JP4478648B2 - 無線周波数識別システムにおける受動タグの長距離読取り方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムに関し、特にこのようなシステムの一つ
において受動タグを読み取る方法及び装置に関する。

無線周波数識別システムは、自動料金徴収、電子棚ラベリング、店の在庫管理など様々
な用途で対象物を識別し追跡するのに用いられる無線通信システムである。このようなシ
ステムでは、質問局（無線トランシーバー）と識別し追跡すべき個々の対象物に付加され
たタグ（トランスポンダー）との間で通信が行われ、このタグが対象物についての適切な
情報（例えばシリアルナンバー、価格など）を運んでいる。

タグは能動型又は受動型にし得る。能動タグはタグ自体に記録された情報により変調さ
れ質問局に送信される無線周波数搬送波を合成する。受動タグの場合、質問局は無線周波
数の照会信号をタグに送信し、タグはタグに記録された情報によりこの信号を変調した後
に照会信号を用いてそのアンテナを付勢して受信信号を質問局に反射する。例えば店の在
庫管理に用いるＲＦＩＤシステムの場合のように安価なタグが必須の条件であるときはい
つでも受動タグが用いられる。本発明は受動タグを用いたＲＦＩＤシステムに関する。

受動タグを用いる従来の多くのＲＦＩＤシステムが直面する問題は、動作範囲が一般に
は１ｍ未満、例えば約８０ｃｍに限定されることである。その原因は、システムが動作す
る空間中に散在しているタグに対して質問局が質問できるように全方向性アンテナを使用
する必要性にある。したがってタグは質問局により伝送される総パワーのうちの小部分の
みを受信（及び反射）する。また、質問局及びタグにより送信される信号は壁や対象物が
載っている棚などで反射され得るので多くのノイズに影響される。よって、質問局とタグ
の間の距離が長すぎる場合には、タグを作動させるには信号が弱すぎ、タグにより送信さ
れる情報を質問局で確実に検出可能にするには信号対雑音比が低すぎる状況が起こり得る
。

受動タグＲＦＩＤシステムの動作範囲を広げる解決策が既にいくつか提案されている。
例えば、特許文献１には質問局が１つの送信用平面アンテナと平面アンテナの直線アレ
ーからなる受信用アンテナとを用いる特に貨物コンテナを追跡するためのシステムが開示
される。ビームの水平幅がダウンリンクビームの水平幅に比べて非常に小さくなるような
構成である。例えば、アップリンクビームについては水平のビーム幅３０°が示されてい
るが、ダウンリンクビームの水平ビーム幅は６０°である。ビーム幅の縮小によってアン
テナ利得がより高くなり、信頼性と動作範囲の両方について信号の性能が改善され、動作
範囲は数メートルまで広げられている。

しかしながらこの公知のシステムは依然として満足のいくものではない。これは質問局
において２つの異なるアンテナシステムを必要とするのでシステムをより複雑にし、よっ
てより高価にする。また、このシステムはアンテナの視線上のタグを検出できるだけであ
る。すなわち、システムは対象物が質問局のそばを通るときに対象物を識別するのに使用
できるが、倉庫、コンテナなどの内部での移動中に追跡することはできない。

非特許文献１には、基地局に送り返される信号の増幅だけでなく基地局により送信され
る照会信号の位相共役を行う能動回路を備えたＲＦタグが開示されている。この解決策に
より動作範囲が広げられ、基地局のアンテナの視線中にタグを存在させる必要がなくなる
。けれどもタグ中の位相共役器を用いるシステムは複雑かつ高価である。また、各タグに
電力を供給する必要もある。
ＵＳ６，１８４，８４１ Ｂ１ 「Ａｎ ａｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒｅｔｒｏｄｉｒｅｃｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ」，Ｒ．Ｙ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ他、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，４９（９），１６５８〜１６６２頁，２００１年９月

