JP6040616B2 - 無線通信システム及びアレーアンテナ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、終端となる負荷インピーダンスを可変にしたアンテナを多数備えたアレーアンテナにおいて、負荷のインピーダンス値を制御することによって負荷変調を実現する無線通信システム及びアレーアンテナ制御方法に関するものである。

電子タグやＩＤタグと呼ばれる無線自動識別(Radio Frequency Identification、ＲＦＩＤと呼ぶ)システムが、バーコードに続く新しい自動認識媒体として注目を集めている。ＲＦＩＤシステムとは、微小な無線チップが収容されたカード（以下、タグと呼ぶ。）によって人や物品の認証や管理をする技術である。身近な例では、乗車カードや電子マネー、社員証などとして普及している。ＲＦＩＤシステムはタグとリーダとによって構成され、タグの持つ情報をリーダによって非接触で読み書きする。

タグは、アクティブ型とパッシブ型に大別される。アクティブ型のタグは、タグから識別信号（ＩＤ信号とも呼ばれる。）を送信する。
一方、パッシブ型のタグは、リーダからの読取信号を利用して識別信号を認証する。パッシブ型のタグは、構造が簡易で電源が不要である。このため、パッシブ型のタグは、小型で安価に量産できるため、ＲＦＩＤシステムの主流となっている。

図９は、従来のパッシブ型のＲＦＩＤシステム１００の構成を示すブロック図である。
図９に示すように、従来のパッシブ型のＲＦＩＤシステム１００は、リーダ用アンテナ１１０とタグ用アンテナ１２０からなり、リーダ用アンテナ１１０には送受分離回路１１２を介して送信機１１４と受信機となる受信負荷１１６が取り付けられている（非特許文献１参照）。

送信機１１４から発せられた高周波信号はリーダ用アンテナ１１０より送信され、タグ用アンテナ１２０に到達する。タグ用アンテナ１２０に到達した高周波信号は反射し再びリーダ用アンテナ１１０に戻る。

リーダ用アンテナ１１０に取り付けられた送受分離手段１１２によって戻った反射波は受信負荷１１６に到達する。タグ用アンテナ１２０には可変負荷１２２が取り付けられており、負荷インピーダンス値を制御することによって反射波の位相や振幅を変化させることが可能になる。このように、パッシブ型では，リーダとタグ間との通信には負荷変調方式が用いられている。負荷変調はタグ側のインピーダンスを変化させることで反射波を制御し、リーダに情報を送信する。

たとえば、負荷インピーダンス（Ｚ_Ｌ）を開放の大きな抵抗(∞Ω)、又は短絡の０Ωの何れかとし、ビット系列０、１を割り当てることによって、タグからリーダへ信号を伝達することが可能になる。

森田他、「次世代ICタグ開発最前線」、ＮＴＳ、２００６年

しかし、従来の無線通信システムでは、タグからリーダへ伝達する情報の量が増加した場合、伝送速度が遅いために伝達に時間がかかるという問題がある。

また、可変負荷の単位時間あたりの負荷インピーダンスを切り替える回数（シンボルレートと呼ばれている。）を増加させると反射波の周波数帯域が広がるため、多くの周波数リソースを消費する、あるいは他システムに帯域が及ぶ場合は干渉を生じるという問題がある。このため、高い伝送速度を得ることが困難であった。

本発明は上記課題に鑑み、高速伝送が可能となる無線通信システムを提供することを第１の目的とし、無線通信システムに用いるアレーアンテナ制御方法を提供することを第２の目的としている。

上記第１の目的を達成するため、本発明は、タグとリーダとを備えた無線通信システムであって、タグは、それぞれ可変負荷を有している複数のタグ用アレーアンテナと、可変負荷をそれぞれ独立して制御する終端条件可変回路とを具備し、リーダは、タグ用アレーアンテナに信号を送信する複数のアンテナからなる送信アレーアンテナと、タグ用アレーアンテナからの反射波を受信する複数のアンテナからなる受信アレーアンテナと、受信アレーアンテナに接続される復調回路とを具備してなり、無線通信システムが、タグ用アーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与えて受信アレーアンテナと復調回路を用いて反射波を観測し、タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与えて受信アレーアンテナと復調回路を用いて反射波を観測し、既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与えて受信アレーアンテナと復調回路を用いて観測した反射波と、既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与えて受信アレーアンテナと復調回路を用いて観測した反射波とを比較することを特徴とする。

上記構成において、可変負荷は、好ましくは、集中定数素子である。可変負荷は、好ましくは、ダイーオード又はトランジスタである。終端条件可変回路は、好ましくは、バイアス回路を備えている。

