JP4125676B2 - マルチユーザ・システムでデータ通信を行うための方法とデバイス - Google Patents
マルチユーザ・システムでデータ通信を行うための方法とデバイス Download PDFInfo
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Description
2001年10月17日に出願されたガーニーら(Gurney,et al.)による「Channel Selection Method Used in a Communication System」という表題の米国特許出願第09/981031号(整理番号CM01960G)と、
2001年10月17日に出願されたクルマンら(Kuhlman et al.)による「A Method of Scrambling and Descrambling Data in a Communication System」という表題の米国特許出願第09/978890号(整理番号CM01962G)と、
2001年10月17日に出願されたガーニーら(Gurney et al.)による「A Correlation Method used in a Communication System and Apparatus」という表題の米国特許出願第09/982271号(整理番号CM01968G)と、
2001年10月17日に出願されたカフナーら(Kuffner et al.)による「Collision Mitigation Methods used in a Communication System」という表題の米国特許出願第09/982279号(整理番号CM01969G)と、
2001年10月17日に出願されたコリンズら(Collins et al.)による「Method and Device for Enabling and Disabling Group Transmissions」という表題の米国特許出願第09/981476号(整理番号IND10254)に関係する。
法が必要である。
本発明の好ましい実施形態では、一般に、一方向通信(送信元デバイスから送信先デバイスへ)を利用して、送信元デバイスの回路を簡略化しているため、送信元デバイスでは、受信器を使用する必要がない。
図2に示されているように、説明しているシステム内のタグ110により読取装置100に伝達されるデータ200は、後述のような測定されたデータまたは他のユーザ定義データなどさまざまな形をとることが可能である。本発明の好ましい実施形態では、伝達されるデータ200は、少なくとも1つの識別データ系列からなる。例えば、データ200は、96ビットの識別データを持つ少なくとも1つのEPCからなり、これについては、デビッドL.ブロック(David L.Brock)著「The Electronic Product Code」(MIT−Auto ID Center,January 2001)に概要が説明されている。EPC 200は、ヘッダ203、オブジェクト・クラス204、ベンダ・コード205、およびシリアル番号206により、システム内の各タグ(または商品)110を一意的に識別するために使用される。例えば、96ビットの情報により膨大な数の一意的ID(296〜8×1028、この数がいかに巨大であるかは、地球の質量が6×1027グラムであることからもわかる)が得られることに留意されたい。
200を持つ製品間の衝突は最小限である。複数経路伝送アルゴリズムおよびチャネル選択の詳細については、以下の第III節を参照し、衝突および衝突抵抗(collision resistance)の詳細については、以下の第V節を参照されたい。
は、k進数の多く(すべてではないが)は同じである)、後続のm個のk進数(後続のチャネル割り当てを決定するためにタグ110によって使用される)は約1/kmの確率で一致する。
1.1組のデータを第1の部分と第2の部分に分割し、
2.1組のデータの第1の部分に第1のスクランブル方法を実行して、データのスクランブルされた第1の部分を生成し、
3.1組のデータのスクランブルされた第1の部分で1組のデータの第2の部分を修正し、1組のデータの修正された第2の部分を生成し、
4.1組のデータの修正された第2の部分に第2のスクランブル方法を実行して、1組のデータのスクランブルされた第2の部分を生成し、
5.1組のデータのスクランブルされた第2の部分で1組のデータのスクランブルされた第1の部分を修正する。