したがって、本発明の目的は、アンテナアレーを用いることによりＲＦＩＤシステムに
おいてタグを読み取る方法及び装置を提供することによって上記問題を解決することであ
り、目的とするシステムは、タグ中に能動回路を必要とすることなく長い動作範囲が実現
でき、またタグが質問局のアンテナの視線上に存在する必要がないのでタグ付き対象物の
追跡が可能である。

発明の概要
この目的は本発明により質問局により実行されるタグ応答の位相共役によって達成され
る。位相共役によってアンテナアレーは逆方向性になり、その結果、たとえタグがアレー
の視線上に存在しなくてもタグを追跡できる。アレーにより送り返される位相共役信号の
エネルギーは対応するタグ上に集中されるので、質問局からの所与の伝送パワーに対して
タグで受信する信号のパワーは、かなり長い動作範囲の場合であってもタグアンテナを付
勢し且つ十分高い信号対雑音比で反射信号を生じさせるのに十分である。

第１の側面では、本発明が提供する無線周波数識別システムにおいて受動タグを読み取
る方法では、アンテナアレーを備えた質問局が識別し追跡すべき対象物に付けられた受動
タグに向けて無線周波数の照会信号を送信し、各タグは夫々の対象物を識別する情報を受
信照会信号と関連付けて応答信号を形成し、質問局に向けて反射し質問局で処理する。ア
レー中の各アンテナで受信した応答信号の絶対値と位相が検出され、受信した各応答信号
に位相共役を行って夫々の位相共役信号を生成し、対象物の追跡のために位相共役信号が
受動タグに送り返される。

本発明の第２の側面によると、該方法を実行する装置が提供され、その質問局は照会信
号を送信し応答信号を受信するアンテナアレーを備え、該アレーに接続された制御ユニッ
トはアンテナアレーの各アンテナで受信した各応答信号の絶対値と位相を検出し一時的に
記憶するよう構成される。制御ユニットはまた位相共役器に接続され、この位相共役器は
対象物の追跡のために位相共役信号を受動タグに送り返すために受信信号の位相共役信号
を発生し、かつ位相共役信号をアンテナアレーに接続された無線周波数発生器に供給する
。
本発明の別の特徴は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
本発明は添付図面に関して非限定的な例として与えられた好ましい態様についての以下
の説明からよく理解されるであろう。

図１では、本発明を用いるＲＦＩＤシステムは複数の要素１０ａ…１０ｎからなる送受
信アンテナアレー１０（例えば、１０×１０アレー）を含んだ質問局と、識別及び追跡さ
れる対象物１２に各々付けられた複数の受動タグ又はトランスポンダー１１とを備える。
図中、この対象物の一つがＡ、Ｂ及びＣで表された３つの異なる位置に示されている。タ
グ１１は完全に従来型のものである。質問局はさらに、タグ１１が付けられた対象物１２
を識別及び追跡できるように照会信号を発生しかつタグ１１からの応答を処理する電子回
路を備える。電子回路はアンテナアレー１０に組み込まれ、後に図２に関して述べる。

Ｎ×Ｍ要素のアレーアンテナのボアサイト利得（Ｎ＞＞１、Ｍ＞＞１及びｄ＜λ）は、

として計算でき、ここでλは波長、ｄは要素間の距離、Ａはアンテナの面積Ａ＝（Ｍ−１
）（Ｎ−１）ｄ^２である。

例えば利得が１０ｄＢ以上の１０×１０のアンテナアレーを用いると、１０メートル以
上の動作範囲を容易に達成できる。

アンテナ１０の位置はシステムの特定の用途に依存する。例えば、貨物の輸送及び保管
の場合、アンテナ１０は貨物を出し入れする倉庫、コンテナ、トラックなど（以下「保管
室」という）のドアの側又はドアの上方に配置し得る。この図には倉庫の壁１３に配置さ
れたアンテナが示されている。

受動タグを用いる従来のＲＦＩＤシステムのように、質問アンテナ１０はこの種のシス
テムの既存の規制に従ったパワー及び周波数を有する無線周波数（ＲＦ）の照会信号を放
射する。例えば、このＲＦ信号は１２ＭＨｚ、８５０〜９５０ＭＨｚ、２．４〜２．５Ｇ
Ｈｚである。照会信号はタグ１２により受信され、タグ自体に記憶されたデータにより変
調された後、アンテナ１０に反射される。このＲＦ信号はデータをアンテナ１０に送信す
るのに必要な電力をタグに供給する。

本発明によると、アンテナ１０に接続された電子回路は、タグ１１から各アンテナ要素
１０ａ…１０ｎに到達した信号の位相共役を行い且つ位相共役信号をタグに向けて送り返
すよう構成される。位相共役によって、タグ位置を事前に知る必要性なくかつアンテナ１
０の視線内に存在させる必要性もなく、送り返される信号が関連のタグ１１に方向付けら
れる。よって、アンテナ１０は高レベルのアンテナ利得を維持しつつ全方向性の有効範囲
を提供する逆方向性アンテナアレーである。

この回路のブロック図を図２に示す。ここでも参照番号１０はアンテナアレーを示す。
回路はマイクロプロセッサ２０を備え、マイクロプロセッサ２０は受信器２２を介してタ
グ１１から受信した信号とタグに送信すべき信号とをＲＡＭ及び／又はＥＰＲＯＭなどの
メモリ２１と適当なプログラムコードとを用いて処理及び記憶する。タグ１１から受信し
た信号はマイクロプロセッサ２０により復号化され、マイクロプロセッサ２０により制御
される位相共役器２３で位相共役が行われる。位相共役器は当該技術において周知である
。一態様が例えばＲ．Ｙ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ他による上記論文に開示されており、この論
文では４要素逆方向性アレーと共に用いられる位相共役器が示され、ソースに送り返され
る信号の増幅も行われる。位相共役器２３の出力は無線周波数発生器２４に送られ、無線
周波数発生器２４は異なるタグ１１に照会信号及び追跡信号を発生する。一方の側のアレ
ー１０ともう一方の側の受信器２２及び発生器２４との間のサーキュレータ２５はアンテ
ナ１０からの受信経路とアンテナ１０への送信経路を分離する。

以下、明瞭にするため上述の貨物の輸送及び／又は保管を考慮しつつ図１と図２に関し
てシステムの動作を説明する。

上述したように、アンテナ１０は各要素１０ａ…１０ｎから照会信号を連続的に放射す
るので、これらの部分的な照会信号の結合により広角ローブが生じる。タグ付き製品１２
が現在の技術において標準的な距離にてアンテナ１０の側を通って（図１の位置Ａ）保管
室に入るとき、そのタグ１１はタグ上に記憶されたデータにより受信信号を変調した後に
受信信号を反射する。このように質問局は特定の製品１２（「ターゲット」）をロックす
ることができる。そこで、マイクロプロセッサ２０は受信した応答信号から従来の方法で
ターゲットを識別し、さらに各応答信号の絶対値及び位相を検出し一時的に記憶する。し
たがってマイクロプロセッサ２０は受信信号の位相共役信号をアンテナに供給しかつこの
位相共役信号をターゲット１２に送り返すように位相共役器２３とＲＦ発生器２４を制御
する。

この手順（「ターゲット追跡」）はターゲットが位置Ａから保管室内の位置Ｂ、Ｃまで
移動する間続けられる。位相共役の使用及び信号増幅のおかげで、アンテナ１０から位置
Ｂ及びＣまでの距離は従来の技術で可能なものよりもはるかに長くできる。