上記第２の目的を達成するため、本発明のアレーアンテナ制御方法は、アンテナ毎に個別の終端条件可変機構が接続されたタグ用アレーアンテナと、タグ用アレーアンテナに信号を送信する送信アンテナとタグ用アレーアンテナからの反射波を受信する受信アンテナとからなるリーダと、を備えた無線通信システムにおいて、タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え受信アンテナを用いて反射波を観測するステップと、タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え受信アンテナを用いて反射波を観測するステップと、既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え受信アンテナを用いて観測した反射波と、既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え受信アンテナを用いて観測した反射波とを比較するステップからなることを特徴とする。

本発明によれば、終端条件可変機構を有するアレーアンテナをタグ用アンテナとして用いることによって、多くの周波数帯域を占有することなくタグ用アンテナの数に応じて高い伝送速度を得ることが可能になる。

本発明の無線通信システムの構成を示すブロック図である。 終端条件可変回路の一例を示すブロック図である。 本発明の無線通信システムのＳパラメータを用いた等価モデルを示す図である。 複素平面上に配置した１６通りの反射係数γを示す図である。 図１の無線通信システムの制御を示すフロー図であり、（ａ）は送信アレーアンテナ、（ｂ）は受信アレーアンテナ、（ｃ）はタグ用アレーアンテナの制御を示している。 信号対雑音比が２０ｄＢにおいて、インピーダンスを４通り変化させたとき送信機の受信アンテナ１、２における受信信号点の例を示す図である。 雑音電力に対する伝送レートを示す図である。 リーダとタグとの間の距離に対するビット誤り率を示す図である。 従来のパッシブ型のＲＦＩＤシステムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の無線通信システム１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の無線通信システム１は、リーダ１０とタグ２０とで無線通信を行うシステムである。リーダ１０は、送信アレーアンテナ１２と受信アレーアンテナ１４とから構成されている。Ｍｔ本の複数のアンテナからなる送信アレーアンテナ１２は、アンテナ毎に個別の送信機１６を有している。Ｍｒ本の複数のアンテナからなる受信アレーアンテナ１４は復調回路１８に接続されている。送信アレーアンテナ１２の本数Ｍｔと受信アレーアンテナ１４の本数Ｍｒは、同じ数としてよい。

タグ２０は、タグ用アレーアンテナ２２を備えている。タグ用アレーアンテナ２２は、Ｍｐ本の複数のアンテナ２４とアンテナ２４毎に用意された可変負荷２６とこれらを制御する終端条件可変回路２８からなる。終端条件可変回路２８は各可変負荷２６を独立して制御が可能である。

タグ用アレーアンテナ２２、リーダ１０用の送信アレーアンテナ１２及び受信アレーアンテナ１４の各アンテナは、例えばダイポールアンテナ、グランドプレーンアンテナ、スロットアンテナ等を使用することができる。これらの各アレーアンテナ１２、１４、２２は２本以上のアンテナから構成される。

各可変負荷２６は、異なるインピーダンス値を有している複数の素子の内の任意の素子を選択する終端条件可変回路２８により制御される。異なるインピーダンス値を有している素子は、集中定数素子や分布定数素子を用いることができる。異なるインピーダンス値を有している素子は、集中定数素子と分布定数素子との組合せでもよい。素子としては、例えば、複数の抵抗、可変抵抗、可変抵抗特性の得られるダイオード又はトランジスタ等の能動素子を用いることができる。

図２は、終端条件可変回路２８の一例を示すブロック図である。
図２に示すように、終端条件可変回路２８は、タグ用アレーアンテナ２２の各アンテナ２４の給電点２４ａに接続されるｐｉｎダイオード２６ａと直流カット用のコンデンサ２８ｂとｐｉｎダイオード２６ａに接続されるバイアス回路２８ｃとから構成されている。アンテナ２４は、例えばダイポールアンテナである。ｐｉｎダイオード２６ａは、周波数に応じて選定すれば良く、例えばマイクロ波用ｐｉｎダイオードが用いられ得る。バイアス回路２８ｃからｐｉｎダイオード２６ａに順方向電圧が印加されると、アンテナ２４の給電点２４ａは抵抗が極めて小さい短絡状態となる。このとき、アンテナ２４の給電点２４ａの負荷は０Ωとなる。バイアス回路２８ｃからｐｉｎダイオード２６ａに逆方向電圧が印加されると、アンテナ２４の給電点２４ａは抵抗が極めて大きい開放（オープン）状態（∞Ω）となる。図２では、１本のアンテナ２４を示しているが、少なくとも２本以上のタグ用アレーアンテナ２２の各可変負荷２６が終端条件可変回路２８によって制御される。