1.1組のデータを第1の部分と第2の部分に分割し、
2.1組のデータの第2の部分で1組のデータの第1の部分を修正し、1組のデータの修正された第1の部分を生成し、
3.1組のデータの第2の部分に第1のスクランブル解析方法を実行して、1組のデータのスクランブル解析された第2の部分を生成し、
4.1組のデータの修正された第1の部分で1組のデータのスクランブル解析された第2の部分を修正し、1組のデータの修正された第2の部分を生成し、
5.1組のデータの修正された第1の部分に対し第2のスクランブル解析方法を実行する。
止すると、一般に、S−boxテーブルは非常に大きくなる。
際データ暗号化アルゴリズムなど)が知られている。このように機密保護レベルを高められることは、プライバシーが重視される用途(タグに機密にすべき医療または財務データが含まれる可能性がある用途など)の面から重要である。
好ましい実施形態の範囲に収まるタグ110のブロック図が図7に示されている。静電結合システムでは、アンテナ701は、導電性電極(例えば、容量性の板(capacitive plates))の対であるが、一般には、電磁場からエネルギーを回路内に結合する任意の方法とすることが可能である。タグ110に結合されている読取装置100から取り出される交流(「AC」)電力は電力変換装置703内で整流され、得られた直流(「DC」)はタグ110への給電に使用され、またタグ・エネルギー・モニタ704としても使用され、これによりさらに、通信が可能になる(それらの要素については後述する)。状態コントローラ705は、タグ・データ220および通信チャネル選択ブロック240上で動作し、送信情報を出力し、これは、チャネル変調装置708の制御の下で伝送素子702(当業でよく理解されている負荷変調素子など)に適用される。
indow)により、一般的に、タグの伝送は比例して狭くなる電力枠(power window)内に収まり、したがって、(例えば、非直交拡散符号を使用するスペクトル拡散システムのように)一部の通信システムに影響を及ぼす通常の遠近問題が緩和される。
ry profile)に対するある範囲の予想電力レベルを「学習」つまり記憶し、活動の履歴とともに電力レベルに与えられる優先度とともにそのパワー・スイープ(power sweep)をアレンジすることが可能である。後述のように、読取装置100が、起動しているタグがない電力レベルに1ステップ進むと、その状態が感知され(通常は、短いエネルギーまたは変調検出測定を通じて)、次の電力レベルに迅速に1ステップ進み、タグの全読み取り時間を最小にする。
複数の送信元(またはマルチユーザ)通信方法はすべて、本発明のようなある種のチャネル化方法を使用している。本発明では複数のチャネル化方法または手法のうちどれか1つを使用し得る。一般に、本発明で使用しているチャネル化方法は、直交チャネル化方法(orthogonal channelization methods)または疑似直交チャネル化方法(quasi−orthogonal channelization methods)の2つのカテゴリに分類可能である。
らなる。このアルゴリズムで採用している一般的な考え方は、各タグ110、120、130は各アルゴリズム経路で通信用に特定の(好ましくは一様ランダム)チャネルを選択するというものである。
でそれぞれ各タグの通信チャネルを選択し(240)、各タグに対するランダム化されたデータの第2の(および望ましくは異なる)バイト(例えば、222)を使用して、アルゴリズムの第2の経路上で伝送用のチャネルを選択し(240)、というように続ける。この複数伝送経路工程は、タグに格納されているデータすべてが尽きるまで(例えば、この例では16番目の経路が完了するまで。図2では、これは224に対応する)、または読取装置100がタグに伝送停止を指示する信号を送信するまで(一般に、上述のように704(1210)で第2の所定の条件が満たされることによりタグ110で感知される)続行する。データが尽きたら、任意選択により工程全体を繰り返すことが可能であるが、通常はタグは同じ(決定論的な)チャネルを選択する。不可避的に発生する衝突をランダム化するために各タグについて各アルゴリズム経路に対しランダムな一意的に決定されたチャネルを選択することが望ましいことにもう一度注意されたい(詳細については以下の第V節を参照)。
で説明する。
多くの場合、システム内に存在するタグの数(特定のパワーオン・レベルの)は、利用可能なチャネルの数を超えることすらありえる(特に、好ましい実施形態のアルゴリズムの始めのほうの経路で、または利用可能なチャネルの数が後述のように低く設定されている場合)。このような状況は、本発明では、直交チャネル化手段を使用した場合に完全に許容可能であるものである。通常のDS−CDMAシステム(疑似直交チャネル化符を使用する)は、その時点で過負荷になっていると考えられ、信頼し得る通信はいっさい行われない可能性があることに注意されたい(特に、タグの伝送特性について詳しい情報がない場合)。説明されているシステムでは、アクティブにされたタグ母集団は、以下の第V節で詳しく説明している、衝突緩和手法によりさらに効果的に減らすことが可能であるということが重要である。
0からの伝送経路の必要な個数(L)を大幅に減らすことが可能であることに注意されたい。一般に、説明しているシステムの他の実施形態では、上の式の中の値に制限はない。
100では、例えば(場合によっては、自己相関またはスペクトル特性を測定して)PN(チッピング(chipping))系列の周期を確認し、それに応じて動作(復調)するようにしなければならないであろう。
応用を制限することはない)。本発明の好ましい実施形態では、電力変換装置703が読取装置100からの搬送波信号を整流し、読取装置100が離れた場所からタグ110上の回路に電力を供給する。能動的に電力を供給するタグを使用することも可能であり、いかなる形でも本発明の使用を制限することはないことに注意されたい。本発明の一般的な目標は、タグ110の複雑度を最低限に抑えることであり、好ましい実施形態の説明されている手法を使用することにより、タグ110の回路を最小に保つことが可能である。
図13に示されているように、読取装置100は通常、送信レベル制御装置1320および増幅器1330により信号源1310の出力を初期化し、何らかの最小レベルの電力を送信することにより、タグ110、120、130の読み取り工程を開始する。好ましい実施形態では、次に、読取装置100はそのレベルの連続波の送信を開始する。読取装置100が特定の電力レベルで送信し始めると、通常、タグ110、120、130から戻る信号を監視する(結合デバイス1340およびアンテナ1345により)。この活動検出は、可能な通信チャネル(以下で詳述する)のそれぞれで信号レベルまたは信号振幅を検出するなどの、変調またはエネルギー検出測定の形を取り得る。この測定期間は、可能な限り短くするのが望ましく、特定の電力レベルでアクティブにされているタグがない場合、読取装置100は迅速に、次の電力レベルに1ステップ進むことが可能である(一般的には、増加する方向で)。特定の送信電力レベルで信号が感知された場合、読取装置100は完全な復調処理1390を開始し得る(場合によっては、以下の第V節で説明しているように、衝突緩和手法を採用する)。システムの他の実施形態では、一般性を失うことなく、読取装置100は、変調された搬送波信号、同期パルス、または非同期搬送波形を送出することも可能である。
、
関決定手法を使用して実現される。
に増大したm系列をチャネル化関数として使用し、また上述の復調手法を使用する。
ムがある。上記の高速相関決定手法は、それらのシステム内でも等しく効果的である可能性がある。
上述のように、タグ110、120、130で読取装置100との通信に使用することが可能な通信チャネルの数は、この(および任意の)通信システム内では限りがある。通信チャネルの数は限られているため、また複数のタグ間に組織だった割り当てはないため(つまり、ランダムな割り当てが実際には使用されている)、説明しているシステムはタグからの送信に衝突が生じることは避けられない。衝突は、2つまたはそれ以上のタグが同時(つまり、複数経路伝送アルゴリズムの特定の経路で)に同じチャネル上で通信することを選択する場合またはイベントとして定義される。本明細書の第I節に示されているように、タグに格納されているデータは一様ランダム・データに非常に近いため、割り当ては実際にはランダムであることに留意されたい。
取装置100で衝突緩和が使用されているかいないかに関係なく同じパターンを送信することに注意されたい。各タグ(例えば、110)は、実質的に、システム内に存在する他のタグ(例えば、120、130)からは認識されない。以下の追加ステップを実行すると、さらに、受信器内の復調工程が実行される。
信号が信号母集団(または複合受信信号)から能動的に除去される(差し引かれる)ことがない場合、衝突緩和はいっさい発生していないといわれる。その場合、読取装置100でさまざまなアルゴリズムを使用し、タグからのすべてのデータを正常に取得(または復調)することが可能である。この場合の一般的な考え方では、複数経路送信元デバイス伝送アルゴリズムの複数の経路のうちの少なくとも1つで一意的な(つまり、単一のユーザが占有した)通信チャネルを各タグが選択するのを待つ。この手法は、一般に、読取装置100内で利用可能な最も複雑度が低い識別方法であるが、一般的に、最も低速でもある(つまり、情報のやり取りにかかる全伝送時間が最も長い)。
ュレーション(試行回数1000回以上)から、50個のタグを識別するために平均7.73伝送経路を必要とすることがわかっているが、1000回の試行でタグを一意に識別するためには最大10個の経路が必要であった。したがって、読取装置100は、10個の経路の間与えられた電力レベルで電力オン状態を保ち、50個(程度の)タグすべてが一意的なチャネル上でそのデータを正常に送信したという十分な信頼性がありえる。ここでもまた、読取装置100は、IDデータを受信するため、いつチャネル上に1つのタグ110しかないかを判別することが可能であればよい。これにより、上の例で与えられた絶対最大16個の経路の代わりに10個の経路だけ実行したため、全取得時間の実質的短縮がなされることになる。詳細なシミュレーション、統計的または確率分析を適用して、他の信頼度レベルまたは与えられた数のタグに対する経路の数を決定することも可能であろう。いくつかの応用では、読取装置100は、最初に在庫調べをするときに最大数の経路を利用し、その後、システム内に存在すると予想される(または、測定もしくは観察された)数のタグに基づいて経路の数を調整することも可能であることに注意されたい。
緩和手法を使用しない実装よりも複雑である(例えば、より大きな処理能力、メモリ容量、またはハードウェアを必要とする)。しかし、このような手法を採用すると、一般的に、全タグ・データ取得(読み取り)時間はかなり短縮し、システム能力を大幅に高めることが可能である。ここでもまた、チャネルは疑似静的であると仮定しており、システムは比較的リニアであり、最良のシステム性能が得られる。
第2の経路)で解決可能な場合があり、さらにこれにより、すでに伝送の前の経路(例えば、第1の経路)または後続の経路(例えば、第3の経路)のいずれかで衝突していた他のユーザを解放することが可能である。新しいユーザからのデータが解決される毎に、再構成された信号がすべての伝送経路から(現在の経路まで)差し引かれ、衝突の回数も再び評価される(可能なすべての通信チャネルについて)。このようにして、読取装置100は利用可能な伝送経路をすべて(現在の経路を含み現在の経路まで)巡回し、どの経路でも(現在の経路まで)解決することが可能なユーザがそれ以上いなくなる時点に達するまで、さらに多くのタグ信号を実質的に連続して解決することが可能である。読取装置100は、その後、次の電力レベルに1ステップ進み、双方向衝突緩和アルゴリズムを続行する。この効果は、後の伝送経路で極めて強力である可能性があり、通信チャネルの利用可能な個数よりもかなり多いタグ信号を解決することが可能である。
これらのアルゴリズムのオペレーションは、例を使うと内容が最もよくわかるであろう。これらの例は、経路毎にランダム・チャネルを引き込むタグの簡素化された仮説的システムを詳しく示している。図21、23、および24は、この例を説明するために使用される、システムの状態図であり、アルゴリズムを通る後続経路毎に各タグが通信するため選択するチャネルを示している。例に示されている状態は、チャネルを選択するために乱数生成器を使用する実際の実験の元の出力である。物理チャネルの種類(例えば、符号位相、タイムスロットなど)はこの時点では無関係である。これにより、上の第I節で詳述したように本発明のデータ・スクランブル部分があるため、システム全体の比較的正確なモデルを用意しなければならない。
タグ2: 1106 2551 65...
タグ3: 4767 4416 41...
タグ4: 2044 6111 36...
タグ5: 6072 3355 74...
タグ6: 1476 5432 40...
タグ7: 5443 3675 34...
タグ8: 2135 5115 64...