ターゲット１２がその最終位置に到達すると（例えば図１中の位置Ｃの棚１４に置かれ
ると）、マイクロプロセッサ２０はその特定のタグ１１から受信した信号の位相及び絶対
値がもはや時間的に変化しないことを検出し、最終位置をそのターゲットに関連したメモ
リ２１の場所に記憶する。実際には、アレーの各要素１０ａ…１０ｎで受信した信号の絶
対値と位相が記憶される。その瞬間から、ターゲット静止状態をチェックするため記憶さ
れた信号の位相共役信号が周期的に放射され、もしターゲット位置が変化すると追跡が再
開される。

何らかの理由でチェックが失敗したら、すなわち関係するタグから応答が得られない場
合には、マイクロプロセッサ２０は、最後に知っていた位置から開始してタグ付き製品の
種類と大きさ及び保管室内での配置に依存したステップにて例えば３次元グリッドパター
ンに従ってアンテナで保管室の空間スキャニングを行うことにより、探索手順を開始する
ことができる。スキャニング中、エコーパラメータ（振幅、絶対値及び位相）について反
復してチェックを行うことができ、最適なエコーを受信したときに位相共役を開始できる
。ここで用いられる「最適」なる表現は、信号パラメータがＲＦＩＤ技術の規格に適合す
ることを示す。

もちろん、上述したプロセスは保管室に入りその内部で移動しているすべての製品に対
して並行に実行される。
また追跡プロセスにより製品が保管室を出て行くのを検出することもできる。

動作を図３のフローチャートにも示す。ステップ３０では、床上の異なる高さで異なる
水平角度位置にて倉庫に入ってきている物品１２上のタグ１１を検出できるように、質問
局は広角ローブを放射することによりターゲットの検索を開始する。もちろん、この段階
では、アンテナアレー１０とターゲットとの最大距離は従来のシステムの動作範囲に対応
し得る。ステップ３１では、タグ１１からのエコー（すなわち応答信号）が受信されると
、質問局はタグが付された対象物の追跡段階を開始し、そうでなければステップ３０を繰
り返す。追跡段階では、ステップ３２にて受信エコー信号の位相共役を行い、場合によっ
ては増幅した後、元のタグに送り返される。ステップ３３では、タグ１１から受信した新
しいエコーを同じタグ１１から前に受信したエコーと相関させる。ステップ３４では、相
関が１かそうでないかがチェックされる。相関が１でなければ、質問局はステップ３２に
戻る。相関が１ならば、ステップ３５にて最後に受信したエコーの特徴（絶対値及び位相
）が記憶され、質問局はタグの静止状態についての周期的なチェックサイクルに入る。ス
テップ３６では、最後に受信したエコーの位相共役信号が送出され、ステップ３７ではエ
コーが受信されたか否かがチェックされ、このチェック結果が肯定的ならば、ステップ３
８にて受信エコーが記憶されたものと一致するか否かがチェックされる。それが肯定的な
場合には質問局はステップ３６に戻り、否定的な場合には質問局はステップ３２に戻って
タグ追跡が再開される。ステップ３７のチェックが否定的な結果で、タグがもはやアンテ
ナ１０からエネルギーを受信しないほど関連の対象物１２が移動していることを示してい
るならば、集束検索（上述したグリッドスキャニング）がステップ３９で開始される。ス
テップ４０にてエコーが検出されるまでスキャニングが続けられ、その後に質問局はステ
ップ３２に戻ってタグ追跡を再開する。

上記説明では本発明のシステムは個々の夫々のタグに向けて信号を送ることが明確に示
されている。したがって、伝送されるエネルギーはタグ上に集中し、タグの存在しない領
域中に分散しない。よって、位相共役を行わない全方向性アンテナ又はアンテナアレーを
用いた従来のシステムにより達成可能なものよりもはるかに長い距離離れても、タグを付
勢できかつ正しく読み取ることができる。また、位相共役により得られる逆方向性によっ
て、アンテナ１０とタグ１１との相互の位置がどんなものであっても対象物の追跡ができ
る。また、照会信号の送信とエコーの受信の両方に対して１つのアンテナアレーを用いる
ことによって本質的にシステムがより簡単になる。

上記説明は限定的でない例として与えられたものであり、本発明の範囲を逸脱すること
なく改変及び変更が可能なことは明らかである。

例えば、位相共役器とは別の増幅器により増幅を行うことができ、また追跡段階におい
てアンテナ１０とタグ１１との間での反復的な信号交換の代わりに空間スキャニングを用
いることもできる。

また、幅広のローブ連続波信号の代わりに、アンテナアレー１０はまず高強度の短イン
パルスを放射し、様々なタグから来るパルスを聞くことができる。これらのパルスの絶対
値と位相は各アンテナ要素について記録され、増幅され、位相共役されて再びターゲット
に向けて放射される。反復サイクルが開始され、すべてのタグからの信号を明瞭かつ正し
く受信するまで続けられる。このサイクル中、各反復はタグ上に伝送されるエネルギーの
集中における改善に対応しているので、反復ごとに放射電力を漸次減少させることができ
る。別の解決策を採用する場合、特に人がいるとき使用するシステムでは、電磁放射に関
する規制及び規格に従うべく更に注意を払わなければならない。しかしながら、例として
明細書に記載したものと同様の用途では最初の強いパルスを１回だけ送信しなければなら
ないので、代わりの技術をスタッフのいないとき使用することもできる（自動電子インベ
ントリ）。

本発明を用いたＲＦＩＤシステムの概略図である。 本発明の装置の電子回路のブロック図である。 本発明の方法のフローチャートである。

符号の説明

１０ アンテナアレー
１１ 受動タグ
１２ 対象物
２０ マイクロプロセッサ
２１ メモリ
２２ 受信器
２３ 位相共役器
２４ 無線周波数発生器
２５ サーキュレータ

Claims (19)

1. アンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）を備えた質問局が無線周波数照会信号を識別される受動タグ（１１）に向けて送信し、各タグ（１１）は該タグ上に記憶された情報を受信した照会信号に関連付けて応答信号を形成し、該応答信号を質問局に向けて反射し該質問局で処理する無線周波数識別システムにおいて受動タグ（１１）を読み取る方法であって、
   − アンテナアレーの各アンテナ（１０ａ…１０ｎ）で受信した各応答信号の絶対値及び位相を質問局で検出し、
   − 受信した各応答信号に位相共役を行って夫々の位相共役信号を発生し、
   − 該位相共役信号を受動タグ（１１）に返送し、
   − 質問局がタグ（１１）からの新しい応答を待ち、
   − 新しい各応答信号を前の応答信号と相関させて受信信号の絶対値及び位相を対比し、
   そして前記相関によりタグ（１１）が静止していることが分かるまで応答信号の位相共役、位相共役信号の返送、新しい応答信号の受信、及び新しい各応答信号と前の応答信号との相関の操作を反復して実行することを特徴とする方法。
2. 受動タグ（１１）に返送する信号の増幅を質問局で行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 照会信号が広角ローブ信号であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. タグ（１１）の静止状態の検出後、最後に受信した応答信号の絶対値と位相を質問局に記憶して安定なタグ位置を記録し、位相共役信号を記憶された位置に対して周期的にタグ（１１）に返送することにより静止状態が維持されているか否かをチェックし、静止状態のチェック中にタグ応答により位置の変化が分かったときにはタグ追跡のサイクルを再開することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 周期的にタグ（１１）に返送される位相共役信号がタグ（１１）に到達しない場合には、最後に記録されたタグ（１１）の位置から開始してタグ（１１）が位置する空間についての空間スキャニングを行うことによりタグ（１１）の探索を実行することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記タグの追跡のために、タグ（１１）が位置する空間についての空間スキャニングにより無線周波数照会信号をタグ（１１）に送信することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
7. 前記空間スキャニングのために、応答信号を特徴付けるパラメータを質問局で記録し、規格に適合したパラメータを有する応答信号を質問局で受信すると位相共役を実行することを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
8. 照会信号が高パワー短パルスであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. タグに返送される位相共役信号のパワーをタグ追跡中の反復ごとに漸次減少させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 質問局を備えた無線周波数識別システムにおいて受動タグ（１１）を読み取る装置であって、前記質問局は無線周波数照会信号を受動タグ（１１）に向けて送信し、夫々のタグが持っている情報と関連付けられた後に質問局に向けて反射される照会信号から各々構成された応答信号をタグ（１１）から受信し、また質問局が、
    − 前記照会信号を送信し前記応答信号を受信するアンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）と、
    − 前記照会信号の送信を制御しかつ応答信号を処理する制御ユニット（２０）であって、アンテナアレーの各アンテナ（１０ａ…１０ｎ）で受信した各応答信号の絶対値と位相を検出し一時的に記憶するよう構成され、アンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）による位相共役信号の返送の後に関連のタグ（１１）から新しい応答を受信し、該新しい応答を前の応答と相関させて受信信号の絶対値及び位相を対比し、そしてこの相関によりタグ（１１）が静止したと分かるまで応答信号の位相共役、位相共役信号の返送、タグ（１１）からの新しい応答信号の受信及び新しい各応答信号と前の応答信号との相関の操作を反復するよう構成される前記制御ユニット（２０）と、
    − 制御ユニット（２０）に接続され、各受信信号に位相共役を行って夫々の位相共役信号を発生する位相共役器（２３）と、
    − アンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）に接続されており、位相共役器（２３）から前記位相共役信号が供給され、前記位相共役信号を受動タグ（１１）に返送する無線周波数発生器（２４）と、
    を備えることを特徴とする前記装置。
11. 位相共役器（２３）が受動タグ（１１）に返送される信号を増幅するよう構成されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 制御ユニット（２０）は照会信号を形成する広角ローブ信号を放射するように無線周波数発生器（２４）とアンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）を制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記処理ユニット（２０）はメモリ（２１）に接続され、タグ（１１）の静止状態の検出後、この状態を示す応答信号の絶対値と位相が該メモリに記憶されてタグ（１１）の安定な位置を記録すること、及び前記制御ユニット（２０）は位相共役信号を記憶した前記位置に対して周期的にタグ（１１）に返送するように位相共役器（２３）及び無線周波数発生器（２４）を制御することを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. タグ（１１）に周期的に返送される位相共役信号がタグ（１１）に到達しない場合には、制御ユニット（２０）は最後に記録したタグ（１１）の位置から開始してタグ（１１）が位置する空間についての空間スキャニングによるタグの探索を開始するよう構成されることを特徴とする請求項１０又は１３に記載の装置。
15. 前記制御ユニット（２０）は前記相関の操作中にタグ応答によって位置の変化が分かったとき又は空間スキャニング中にタグ（１２）が見つけられたときにはタグ追跡を再開するよう構成されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 前記タグの追跡のため、制御ユニット（２０）はタグ（１１）が位置する空間についての空間スキャニングを実行するよう無線周波数発生器（２４）とアンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）を制御することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の装置。
17. 規格に適合するパラメータを有して質問局で受信した応答信号に位相共役を行うために、前記空間スキャニング中、制御ユニット（２０）は個々のタグ（１１）からの応答信号のパラメータを記憶し位相共役器（２３）を制御するよう構成されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 制御ユニット（２０）は照会信号を形成する高パワー短パルスを放射するよう無線周波数発生器（２４）とアンテナアレー（１０、１０ａ…１０ｎ）を制御することを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 制御ユニット（２０）はタグ追跡サイクルの反復ごとに位相共役信号の放射パワーを漸次減少させるよう構成されることを特徴とする請求項１８に記載の装置。