また、上記条件の中間として、ｐｉｎダイオード２６ａに立ち上がり電圧よりも低い順方向電圧を印加すると、ｐｉｎダイオード２６ａは可変抵抗として動作する。この条件では、ｐｉｎダイオード２６ａを、開放と短絡の中間の抵抗とすることができる。この場合には、アンテナ２４の給電点２４ａの負荷を、開放と短絡の中間の抵抗とした終端状態を実現することができる。中間の終端状態を利用することによって負荷の値を２値以上の状態を実現できる。このため、例えば、負荷の値を４値の状態とした場合には、送信ビット数を２ビットとすることが可能になる。

リーダ１０の送信アレーアンテナ１２に接続される送信機１６は、例えば所定の周波数の正弦波を発生する。

リーダ１０の受信アレーアンテナ１４に接続される復調回路１８は、タグ用アレーアンテナ２２からの反射波を受信して、反射波の振幅と位相、つまり反射係数を測定する機能を備えている。この反射係数の値から、タグ２０に接続される可変負荷２６の負荷インピーダンスの値を求めることができる。

図３は、本発明の無線通信システム１のＳパラメータを用いた等価モデルを示す図である。Ｓパラメータは散乱行列とも呼ばれ、透過波や反射波を用いた測定方法である。基準インピーダンスＺ_０は通常５０Ωである。Ｓパラメータにおける反射係数等は、インピーダンスに変換ができ、スミスチャートや極座標等で表示される。
図３に示されている、（α_T1, ・・・ , αT_Mt）は送信アレーアンテナ１２からの信号、（α_P1, ・・・ , α_PMp）はタグ用アレーアンテナ２２からの信号、（b_T1, ・・・ , bT_Mr）は受信アンテナへの信号、（b_P1, ・・・ , b_PMp）は、タグ用アレーアンテナ２２への信号である。

受信アレーアンテナ１４への信号は、下記（１）式で表される。

ここで、S_RT，S_RP，S_PTは伝送を表す散乱行列であり、S_TT，S_PPはそれぞれ、リーダ１０のアンテナ，タグ２０のアンテナの反射や結合を表す散乱行列である。

タグ２０の負荷インピーダンスの反射係数であるΓは、α_Pをタグ用アレーアンテナ２２からの反射信号、b_Pをタグ用アレーアンテナ２２への入射信号とすると、下記（２）式で定義される。

負荷インピーダンスの反射係数であるΓは、タグ用アレーアンテナ２２に接続される負荷インピーダンスＺ_１、Ｚ_２・・・Ｚ_ＭＰと基準インピーダンスＺ_０とにより下記（３）式で表される。

タグ用アレーアンテナ２２に接続される負荷インピーダンスＺ_Ｒは、復調回路１８で測定された反射係数γから下記（４）式で求められる。

ここで、Ｚ_０は基準インピーダンスである。

これにより、タグ２０の可変負荷２６の負荷インピーダンスの取り得る値は、リーダ１０の受信アレーアンテナ１４に接続される復調回路１８で測定される反射係数γにより求めることができる。

一例として、伝送レートを４ビット／シンボル／タグ用アンテナとした場合を説明する。この場合、各ビットの可変負荷２６の負荷インピーダンスを∞Ω、又は短絡の０Ωの２通りとすれば、４ビットの場合の負荷インピーダンスは、２×２×２×２の１６通り存在することになる。

図４は、複素平面上に配置した１６通りの反射係数γを示す図である。図４の横軸が実数軸、縦軸が虚数軸である。図中の円の半径は１である。図４に示すように、１６通りの反射係数γが円内に配置されており、かつ、図示するように反射係数γのそれぞれが最も離れるように配置すれば、リーダ１０の復調回路１８で容易に識別される。

図５は、図１の無線通信システム１の制御を示すフロー図であり、それぞれ（ａ）は送信アレーアンテナ１２、（ｂ）は受信アレーアンテナ１４、（ｃ）はタグ用アレーアンテナ２２の制御を示している。
まず本制御の手順を開始すると、送信アンテナ、つまり、送信アレーアンテナ１２より信号を送信するものとする。信号は以降継続して送信されているものとする。ここで、信号は無変調の正弦波とすることができる。

次の段階はトレーニングフェーズと定義する。リーダ１０及びタグ２０の双方は事前にタグ用アレーアンテナ２２の終端条件のