号のディジタルフィルタ
リングを行い、第1サイドローブは、60dBへと抑え
られる。次に、このプロセッサ210aが受信した信号
の信号強度が測定され、この強度は信号がない時のその
チャネルにおける平均雑音よりも十分に上の基準信号強
度と比較され、望まない信号が実際の信号と誤解されな
いようにする。この方法により、非常に弱いアップリン
ク信号も信頼性を持って検出できる。この技術を用い、
ダウンリンクとアップリンクにおいて大まかに同等な範
囲を達成できる。
【0027】次に、サブ搬送周波数fsの位置を議論す
る。MBSシステムは任意の数の反射体からのRF源の
反射によるアップリンク信号における雑音を示す。通
常、反射体には2種類ある。即ち、信号が送信された搬
送周波数と同じ搬送周波数で信号を反射する反射体、及
び信号が送信された搬送周波数とは異なる搬送周波数で
信号を反射する反射体である。前者の種類には、壁、金
属物体がある。これらの反射体から反射した信号は、搬
送信号に対して任意の位相関係を有する。反射を相殺す
るには、ホモダイン検出器として動作する直交ミキサ2
08を用いる。後者の反射体の種類は、ドップラーシフ
ト(移動する金属物体により起こる)又はサブ搬送周波
数付近の周波数にて動作する電子機器からの反射により
生成される。難しい問題として、蛍光による光の雑音が
あり、基本波60Hzの周波数(米国で)だけではな
く、数千Hzよりも大きい可聴音を超えた周波数の雑音
を作る。サブ搬送周波数fsが基本波60Hzの周波数
の倍数に落ちるように位置させることが解決法として知
られている。一態様にて、32kHzの水晶発振器がこ
の要件を満足するサブ搬送周波数を生成するのに用いら
れる。
【0028】多モード動作 一態様にて、取扱システムは多モード動作が可能であ
る。この態様では、タグと質問器は高データ速度と低デ
ータ速度にてデータを送信できる。他のデータ速度も可
能である。一態様では、実際のデータメッセージ(例、
多ビット、高ビットメッセージ)が高データ速度モード
を用いて取扱システムにより送信、受信され、確認メッ
セージ(例、1ビット、低ビットメッセージ)が低デー
タ速度モードを用いて取扱システムにより送受信され
る。
【0029】好都合なことに、低データ速度モードは、
拡張した範囲を本発明の取扱システムに与える。前述の
ように、通常1ビット又は低ビットの確認メッセージを
送信するのに低ビット速度モードが用いられる。このこ
とにより、確認メッセージが実際のデータメッセージよ
りも小さい周波数バンドで送信される。周波数バンドを
小さくすれば、周波数バンドの外の雑音の狭帯域フィル
タリングのアプリケーションを可能にし、このことによ
り、確認メッセージを送信できる範囲を拡張できる。
【0030】前述のように、1ビットの情報を送るた
め、タグは、入信号(反射連続波無線信号)上へ変調バ
ックスキャッタを用いて変調できる非変調サブ搬送周波
数を生成することができる。そして、質問器は、単一周
波数音の反射信号を受信する。次に狭帯域フィルタリン
グ技術を用いて、雑音バンド幅を減らしこの信号の存否
を決定するのに用いることができる。
【0031】動作に入ると、タグ105はダウンリンク
メッセージとして質問器103から送られた情報ビット
を検知し組み立てる。同期パターンビットをダウンリン
クメッセージの開始時に送信する。これらのビットはタ
グがビット及びメッセージ同期を獲得することを可能に
し、ダウンリンクメッセージの開始及び終了をタグが決
定することを可能にした。一態様では、ダウンリンクメ
ッセージは、アドレス、コマンド、また、データ及びエ
ラー検出、訂正等の情報を含む。ダウンリンクメッセー
ジのコマンド又はデータ部分は、タグ105が実データ
メッセージ(タグID他のアプリケーション依存データ
等)又は確認メッセージ(1ビット確認メッセージ等)
を返すべきかを指示すべきである。
【0032】タグ105のプロセッサ305は、どの種
類のアップリンク信号を質問器へと送り返すべきかを決
める。タグ105が実データメッセージ又は確認メッセ
ージのいずれかを送信して質問器103がこれら2種類
のメッセージを受信し区別できるようにする方法には幾
つかある。図3に戻ると、一態様において情報信号30
6はプロセッサ305からリード306aを介して変調
器制御回路307へと送信される。タグ105のプロセ
ッサ305が1情報ビットからなる「単一音」メッセー
ジを送る場合、リード306aは情報メッセージを送る
べきでないことを指示する第1論理状態に維持され、こ
れにより変調器制御回路307は非変調サブ搬送信号3
11を出力させるようにする。プロセッサ305が実デ
ータメッセージを送る場合、リード306aは変調器制
御回路307へと実データメッセージを運ぶ。この実デ
ータメッセージは次に、振幅変調、位相変調、周波数変
調、符号変調等の変調技術を用いてサブ搬送信号308
aを変調するのに用いられる。
【0033】図2に戻り、質問器103は受信アップリ
ンク信号から、変調(又は非変調)サブ搬送信号を受信
し復調し、そしてフィルタリングを課す。サブ搬送周波
数の詳細を与えると、適切なフィルタ/アンプ210が
雑音を除去する。次にサブ搬送復調器212はもしあれ
ば情報信号306を変調(又は非変調)サブ搬送信号か
ら復調する。次にプロセッサ200は情報信号306を
復号するのに必要なディジタルシグナルプロセッシング
を行う。プロセッサ200はDSPを用いてもよいが従
来のマイクロプロセッサも用いてもよい。
【0034】単一サブ搬送音を有する「単一音」確認メ
ッセージを回復するため、フィルタリングアンプは、狭
帯域フィルタとする。従来のフィルタ技術も用いること
ができるが、上のDSP210aを狭帯域フィルタに用
いるとよい。この単一音のサブ搬送周波数は、タグ10
5が周波数源として廉価な水晶を用いるので周知であ
る。水晶の精度が多少悪くても、サブ搬送周波数は数H
zの精度であり、非常に狭帯域なフィルタリングを可能
にする。タグ105からの確認メッセージ応答がRFI
Dシステムの範囲を拡張するのに用いられ、弱い信号で
ある可能性が高いので、フィルタ/アンプ210の狭帯
域フィルタには更なる任務を課した。
【0035】DSPを用いる態様として、アップリンク
信号の周波数成分を動的にサーチすることがある。この
ことは図2のプロセッサ200を用いて入データ流にフ
ーリエ変換を行うことにより行える。変調サブ搬送信号
を表す複数の信号を微分しても、知らないデータ速度の
単一サブ搬送信号をフーリエ変換して回復させて複数の
信号をサーチできる。
【0036】このように、変調バックスキャッタ通信シ
ステムが2つのモードにて動作させる方法を示した。1
つはバックスキャッタ信号が高データ速度アップリンク
通信チャネルを提供するように変調されるモードであ
り、1つはバックスキャッタ信号が低データ速度アップ
リンク通信チャネルを提供して単一音等の確認信号を長
距離からでも検知できるように変調されるモードであ
る。
【0037】多モードの実装 取扱システムの多モード動作は3つのサービスにより実
装される。第1のサービスは、「質問」サービスであ
る。質問器がタグへダウンリンクにて「質問信号」を送
信することにより質問は始まる。タグは受信質問信号を
復号し、復号した質問信号に基づいて行動を決める。
「標準的な」質問の場合、タグは、MBSを用いて質問
器へ「義務的データ(mandatory)」を返すことを要求さ
れる。「標準的な」質問を受信する質問器の読みとりフ
ィールドにいるタグはそれぞれ、その義務的データによ
り後に説明するプロトコルを用いて応答する。「読みと
りフィールド」は、タグと質問器が通信できる空間領域
をいう。また質問器は、「標準的な」質問サービスの一
部として、タグそれぞれ全てのために意図されたデータ
を送信する。このようなデータの例としては、時間情