タグ1は、経路#1でチャネル0を、経路#2でチャネル0を、経路#3でチャネル3をというように選択を続ける。タグ2は、経路#1でチャネル1を、経路#2でチャネル1を、経路#3でチャネル0をというように選択を続ける。このリストから、第1の8進数からチャネルを引く経路#1については、タグ1はチャネル0の単独占有者であり、タ
グ3はチャネル4の単独占有者であり、タグ5はチャネル6の単独占有者であり、タグ7はチャネル5の単独占有者であることがわかる。これらのチャネルには衝突がないため、タグ1、3、5、および7は全体として正常に識別されており、タグ1、3、5、および7は、衝突がなかったチャネルでその完全なIDを伝達した。しかし、経路#1では、タグ2および6は、チャネル1で衝突しており、タグ4および8はチャネル2で衝突している。これらのタグは、正常に識別することが不可能であり、後続の経路を解決する必要がある。読取装置100は、衝突が存在していることを観察し、印加されている電力を現在レベルのままにし、それによりすべてのタグが経路#2の第2の8進数から別のチャネルを引くことが可能であるようにする。タグにはIDを正常に伝達可能であったかどうかを知るすべがないことに注意されたい。
とP{衝突}=1−P{衝突なし}という事実から得られる。この同じ確率は、アルゴリズムを通る経路毎に衝突が少なくとも1回あるという確率である。タグとチャネルのこのような組み合わせについて、実験を100000回行って平均をとると、8個のチャネルのうち2.7498個は1経路当たり未占有であり、これらのチャネルのうち3.1386個は、単一タグを含み、1.5737個のチャネルは2つのタグを含み、0.4482個のチャネルは3つのタグを含み、0.0796個のチャネルは4つのタグを含み、0.0093個のチャネルは5つのタグを含み、7.2×10−4個のチャネルは6つのタグを含み、4×10−5個のチャネルは7つのタグを含み、1チャネル内に8つのタグというケースは記録されていなかった。
衝突緩和を行わない場合、タグは、識別されるために、チャネル内にすべて自力で現れていなければならない。実験を十分な回数行うことが許されていれば、このようなことが起こる。しかし、タグID 220情報内のビットの数は限られているため、繰り返しを開始する前に、実験は限られた回数しか実行することが可能でない。例えば、タグIDが96ビット長であり、1経路当たり3ビットを使用してチャネルを引いたとすると(8つのうち1つ)、32回の実験後にその工程が繰り返される。1経路当たり少なくとも1回の衝突があるという高い確率(このシナリオでは99.76%)なので、実験を介してタグのIDが経路毎に、また全経路にわたって衝突の中に「隠れる」ことがあり得る確率は小さいが有限の値である。これは、タグのID 220は全体にわたって異なるタグのIDと同じであることを意味しない(一意的なタグIDおよびスクランブルされたタグIDへの一意的な可逆マッピングがあるという仮定により許されていない)。これは、その経路についてチャネル空間を定義するために使用されている少数のビット(この場合、3)に関して調べたときに、タグのID 220は少なくとも1つの他のタグのIDと同じであると言っているに過ぎない。これにより、タグの在庫がある信頼度でしか判明していない、在庫または商品の不確定性という概念が導入される。
するかどうかを判別することが可能である。例えば、経路#2のチャネル0上の衝突には、2つの判明しているタグと1つの未知のタグが含まれていた。判明しているタグの信号レベルも判明していれば、衝突の総信号レベルを個々の信号レベルと比較して、衝突の中にさらに未知のタグが隠されているかどうかを判別することも可能であろう。このような環境では、衝突はすべて説明されるため隠されたタグがないことが確実であれば、すべてのタグが独立に識別された後(この場合、8経路)、読取装置100は問い合わせを終了することが可能である。
タグが個別に識別されると、後続のすべての経路に対するチャネルの選択が読取装置100側で判明する。タグの信号レベルおよび位相がさらに判明すれば、そのタグが衝突に関わる寄与分を0にすることが可能である。後続の衝突から、タグからの信号を本質的に除去することが可能であり、したがって、母集団からも実際に除去することが可能である。図23に示されている実験を考察する。タグ1、3、5、および7は、経路#1で正として識別されている。その信号レベルおよび位相も決定されていると仮定する。
読取装置100が前の経路からの波形サンプルを格納していれば、アカウンティング時間はさらに大幅に改善し得る可能性がある。波形が格納されていれば、前の経路をもう一度辿り、それを後続の経路として処理することが可能であり、そこから前の衝突を無効に
することが可能である。これは、タグが一度でも識別されると、それ以降のすべての活動が判明するだけでなく、前のチャネル選択および信号レベルもすべて、判明するからである。
Claims (22)
- 事前にスクランブルされて一様ランダム分布された、ランダム化された所定のデータを格納する工程と、
該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータに応答して、複数のチャネル選択からなるチャネル選択プロファイルを設定する工程であって、各チャネル選択は、該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの部分集合から導かれる前記工程と、