報、フレーミング情報他の同期情報等がある。義務的デ
ータは識別情報を有してもよい。、
【0038】「標準的な」質問を超える他の質問も可能
である。例えば、質問器は、質問を用いて特定のタグを
識別した後、タグのメモリに記憶される更なるデータを
そのタグへと送信することができる。質問器はタグが他
のデータをその質問器へと送信し返すことを要求しても
よい。これらの更なるデータの通信には、「標準的な」
質問において用いたデータレートを用いることができ
る。従って、タグそれぞれ全てへとコマンド及びデータ
を送信するために質問器を用いて、読みとりフィールド
における特定のタグを識別し、そのタグと双方向で通信
できる。質問において、ダウンリンクに要するデータ速
度は通常大きくない。なぜなら、質問信号は読みとりフ
ィールドの全てのタグが応答することを要求するのに必
要なビットのみを持っていればよいからである。ダウン
リンクにおけるデータ量と比べてアップリンクのデータ
量は通常かなり大きい。義務的データは時間が重大(ク
リティカル)である送信においてしばしば送信されるの
で、アップリンクのデータ速度はダウンリンクのものよ
りもかなり大きい方がよい。即ち、ダウンリンクデータ
速度がアップリンクデータ速度より小さいような非対称
性がある。
【0039】第2のサービスは、「位置(位置決定)」
サービスである。これはタグの位置を位置決定するのに
用いられる。位置決定において、質問器はダウンリンク
に「位置決定信号」をタグへと送る。これは位置決定信
号が向かう特定のタグのアドレスを有する。このサービ
スでは、タグは単純な確認メッセージ(一定音信号等)
により応答するように要求される。上の狭帯域技術を用
いて、質問サービスの範囲を遙かに超えた範囲にて質問
器によって一定音信号を受信できる。従って、ダウンリ
ンクがアップリンクよりも大きなデータ速度である非対
称通信サービスが存在する。
【0040】位置決定サービスは以下のように特定のタ
グ105の位置を決める。取扱システムはタグの位置の
情報を持っていないとする。質問器は位置決定信号を送
信し、そして可能性のある応答(確認メッセージ)を聴
く。各質問器は受信応答(もしあれば)の信号強度を決
めることができ、LAN102又はアプリケーションプ
ロセッサ101の位置決定プロセスへとそれらの決定を
報告する。ここで、位置決定プロセスは、質問器により
位置決定プロセスへと報告される確認メッセージの信号
強度に基づいてタグの位置を決めることができるソフト
ウェアプロセスである。位置決定プロセスは、タグの位
置が最強の確認メッセージ信号強度を受信する質問器の
位置と等しいものとして決める。ここで、タグの位置の
精度は質問器の有効範囲である。
【0041】別の態様では、位置決定プロセスは、もし
2以上の質問器が確認メッセージを受信した場合はタグ
の位置を決定するのにより複雑な方法を用いる。タグの
位置は、確認メッセージを受信した質問器、及び各質問
器の空間位置に基づいて決められる。例えば、もし2つ
の質問器が等しい信号強度の確認メッセージを受信した
場合、タグの位置はこれら2つの質問器の2等分線上に
あると推定できる。もし3つの質問器が確認メッセージ
を受信した場合は、「三角位置決定」が可能となる。文
献、"The NLOS Problem in Mobile Location Estimatio
n Proceeding 1996 5th International Conference on
Universal personal Communic. oct 96"by Marilynn Wy
le and Jack Holtman、を参照するとよい。
【0042】第3のサービスは、「メッセージング」サ
ービスである。「メッセージング信号」と呼ぶダウンリ
ンク信号は、1以上のタグのアドレス、及びこれらのタ
グのためのデータを有し、質問器により送信される。メ
ッセージング信号のタグアドレスと合致するタグはその
データをプロセッサ305に関連づけられたメモリ30
5aへと記憶するように、またそのデータを用いて他の
機能を行うように指示される。タグがメッセージング信
号に応答する方法には幾つかの方法がある。メッセージ
ング信号がタグにデータを記憶するように指示すれば、
タグは、質問器へと確認メッセージを送り返すことによ
りメッセージング信号の受領を確認させる。代わりに、
もしメッセージング信号がタグに判断をすることを指
示、又は質問器へ他のデータを送り返すように指示すれ
ば、数ビットのデータの確認メッセージにより応答す
る。従ってメッセージングにおいては、もしアップリン
クが確認メッセージであれば、ダウンリンクがアップリ
ンクよりも大きなデータ速度を有するような非対称通信
パスが存在することとなる。
【0043】別の態様では、上述のサービスの1つで始
まり別のサービスへと換えることができる。以下にこの
ような通信を可能にする方法を説明する。タグとの通信
を望むとする。メッセージングサービスが質問器からタ
グへと送信され、質問器で受信される単純な確認により
タグが応答することを指示する。更に、質問器が受信し
た確認メッセージに基づいて、質問器は更なるデータを
その質問器へとタグが送り返すようにタグに指示したい
とする。例えば、質問器はもし信号強度がしきい値より
も低ければ確認メッセージの信号強度を決め、メッセー
ジングサービスのためにアップリンクにて通常用いるデ
ータ速度までにアップリンクデータ速度を制限する。信
号強度はしきい値よりも上である他の場合は、質問器は
質問サービスのためにアップリンクにて通常用いられる
データ速度までにアップリンクデータ速度を変える。こ
こで、2つのアップリンクデータ速度を用いて説明した
が、他のデータ速度も用いることができる。
【0044】一態様にて、上の3つのサービス全ては、
同じシステムにおいて共存し、同時に動作させる。これ
らのサービスは、必要なデータ速度に基づいて、質問器
からタグへの異なる範囲をサポートするということを認
識することから始める。例えば、質問サービスには、タ
グが質問器のそばを通る時等に短時間において相当な量
のデータ伝送を伴う。ある時において読みとりフィール
ドにいくつもタグが存在するときには必要なデータ速度
は更に増える。データを同時に伝送する複数のタグが同
時に存在すれば、お互い干渉せずに複数のアップリンク
を可能にするためにはプロトコルが必要である。一態様
において、アロハ(Aloha)又はスロテッドアロハ(Slotte
d Aloha)のプロトコルを用いる。質問サービスの通常の
データレートは、50〜300kbpsの範囲である。
ここで、他の因子がないことにより、範囲とデータ速度
は相反する関係で、トレードオフすべきことに留意す
る。文献、"Queuing Systems Vol. 2 Computer Applica
tions" by Leonard Kleinrock, published by John Wil
ey & Sons, NY in 1976、を見るとよい。
【0045】まとめると、データ速度には2つの異なる
「非対称性」がある。即ち、質問サービスにおけるアッ
プリンクの方がダウンリンクよりも大きなデータ速度の
場合、及び位置決定及びメッセージングサービスにおけ
るダウンリンクの方がアップリンクよりも大きなデータ
速度の場合である。従って、質問サービスの有効範囲は
位置決定又はメッセージングサービスのものよりも小さ
い。なぜなら、質問サービスにおけるアップリンクのデ
ータ速度要件はより大きいからである。この範囲におけ
る差違を図4に示した。これらのデータ速度の間の関係
を観測することは重要である。上の「範囲拡張」の章で
は、狭帯域フィルタリングを用いて相当な範囲拡張を達
成できたことを示した。位置決定及びメッセージングサ
ービスはダウンリンクがおおまかに数kbpsのデータ
速度であり、アップリンクは数bpsである。質問サー
ビスはダウンリンクがおおまかに数kbpsのデータ速
度であり、アップリンクは50〜300kbpsであ
る。
【0046】図5には、これら3つのサービスの間の範
囲の関係を示す。3つのサービス全てにダウンリンク範
囲503は等しい。位置決定サービスとメッセージング
サービスのアップリンク範囲502はおおまかにダウン
リンク範囲503のものと等しい。これに反し、質問サ
ービスのアップリンク範囲501はアップリンク範囲5
02よりもかなり小さい。
【0047】上の説明では同じアンテナ技術を3つのサ
ービスが用いるとして、指向性アンテナの効果に言及し
なかったが、これを用いて有効範囲を増加させ、アプリ
ケーションに最適化された「読みとりフィールド」を得
ることができる。以下には異なるアンテナパターンの利
用を説明する。
【0048】RFIDシステムのアーキテクチャー ここでは質問器の配置を議論する。図1に戻ると、アプ
リケーションプロセッサ101は乗客、荷物、カーゴに
関する情報を記憶するデータベース110をサポートす
る。例えば、データベース110は航空機に搭乗中の乗
客、乗客に対応する荷物、荷物の位置等の識別情報を有
する。飛行場(飛行場コンプレックスをいう)全体に質
問器を分布させることもできる。ここで、飛行場全体と
いうカバレッジは質問サービスにとって完全ではない。
即ち、質問サービスは飛行場の良好に区画された領域で
のみ利用可能である。なぜなら、質問サービスは一般
に、特定の位置(ドアウェー等)を通過する際にタグを
識別するのに用いられるからである。また、位置決定及
びメッセージングサービスにおいて飛行場のカバレッジ
は質問サービスのカバレッジよりも大きい。理想的には
飛行場の誰にでも位置決定及びメッセージングサービス
を提供することが望ましい。
【0049】位置決定サービス又はメッセージングサー
ビスにおいて、飛行場におけて十分な数の質問器を配置
し、飛行場におけるいずれの場所も3つの質問器の範囲
内に入るものとする。これにより、受信アップリンク信
号強度の三角位置決定を用いて位置決定サービスを実装
することを可能にする。別の態様では、質問器は「部分
的に重なり合う」方式で配置され、飛行場におけるいか
なる場所も少なくとも1つの質問器の無線カバレッジ領
域内にあるようにする。この構成により、単純な位置決
定サービスを実装でき、この位置決定サービスの精度
(誤差)は1つの質問器のカバレッジ領域に匹敵する。
【0050】別の態様では、質問器は「部分的に重なり
合う」方式で配置され、飛行場におけるいかなる場所も
少なくとも1つの質問器の無線カバレッジ領域内にある
ようにする。この構成により、単純な位置決定サービス
を実装でき、この位置決定サービスの精度(誤差)は1
つの質問器のカバレッジ領域に匹敵する。
【0051】質問器が「部分的に重なり合う」方式で配
置された場合の位置決定モードを議論する。位置決定し
たいタグがダウンリンク範囲内にあるとする。すると、
タグはタグアドレスを含むダウンリンク信号を受信でき
る。ダウンリンクメッセージが自分へ向けられたもので
あるとタグが決めると、タグはアップリンク確認メッセ
ージ(例、定トーン)を(特定のプロトコルで)送信す
る。このトーンの生成及び送信を下に説明する。このア
ップリンク信号は質問器により受信される。
【0052】上の方法をサポートする一般的なアンテナ
構成は、ダウンリンク送信アンテナとアップリンク受信
アンテナが両方全方向性アンテナである。例として、
2.45GHz(このようなシステムの利用が想定され
る)ではアンテナは、丸い接地面から下にのびる1/4
波長モノポール(例、金属)を用いることができ、アン
テナは天井に取り付けられ、アンテナパターンは概して
全方向性で接地面の下の空間がアンテナパターンのほと
んどを占める。
【0053】図6にはこのような構成を示す。アンテナ
605はレードーム606やプラスチックカバーの中に
入れられてアンテナを外傷から守り美的に満足させる。
【0054】図7には別態様を示す。建物はドロップ天
井702を有する。多くのドロップ天井はあまりRF波
を吸収しないので704をドロップ天井702の上に配
置してレードーム706がドロップ天井702を突き出
るようにすることができる。ここではアンテナの部分の
うちレードームだけが可視であり、これは横幅5〜8c
mほどであり更に小さいものもある。この設計はこのよ
うにアンテナをきわめて目立たなくすることができる。
6、7のアンテナは「全方向性アンテナ」構成する。
【0055】このように概して、位置決定、メッセージ
ングモードでは、全方向性アンテナパターンはダウンリ
ンク、アップリンク両方のメッセージに有用である。質
問モードでは方向性(指向性)アンテナを用いて、質問
モードが利用可能な特定の空間量を規定する。図8に
は、異なるアンテナパターンが質問モードをサポートす
る方法の概念を示す。ダウンリンク(送信)アンテナ8
01は全方向性アンテナであり、アップリンク(受信)
アンテナは指向性である。従っこの質問器からの801
は全3モードのいずれのダウンリンク信号をも送信す
る。アップリンクアンテナ802(指向性)は質問モー
ドのタグからアップリンク信号を受信する。
【0056】図9、10は異なる受信アンテナを用いる
2つの方法を示す。図9には、全方向性アンテナ90
2、方向性アンテナ903の出力は線形な方法により結
合される。この技術により、システムが単純で低コスト
なものでもよく、いずれのアンテナからもアップリンク
信号を受信できる。しかし、信号が一方のアンテナから
のみ到来するのであれば3dB以上のロスを生じる。図
5には、1002が1003から1004へと切り替え
る単純なスイッチ機構を示している。このことにより前
記3dBのロスをなくすことができ(スイッチのロスが
無視できるとして)、質問器を単純にできる。
【0057】モード遷移 上の議論では、送信に必要なデータの量及びアップリン
ク信号の受信信号強度に基づいて、タグとの通信がある
モードで開始され、別のモードへ遷移するような通信を
議論した。例えば、図2には、214信号(ここではサ
ブ搬送復調器212の出力)は質問モードが要するより
高いアップリンクデータ速度をサポートに適切なS/N
比が存在するかを決めるためにプロセッサ200が用い
られる。214の指示情報は、フィルタ/アンプ210
の出力であることができ、また、ミキサ208の復調信
号209から取ることができる。
【0058】別の遷移に、位置決定モードから質問モー
ドへの遷移がある。位置決定モード質問信号は質問器に
より送信され、214の指示信号を用いて、質問モード
が要するより高いアップリンクデータ速度をサポートに
適切なS/N比が存在するかを決める。別の遷移では、
タグが質問モードを用いて識別され、そのタグとデータ
通信が始まることを想定する。これらのデータ通信時に
は、アップリンクエラーレート(各アップリンクメッセ
ージのエラー検出符号を計算するプロセッサ200によ
り決める)は、質問モードアップリンクデータ速度をサ
ポートするのにSNRが十分に大きくないことを指示す
る。そこで、メッセージングモードでアップリンクデー
タ速度をかなり減少させてデータ通信が継続できる。
【0059】RFIDプロトコルのアーキテクチャ 上の動作モードをサポートする質問器103とタグ10
5の間の通信に用いるプロトコルを説明する。通常のR
FID通信システムでは、質問器は「マスター」であり
タグは「スレーブ」である。質問器が通信を要求したと
きのみタグは質問器と通信できる。従って、時間を論理
的な「フレーム」に分割して考えてみる。1フレームは
質問器からタグへの第1通信を有し、次に逆の通信を含
んでいる。図11はフレーム構造をおおまかに示してあ
る。フレームA1110とフレームB(1120)の2
つのフレームを有している。フレームA(1110)内
では、質問器はダウンリンクDA1101の間タグと通
信する。ダウンリンクDA1101が終わるとタグはア
ップリンクUA1103の間質問器と通信する。タグは
アップリンクUA1103の間質問器と通信する。同様
に、フレームB1120はダウンリンクDB1102と
その後のアップリンクUB1104を含んでいる。
【0060】図12はダウンリンクDA1101の構造
を示す。第1に、一連の同期1210ビットが送信され
る。このことによりタグが質問器のタイミングと同期で
きる。次に、コマンド1220ビットフィールドを送
る。このコマンドはどの動作モードが要求されたかをタ
グに指示する。そして、データメッセージ1240が送
られる。このデータメッセージはタグそれぞれ全てのデ
ータ(クロックデータ、フレーム同期情報等)を有す
る。最後のフィールドはエラー検出訂正1250フィー
ルドである。これはダウンリンクメッセージのエラー検
出を可能にし、送信ビットによってはエラー訂正も行え
る。質問モードのこの例ではこれらが必要とされる。質
問モードの別態様では、同期1210とコマンド122
0フィールドを結合してもよく、エラー検出訂正125
0フィールドを除去してもよい。
【0061】位置決定モードでは特定のタグがアドレス
指定される。従って更なるフィールド、タグアドレス1
230を設ける。メッセージングモードでは図12の全
てのフィールドを用いることができる。
【0062】図13はアップリンクUA1103の構造
を示す。アップリンクUA1103は8スロットに分割
されている。3つの動作モードは8スロットを共有す
る。この共有は幾つかの方法により行えるが単純な方法
は、純粋なFDMである。この方法では、質問器103
はまずダウンリンクDA1101を送信する。このメッ
セージは標準的な質問モードに応答するようにタグ10
5に指示する。このモードでは、タグ105はそのアッ
プリンク情報を乱選択された時間スロットにて複数回送
信する。アップリンク情報が送信される時間スロットの
数、全体のトランザクションの滞在時間の両方は、読み
とりフィールドにてサポートするべきタグの数、トラン
ザクションが要する時間等に基づいて確率問題により解
決される。図13には、スロット1302の間UI1
(1311)、またスロット1306の間UI2(13
12)のアップリンク情報をタグは送信している。この
方法により複数のタグが同じフレームの間にそれらのア
ップリンク情報に応答することができる。
【0063】メッセージングモードでは、質問器103
はダウンリンクDA1101を送信する。このコマンド
1220フィールドはタグ105にメッセージングモー
ドが所望されていることを指示し、また、各々がタグア
ドレス1230フィールドに自分のアドレスと合致する
ものがあるか判断できるように全てのタグがダウンリン
クDA1101を取ることを継続することを指示する。
タグアドレス1230フィールドにアドレスがあるタグ
は、アップリンクメッセージを送信して応答する。図1
3では、メッセージUM11313が8スロットにおい
て送信されている状態を示してある。8スロット全てを
要するのは、メッセージングモードのアップリンク範囲
がダウンリンク範囲と匹敵するようにこのアップリンク
信号のSNRを向上させるためである。
【0064】位置決定モードでは、質問器103はダウ
ンリンクDA1101を送信する。このコマンド122
0フィールドはタグに位置決定モードが所望されている
ことを指示し、また、各々がタグアドレス1230フィ
ールドに自分のアドレスと合致するものがあるか判断で
きるように全てのタグがダウンリンクDA1101を取
ることを継続することを指示する。タグアドレス123
0フィールドにアドレスがあるタグは、アップリンクメ
ッセージを送信して応答する。図13では、メッセージ
UL11314が8スロットにおいて送信されている状
態を示してある。8スロット全てを要するのは、メッセ
ージングモードの理由と同じである。この技術を用い
て、異なるスロットにて送信することにより質問モード
メッセージ(UI1、UI2等)は、アップリンクUA
1103を共有できる。
【0065】上に示した標準的な質問モードの後、質問
器103は質問モードアップリンクデータ速度で特定の
タグからデータを受信することを望むとする。幾つかの
方法により行えるが一態様では、質問器は「標準的な」
質問モードで行われるように特定のタグアドレス123
0を含む質問信号を全てのタグに送信する。この質問信
号は、このタグがデータメッセージ1240フィールド
にて指定して要求された特定のデータにて応答すること
を指示し、図13のアップリンクスロット機構を用いる
ことを指示する。即ち、可用スロットのサブセットのみ
にて要求データを送信する。質問モード信号の範囲内の
他のタグは可用スロットの外にてそれらの義務的データ
によって応答するか、又は質問信号はそれら他のタグを
サイレント状態にとどまらせる。別態様では、質問信号
は特定のタグが図13の全てのスロットにて要求データ
を送信することを指示し、また質問信号の範囲内の他の
タグ全てには別の指示の質問信号を受信するまでサイレ
ント状態であることを指示する。
【0066】次の問題は、同じ質問器103を用いて全
3動作モードをシステムがどのようにサポートするかで
ある。(a)時間分割多元接続(TDMA)、(b)周
波数分割多元接続(FDMA)の2態様があげられる。
【0067】TDMAでは、アップリンク信号は時共有
される。図1のように、各質問器103はアプリケーシ
ョンプロセッサ101とLAN102を介して通信す
る。LAN102はタイミング情報、質問器103との
データ伝送を提供する。お互い「無線接触」している各
質問器103を同じドメイン内にあるとする。「無線接
触」とは、他の質問器の範囲と重ならない図5の1質問
器の最大範囲のものである。このような質問器は他の質
問器と別のドメインにある。ドメインの例としては、建
物の1フロア、1フロアの部分があり、RFに関して他
のサブセットと絶縁されている。各ドメイン内では、全
ての質問器が時間同期されている。
【0068】アップリンクに対して別態様がある。例え
ば、各ドメイン内の質問器全てはアップリンク信号
(例、アップリンクUA1103)それぞれに対して同
じモードで動作する。これは3動作モードの間でアップ
リンクUA1103時限を時分割するのでTDMAと呼
ばれる。
【0069】別態様では、質問モードは他の2つのモー
ドと同時に進行する。従って、位置決定モード、メッセ
ージングモードはアップリンクUA1103時限を共有
するためにFDMAを用いる。全3モードはFDMAを
用いてアップリンクUA1103時限を共有できる。F
DMAを行うため、308の周波数源はプロセッサの黒
奥さん賞としてよく用いられる水晶を用いる。上の狭帯
域動作の章では、308は32kHzの水晶であり、サ
ブ搬送周波数は32kHz信号から得られた。回路を多
少拡張して307は2以上のサブ搬送周波数の生成をサ
ポートできる。ダウンリンク信号のコマンド1220に
おける情報に基づいてタグはどのサブ搬送周波数(複数
かもしれない)をそれらのアップリンク信号を送信する
のに用いるかを指示する。この方法により2以上のタグ
は同時にアップリンク信号を送信できる。なぜなら、質
問器は同時間に複数のサブ搬送周波数上のアップリンク
信号を復号できるからである(下を参照)。上のように
FDMAを用いると、あるタグが質問モード信号に応答
しているのと同じ時間に別のタグが位置決定モード信号
を別のサブ搬送周波数で応答することができる。低コス
トを実現するサブ搬送周波数の構成は下に述べる。
【0070】タグ設計 上にはMBS技術を用いたRFIDタグの基本的な運用
を述べた。ここでは、上の3モードをサポートする具体
的な技術を述べる。タグが位置決定モード信号に応答す