該チャネル選択プロファイルから選択された少なくとも1つの第1のチャネル上で、該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの少なくとも一部を送信する工程と、からなる方法。 - 各チャネル選択は、前記事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの特定の部分集合から導かれる請求項1に記載の方法。
- 前記送信する工程は、所定の条件が満たされた後に開始される請求項1に記載の方法。
- 電力レベルを受信する工程から更になり、該電力レベルが所定の閾値を超えたときに前記所定の条件が満たされる請求項3に記載の方法。
- さらに、所定の条件が満たされたときに送信する工程を停止する工程からなる請求項1に記載の方法。
- 電力レベルを受信する工程から更になり、該電力レベルが所定の閾値を超えたときに前記所定の条件が満たされる請求項5に記載の方法。
- 電力レベルを受信する工程から更になり、該電力レベルが所定の閾値を下回ったときに前記所定の条件が満たされる請求項5に記載の方法。
- 前記チャネル選択プロファイル内の第1のチャネル選択はチャネルの第1の集合から選
択され、前記チャネル選択プロファイル内の第2のチャネル選択はチャネルの第2の集合から選択され、該第1のチャネルの集合の中のチャネルの数は該第2のチャネルの集合の中のチャネルの数と異なる請求項1に記載の方法。 - 前記事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータは、スクランブル・アルゴリズムおよび暗号化アルゴリズムのうちの少なくとも1つのアルゴリズムに基づいて一様ランダム分布されるべく、事前にスクランブルされる、請求項1に記載の方法。
- 送信する前記工程は、スペクトル拡散変調を使用する請求項1に記載の方法。
- 前記複数のチャネル選択は、事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの一様ランダム分布に対応して一様分布する請求項1に記載の方法。
- 事前にスクランブルされて一様ランダム分布された、ランダム化された所定
のデータを格納する記憶媒体と、
該記憶媒体に接続された、事前にスクランブルされてランダム化された所定
のデータに応答して、複数のチャネル選択からなるチャネル選択プロファイル
を生成するためのチャネルセレクタであって、各チャネル選択は、該事前にス
クランブルされてランダム化された所定のデータの部分集合から導かれる前記
チャネルセレクタと、
該記憶媒体とチャネルセレクタとに接続された、該チャネル選択プロファイルから選択された少なくとも1つの第1のチャネル上で、該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの少なくとも一部を送信する送信機と、からなるデバイス。 - 前記チャネル選択プロファイルから選択された前記第1のチャネルは、前記チャネル選択プロファイルから選択された第2のチャネルに直交する請求項12に記載のデバイス。
- 前記チャネル選択プロファイルから選択された前記第1のチャネルは、前記チャネル選択プロファイルから選択された第2のチャネルに疑似直交する請求項12に記載のデバイス。
- 前記チャネル選択プロファイルから選択されたチャネルは特別に増大された疑似雑音系列を使用する請求項12に記載のデバイス。
- 前記デバイスは、能動デバイスおよび受動デバイスのうちの少なくとも一方である請求項12に記載のデバイス。
- 第2のデバイスと通信する複数の第1のデバイスからなるシステムであって、第1のデバイスはそれぞれ、事前にスクランブルされて一様ランダム分布された、ランダム化された所定のデータを格納し、
該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータに応答して、複数のチャネル選択からなるチャネル選択プロファイルを設定し、
該チャネル選択プロファイルから選択された少なくとも1つの第1のチャネル上で該ランダム化された所定のデータの少なくとも一部を送信し、
複数のチャネル選択はそれぞれ、該事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの部分集合から導かれ、
少なくとも2つの第1のデバイスは同期して送信する、システム。 - 少なくとも2つの第1のデバイスは同時に送信する請求項17に記載のシステム。
- 前記第2のデバイスは衝突緩和手法を実行する請求項17に記載のシステム。
- 複数の第1デバイスのうちの少なくとも1つは、多数のパスについて前記チャネル選択プロファイルから選択されたチャネル上で前記事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの少なくとも一部を送信し続け、経路毎に新しいチャネルが選択される請求項17に記載のシステム。
- 前記第2のデバイスは経路の数を制御する請求項17に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの第1のデバイスが前記第1の選択されたチャネル上で前記事前にスクランブルされてランダム化された所定のデータの前記少なくとも一部を送信する前に、前記経路の数が前記第2のデバイスに知られている請求項20に記載のシステム。
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