ることを望めば307はサブ搬送周波数fsを生成す
る。上の一態様では、サブ搬送周波数信号はデータで変
調されず、その信号は302ダイオードへと交流状態の
バイアス電流を共有するのに用いられる。従って、サブ
搬送周波数fsのアンテナとダイオードの間のインピー
ダンス合致を変えることとなる。
【0071】アップリンク信号の間、質問器が周波数f
cの純粋なCW音を送信すると仮定する。302が交互
に逆転し周波数fsでバイアスされて進められると、反
射信号は周波数(fc−fs)と(fc+fs)にある(こ
の混合プロセスのオーバートーンは無視する)。この信
号を質問器が受信すると、サブ搬送復調器212は周波
数fsの単一音となる。このサブ搬送周波数の存否は、
確認を受信したかを決めるのに用いられる。
【0072】別態様では、307はサブ搬送周波数fs
を生成し、そのサブ搬送上へ非常に低ビット速度でデー
タを変調する。得られる変調サブ搬送信号は、302ダ
イオードへ交流状態のバイアス電流を供給するのに用い
られ、従って、データにより変調されたサブ搬送周波数
sの反射信号を生成するように、アンテナとダイオー
ドの間のインピーダンス合致を変えることとなる。この
後者の態様は、一定音を単に送信することに加えて、タ
グはその状態を含む情報を送信するのに用いられる。両
方の場合、受信信号の信号強度を用いてタグの位置が決
められる。
【0073】タグが質問モード又はメッセージングモー
ドに応答することを望む場合、情報信号306がサブ搬
送周波数f上へと変調される。BPSK又はQPSK
変調を用いるとする。この信号を質問器103が受信す
ると、211の結果は周波数fの搬送波上へと変調さ
れたBPSK又はQPSK信号である。この信号はサブ
搬送fから復調して211を回復する。質問モードで
は211はビット速度50〜300kbpsであり、メ
ッセージングモードではかなり低いビットレートを用い
る(下参照)。異なる情報信号のデータ速度をサブ搬送
周波数f上へと変調する能力の実装は設計的には単純
である。
【0074】質問器設計 全3モードをサポートする質問器103の設計を議論す
る。反射信号は206により受信され、207により増
幅される。ミキサ208はホモダイン検出を行う。ミキ
サ208は復調信号のI及びQ両方の成分を作る。これ
らの信号はシステムの幾つかのところで再結合される。
フィルタ/アンプ210はフィルタリングプロセスの前
にこれらの信号を再結合することとする。
【0075】3モードをサポートする質問器103の実
装において、受信信号のフィルタリング、サブ搬送周波
数の選択、復調技術は重要である。第1に、サブ搬送周
波数の選択を考える。MBSシステムは「反射雑音」に
対処しなければならない。物体によっては蛍光のように
AC線周波数のオーバートーンのRF信号を変調・反射
する。従って、このような反射雑音はなるべく避けた
い。
【0076】実験により反射雑音はサブ搬送周波数が1
00kHzよりも大きければ減ることがわかっている従
って、サブ搬送周波数fsは100kHz以上であると
仮定する。。
【0077】第2に、タグにおけるサブ搬送周波数の生
成のしやすさがある。水晶を1MHzの倍数のような周
波数以外に3.5795MHzのような半端な周波数に
も使える。8MHzを使うと、fsの1又は2MHzへ
の計算が容易となるのでこれを想定する。
【0078】サブ搬送周波数は2つの理由により大きす
ぎてはならない。第1に、水晶が高価になるから、第2
に、サブ搬送からの情報信号の復調が複雑になるからで
ある。即ち、サブ搬送信号がサンプリングされると要求
するサンプリングレートは比例して大きくなってしま
う。従って、A/D変換器、DSPもパワフルなものが
必要となる。100kHz〜2MHzの間のサブ搬送周
波数が適切であると考える。
【0079】TDMAアップリンクを用いると、同じf
sは全3動作モードで用いられる。図2のフィルタ/ア
ンプ210はこれら全3モードにて同じ周波数を中心に
することができる。フィルタ/アンプ210のバンド幅
は、質問モードからのアップリンク信号である最大バン
ド幅信号を通過するのに十分広くあるべきである。例え
ば、アップリンク信号100kbps、QPSK変調を
想定すると、信号バンド幅は100kHzである。フィ
ルタリングアップリンク信号はサブ搬送復調器212に
送られる。質問モードでは例えば、100kbpsのQ
PSK情報信号が復調される。位置決定モード、メッセ
ージングモードではサブ搬送復調器212の更なる処理
を要する。質問モードにおける情報信号のバンド幅は、
100kHzである。これらモードのバンド幅を予測す
る。各フレームが継続時間であると仮定する。即ち、1
203のようなフレームのアップリンク部分は継続時間
約100msである。更に、メッセージングモードでは
全4ビットが送信されるとする。従ってQPSK変調を
用いると有効ビット速度は40bpsとなり、信号バン
ド幅は40Hzとなる。従って、フィルタ/アンプ21
0の出力はメッセージングモードが必要なものよりも2
500倍である。即ち、メッセージングモードの入信号
の雑音バンド幅(100kHz)は34dBここで必要
な40Hzよりも大きく、メッセージングモードの有効
範囲をかなり減少させる。これに対処するため上述の狭
帯域技術を用いる。位置決定モードではアップリンク信
号は一定音である。よってデータ速度は10bpsとな
り占有信号バンド幅は(ドップラーシフトなしで)10
Hzである。よってフィルタ/アンプ210からの入信
号の雑音バンド幅(100kHz)は40dBここで必
要な10Hzよりも大きく、範囲は大いに減少する。同
様に狭帯域路は技術を用いると、サブ搬送復調器212
は100kbps信号を復調し、またもっと低いバンド
幅信号をフィルタリング・復調するので、サブ搬送復調
器212にはDSPがよい。これは位置決定モードとメ
ッセージングモードの両方の受信信号強度を要するから
である。DSPを用いればA/D変換器も必要であるが
図示していない。
【0080】これらは以下のように実装する。フィルタ
/アンプ210は質問モード信号(1407、図14参
照)に必要なバンド幅(100kHz)の受信信号を最
初にフィルタリングする。サブ搬送復調器はDSPでも
よく、ASICやDSPの組合せでもよい。更なるフィ
ルタリングは不要なのでこれは質問モード信号1407
を復調するのに用いる。メッセージングモード、位置決
定モード信号1406に対しては、雑音バンド幅を上述
のように減らすために狭帯域フィルタリングを行うので
DSPがよい。このサブ搬送信号からデータを復調すべ
き場合は、公知の技術によりDSPを対応させる。代わ
りにDSPを全ての機能を行うようにしてもよい。この
場合同時間には1つずつである。また、更なるディジタ
ルフィルタリングや復調を行わせてもよい。
【0081】FDMAアップリンクを用いて、図14に
示すように、質問モードには1つのサブ搬送周波数fs1
を用い、メッセージングモード、位置決定モードには別
のfs2を用いる。図2のフィルタ/アンプ210は図1
4の両方の信号を通過させる。サブ搬送復調器212は
両方のアップリンク信号を同時に処理できることを要す
る。上のように値を想定する。即ち、質問モードの信号
バンド幅1403は100kHzで、サブ搬送周波数f
s1(1401)に位置し、また、メッセージングモード
の信号バンド幅1404は40Hzでありサブ搬送周波
数fs2(1402)を中心にするとする。
【0082】図15は、FDMAを用いるサブ搬送復調
器の例である。フィルタfs11501は応答がサブ搬送
周波数fs1の周辺にある。このフィルタfs11501を
高データレート復調器1503と共に用い、高データレ
ート信号1505を回復する。これは質問モードからの
アップリンク信号1407である。同様に、フィルタf
s21502はfs2の周辺に応答があり、低データレート
復調器1504と共に用い、低データレート信号150
6を回復させる。これはメッセージングモード又は位置
決定モードからのアップリンク信号(1406)であ
る。メッセージングモードと位置決定モードのバンド幅
は比較的類似しているので同じ低データレート復調器1
504を用いて各信号を復調するとする。、
【0083】上に基づき、fs2の配置は以下のようにす
る。フィルタfs1を合致(matched)フィルタ(sinx/
x)とする。fs2がこのフィルタの最初のゼロにて位置
するとする(合致フィルタ応答1405を見よ)。fs2
がこの位置なので、メッセージング又は位置決定アップ
リンク信号はフィルタfs1(1501)により激しくフ
ィルタリングされ、この信号は高データレート復調器1
503とほとんど干渉しない。fs2を中心とする質問モ
ードアップリンク信号は、フィルタfs21502が非常
に狭帯域なのでメッセージング又は位置決定アップリン
ク信号とはほとんど干渉しない。
【0084】サブ搬送復調器212をDSPにて実装で
きる。図15の機能を全て速く処理できれば実時間で行
える。DSP海苔点は前に述べた。
【0085】別態様では、フィルタfs21502と低デ
ータレート復調器1504両方の実装にDSPを用いる
ことができる。前述のTDMAの議論における態様であ
る。情報を中央制御要素へ供給できるように、低データ
レート復調器1504は受信信号の信号強度1507を
も出力すべきで、タグの位置を決定できる。
【0086】プロトコルパラメータの選択 上のプロトコルの多くのパラメータを選択することを考
える。以下の要素が重要となる。即ち、(1)質問モー
ドが同時に読みとりフィールドにおいてサポートすべき
タグはどのくらいの数か?(2)読みとりフィールドを
どのくらいの速度でタグは移動するのか?(3)質問モ
ードが動作すべき最大範囲はどのくらいか?である。上
の全ての要素は、最も重要なファクターである1フレー
ムの継続時間を決めるのに貢献させる。よって動作モー
ド3つは空間時間において競合する。
【0087】アプリケーションプロセッサ101がある
ドメイン内の全ての質問器に以下の指示を送るとする。
第1に、アップリンクアンテナパターン(図8の804
参照)へ移動するタグのいずれも質問されるように、質
問モードをサポートし続ける指示。第2に、タグ123
45の位置を決める指示。第2にタグ23456へテキ
ストメッセージを送る指示。タグがいつでも質問モード
のアップリンクアンテナパターン804に入ることがで
きるので、質問器は規則的に質問フレームを送信すべき
である。即ち、ダウンリンク信号はアップリンクアンテ
ナパターン804内のタグが質問モードで応答するよう
に要求する。質問フレームの規則的送信の周波数は上の
(1)〜(3)に基づく。質問モード応急を満足して他
の全てのフレームが質問フレームであるように決めたと
する。すると、最初の質問フレームの後、位置決定モー
ドフレームがタグ12345へ送信できる。更に、第2
の質問モードフレームが送信される。また別の質問モー
ドフレームが送信される。そしてもし適当な確認を受信
できない場合は位置決定モード又はメッセージングモー
ド指示が繰り返される。この方法により3動作モードが
時共有される。
【0088】アプリケーションインタフェース 図16は別の建物内通信システムと図1のRFIDシス
テムが相互接続する方法を示す。ボイスメールシステム
1610はLAN102を介してアプリケーションプロ
セッサ101と通信する。電子メールシステム1610
もLAN102を介してアプリケーションプロセッサ1
01と通信する。また、ボイスメールシステム1610
や電子メールシステム1610もサポートでき、これら
はLAN102を介してではなくアプリケーションプロ
セッサ101と直接接続してもよい。また、図16では
アプリケーションプロセッサ101は独立のように示し
てあるが、1以上の質問器103として提供してもよ
い。
【0089】人1に向かうメッセージがボイスメールシ
ステム1610により受信されるとする。またボイスメ
ールシステム1610がこのメッセージを重要であると
決め、人1が持っているタグへ送信すべきとする。ボイ
スメールシステム1610はいろいろな方法によりこの
重要度を判断できる。例えば人に促す場合がある。また
ボイスメールシステム1610が入メッセージを所定の
基準によりフィルタリングする方法がある。
【0090】人1が人2からの情報は常に促してほしい
ものとする。人1はボイスメールシステム1610に自
動的に人2の電話番号から発呼された場合は知らせるこ
とを要求する。これは番号識別機能を用いる。ボイスメ
ールシステム1610がメッセージを重要であると決め
たとすると、図1のRFIDシステムのアプリケーショ
ンプロセッサ101へと信号1620が送られる。アプ
リケーションプロセッサ101は全ての(又は、あるド
メイン内の全て)質問器103に重要なメッセージが到
着したことを人1のタグ105に知らせ、人2の名前お
よび/または人2の電話番号を含み、タグからの応答を
要求するメッセージングモード信号を送信するように指
示する。この応答がタグ105により受信されると、ア
プリケーションプロセッサ101、そしてボイスメール
システム1610へと渡され、メッセージの確認をす
る。タグが成功裏に受信したならばこのようなメッセー
ジを人1が受信する方法は前記Shoberのページャー特許
出願に記載されている。
【0091】電子メールシステム1610が電子メール
を受信すると同様な手順が行われる。電子メールアドレ
スのリストをサポートして、そのリストに入っている多
くの人にメッセージを送ることができる。
【0092】上述のようにRFIDシステムはタグのお
およその位置を決定できる。質問器103が建物全体に
配置され、定期的に質問モードメッセージを送るとす
る。タグは義務的データにより応答するとする。従っ
て、この時点において、(1)どの質問器義務的データ
を受信したか、(2)時間、にもとづいてそのタグの位
置をわかる。従って、図16において、成功した質問モ
ードトランザクション毎に質問器103がアプリケーシ
ョンプロセッサ101へタグの識別番号、タグとの通信
が成功した質問器103の位置、時間の各情報を少なく
とも有する。この情報は位置データベース1650に記
憶される。
【0093】ボイスメールシステム1610、電子メー
ルシステム1610又は他のシステム1660が人1の
位置を知りたいとする。アプリケーションプロセッサ1
01はまず位置データベース1650を検査して人1の
最新位置がファイル上にあるかを確かめる。その最新位
置が十分に最新であれば、位置データベース1650の
情報は適切となる。この情報により人1の位置を狭める
ことができる。アプリケーションプロセッサ101はド
メインを限定することができる。
【0094】人以外の動物、物に上の位置決定システム
を用いることができる。また、建物内のセキュリティ問
題に用いるのではなく、物の管理システム等に用いるこ
とができる。
【0095】緊急モード タグ105が最寄りの質問器103へデータを送信すべ
きであると決める場合を考える。この例として、タグ1
05が緊急事態を知らされた場合が想定できる。
【0096】このような緊急な要求を送信する方法は幾
つかある。タグ105は常にダウンリンク範囲にいるの
で、メッセージングモードに対しては常にアップリンク
範囲にいる。タグがメッセージングモード伝送を受信す
ると、特定のビットパターンのアップリンク信号で応答
することができ、質問器103のサブ搬送復調器212
により識別される。
【0097】代わりに、タグはメッセージングモード伝
送に応答し、通常用いるサブ搬送周波数とは異なるサブ
搬送周波数fを用いて送信する。これは「緊急チャネ
ル」である。この信号を受信するためには、サブ搬送復
調器212にフィルタf 1710および緊急チャネル
復調器1720の更なるデバイスを加える。図17には
この追加を示してある。フィルタf s3 1710と緊急
チャネル復調器1720は「緊急チャネル」のサブ搬送
周波数に常に同調されている。従って、タグ105は緊
急事態であることをアプリケーションプロセッサ101
へと常に知らせることができる。
【0098】
【発明の効果】以上述べたように本発明により、セキュ
リティ、位置決定、低速度データ通信アプリケーション
の各問題を解決するようなシステムを提供でき、変調バ
ックスキャッタを用いた無線周波数識別システムを単一
のシステムで単一のインフラでセキュリティ、位置決
定、低速度データ通信アプリケーションにて提供でき
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】無線周波数識別(RFID)システムの実施例
のブロック図。
【図2】図1のRFIDシステムで使用される質問器ユ
ニットの実施例のブロック図。
【図3】図1のRFIDシステムで使用されるタグユニ
ットの実施例のブロック図。
【図4】質問モード、ロケーションモード、メッセージ
ングモードの各範囲の関係を表す図。
【図5】質問モード、ロケーションモード、メッセージ
ングモードのアップリンク範囲、及びこれら全てのダウ
ンリンク範囲の関係を表す図。
【図6】建物の天井における全方向性アンテナの取り付
け構成を示す部分断面側方図。
【図7】建物の天井における全方向性アンテナの取り付
け構成の別の態様を示す部分断面側方図。
【図8】アップリンクアンテナパターンとダウンリンク
アンテナパターンの関係を示す上視図。
【図9】2つの受信アンテナからの入力を結合する構成
を示すブロック図。
【図10】2つの受信アンテナからの入力を切り替える
構成を示すブロック図。
【図11】ダウンリンク、アップリンク信号のフレーム
構造を示す時間フレーム図。
【図12】ダウンリンク信号がどのようにサブ分割され
るのかを示すグラフ図。
【図13】アップリンク信号がどのようにサブ分割され
るのかを示すグラフ図。
【図14】メッセージングモードのアップリンク応答の
位置を示す帯域グラフ図。
【図15】図2のサブ搬送復調器がどのように2つのサ
ブ搬送チャネル上の復調をサポートするのかを示すブロ
ック図。
【図16】図1のRFIDシステムがどのように電子メ
ール、ボイスメールシステム等に相互接続されるかを示
すブロック図。
【図17】図2のサブ搬送復調器がどのように緊急チャ
ネル上の復調をサポートするのかを示すブロック図。
【符号の説明】
101 アプリケーションプロセッサ 102 ローカルエリアネットワーク(LAN) 103、104 質問器 105、106、107 タグ 200 プロセッサ 200a 情報信号 201 無線信号源 202 変調器 203 送信器 204 送信アンテナ 206 受信アンテナ 207 低ノイズアンプ 208 ミキサ 209 復調信号 210 フィルタ/アンプ 211 情報信号 212 サブ搬送復調器 213 情報信号 214 信号 301 アンテナ 302 検出器/変調器 303 アンプ 304 クロック回復回路 305 プロセッサ 306 情報信号リード 307 変調器制御回路 308 サブ搬送周波数源 310 電池 311 変調サブ搬送信号 312 リード 601 床 602 天井 603 アンテナケーブル 604 接地面 605 アンテナ 606 レードーム 607 アンテナパターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 平5−508017(JP,A) 欧州特許出願公開750200(EP,A 1) 欧州特許出願公開750201(EP,A 1) 英国特許出願公開2193359(GB,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H04B 1/59

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 タグと質問器と制御要素とを有し、前記
    制御要素は質問器へデータを送信し、前記質問器はタグ
    へ変調無線信号を送信し、前記タグは反射変調信号を生
    成し、前記質問器がこれを受信する通信システムにおい
    て、 前記質問器は、前記制御要素から受信したデータから第
    1情報信号を生成する生成器を有し、 前記質問器は、前記第1情報信号に応答して、無線信号
    を前記第1情報信号で変調して変調無線信号を生成する
    変調器を有し、 前記タグは、サブ搬送信号を生成する生成器と、第2情
    報信号を用いて前記サブ搬送信号を変調して変調サブ搬
    送信号を生成する変調器とを有し、 前記タグは、前記変調サブ搬送信号を用いて、前記変調
    無線信号の反射を変調して、前記反射変調信号を生成す
    るバックスキャッタ変調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号を復調して、前記第2
    情報信号を回復する復調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を決定し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を前記制御
    要素へ送信し、 前記制御要素は、前記反射変調信号の信号強度を用い
    て、前記タグの位置を決定することを特徴とする通信シ
    ステム。
  2. 【請求項2】 前記制御要素は、前記タグの位置を決め
    る要求を前記質問器へ送信することを特徴とする請求項
    1のシステム。
  3. 【請求項3】 前記制御要素は、前記タグの現在の位置
    を他の通信システムと通信することを特徴とする請求項
    1のシステム。
  4. 【請求項4】 データベース内に、前記タグの位置を記
    憶する記憶媒体を更に有することを特徴とする請求項1
    のシステム。
  5. 【請求項5】 データベース内に、前記タグの位置の履
    歴を記憶する記憶媒体を更に有することを特徴とする請
    求項1のシステム。
  6. 【請求項6】 前記質問器は、レードームにより覆われ
    たドロップ天井に取り付けられたアンテナを更に有する
    ことを特徴とする請求項1のシステム。
  7. 【請求項7】 前記質問器は、レードームにより覆われ
    たドロップ天井に取り付けられたアンテナを更に有し、
    このアンテナは接地面を有し、 前記接地面が、前記ドロップ天井の上に位置することを
    特徴とする請求項1のシステム。
  8. 【請求項8】 前記質問器は、アンテナを更に有し、前
    記アンテナは、地平面と平行に取り付けられた接地面、
    及び前記接地面から下方に突き出たモノポールを有する
    ことを特徴とする請求項1のシステム。
  9. 【請求項9】 前記質問器は、送信アンテナ及び受信ア
    ンテナを更に有し、これらアンテナのアンテナ利得の相
    違は3dBi以上を超えることを特徴とする請求項1の
    システム。
  10. 【請求項10】 前記質問器は、送信アンテナ及び受信
    アンテナを更に有し、これらアンテナのアンテナ利得の
    相違は3dBiを超え、 前記送信アンテナは、地平面と平行に取り付けられた接
    地面と、前記接地面から下方に突き出たモノポールを有
    することを特徴とする請求項1のシステム。
  11. 【請求項11】 前記質問器は、複数本の受信アンテナ
    を更に有することを特徴とする請求項1のシステム。
  12. 【請求項12】 前記質問器は、複数本の受信アンテナ
    を更に有し、 前記質問器は、前記複数本の受信アンテナからの信号を
    結合することを特徴とする請求項1のシステム。
  13. 【請求項13】 前記質問器は、複数本の受信アンテナ
    を更に有し、 前記質問器は、前記複数本のの受信アンテナからの信号
    を切り替えることを特徴とする請求項1のシステム。
  14. 【請求項14】 前記質問器は、前記タグに前記第1情
    報信号を送信することを特徴とする請求項1のシステ
    ム。
  15. 【請求項15】 (A)質問器と、 (B)タグとを有する通信システムにおいて、 前記質問器は、第1情報信号で無線信号を変調して変調
    無線信号を発生させ、前記変調無線信号をタグへ送信
    し、 前記タグは、前記変調無線信号を受信し、この変調無線
    信号から反射変調信号を生成し、 前記タグは、サブ搬送信号を生成する生成器と、第2情
    報信号を用いて前記サブ搬送信号を変調して変調サブ搬
    送信号を生成する変調器とを有し、 前記タグは、前記第1情報信号に基づいて、前記第2情
    報信号を生成し、 前記タグは、前記変調サブ搬送信号を用いて前記変調無
    線信号の反射を変調して前記反射変調信号を生成するバ
    ックスキャッタ変調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号を復調して前記第2情
    報信号を回復する復調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を決定し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度に応じて、
    前記タグが前記第2情報信号を変えるべきかを決定し、 前記質問器は、この決定に前記第1情報信号を適合させ
    ることを特徴とする通信システム。
  16. 【請求項16】 前記第2情報信号を変えて、前記タグ
    の動作モードを変更することを特徴とする請求項15の
    システム。
  17. 【請求項17】 前記タグは、質問モードと、位置決定
    モードと、メッセージングモードのうち2つ以上のモー
    ドを採ることを特徴とする請求項16のシステム。
  18. 【請求項18】 (A)制御要素と、 (B)タグと、 (C)前記制御要素へ、特定の前記タグを位置決定する
    ための位置決定要求を送信する位置決定システムと、 (D)質問器とを有する通信システムにおいて、 前記制御要素は、前記質問器へ前記位置決定要求を送信
    し、 前記質問器は、変調無線信号を用いて前記タグへ前記位
    置決定要求を送信し、 前記タグは、そのタグが前記質問器から受信した位置決
    定要求の宛先かどうかの決定(以下、そのタグが宛先で
    あった場合を「肯定決定」という。)を行い、 前記タグは、肯定決定の場合にのみ、変調バックスキャ
    ッタ無線通信を用いて前記質問器へアップリンク信号を
    送信し、 前記質問器は、前記アップリンク信号の信号強度の測定
    を行い、前記制御要素へ1以上の測定値を送信し、 前記制御要素は、前記1以上の測定値を受信し、前記タ
    グの位置を決定し、得られた位置情報を前記位置決定シ
    ステムへ送信することを特徴とする通信システム。
  19. 【請求項19】 前記制御要素は、前記位置情報を記憶
    するデータベースを更に有することを特徴とする請求項
    18のシステム。
  20. 【請求項20】 前記データベースは、前記位置情報の
    履歴を記憶することを特徴とする請求項19のシステ
    ム。
  21. 【請求項21】 質問器へデータを送信する制御要素を
    有する通信システムの質問器において、 前記質問器は、タグへ変調無線信号を送信し、 前記タグは、前記質問器による受信のための反射変調信
    号を生成し、 前記質問器は、前記制御要素から受信したデータから第
    1情報信号を生成する生成器を有し、 前記質問器は、前記第1情報信号の生成器に応答して、
    無線信号を前記第1情報信号で変調して変調無線信号を
    生成する変調器を更に有し、 前記タグは、サブ搬送信号を生成する生成器と、第2情
    報信号を用いて前記サブ搬送信号を変調して変調サブ搬
    送信号を生成する変調器を有し、 前記タグは、前記変調サブ搬送信号を用いて前記変調無
    線信号の反射を変調して前記反射変調信号を生成するバ
    ックスキャッタ変調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号を復調して前記第2情
    報信号を回復する復調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を決定し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を前記制御
    要素へ送信し、 前記制御要素は、前記反射変調信号の信号強度を用い
    て、前記タグの位置を決定することを特徴とする質問
    器。
  22. 【請求項22】 タグを有する通信システムの質問器に
    おいて、 前記質問器は、第1情報信号で無線信号を変調して変調
    無線信号を発生させることができ、前記変調無線信号を
    タグへ送信し、 前記タグは、前記変調無線信号を受信し、この変調無線
    信号から前記質問器による受信のための反射変調信号を
    生成し、 前記タグは、サブ搬送信号を生成する生成器と、第2情
    報信号を用いて前記サブ搬送信号を変調して変調サブ搬
    送信号を生成する変調器とを有し、 前記タグは、前記第1情報信号に基づいて、前記第2情
    報信号を生成し、 前記タグは、前記変調サブ搬送信号を用いて前記変調無
    線信号の反射を変調して前記反射変調信号を生成するバ
    ックスキャッタ変調器を更に有し、 前記質問器は、前記反射変調信号を復調して前記第2情
    報信号を回復する復調器を更に有し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を決定し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度に応じて、
    前記タグが前記第2情報信号を変えるべきかを決定し、 前記質問器は、この決定に前記第1情報信号を適合させ
    ることを特徴とする質問器。
  23. 【請求項23】 質問器を有する通信システムのタグに
    おいて、 前記質問器は、第1情報信号で無線信号を変調して変調
    無線信号を発生さ、前記変調無線信号をタグへ送信し、 前記タグは、前記変調無線信号を受信し、この変調無線
    信号から前記質問器による受信のための反射変調信号を
    生成し、 前記タグは、サブ搬送信号を生成する生成器と、第2情
    報信号を用いて前記サブ搬送信号を変調して変調サブ搬
    送信号を生成する変調器とを有し、 前記タグは、前記第1情報信号に基づいて、前記第2情
    報信号を生成し、 前記タグは、前記変調サブ搬送信号を用いて前記変調無
    線信号の反射を変調して前記反射変調信号を生成するバ
    ックスキャッタ変調器を更に有し、 前記質問器は、前記反射変調信号を復調して前記第2情
    報信号を回復する復調器を有し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度を決定し、 前記質問器は、前記反射変調信号の信号強度に応じて、
    前記タグが前記第2情報信号を変えるべきかを決定し、 前記質問器は、この決定に前記第1情報信号を適合させ
    ることを特徴とするタグ。
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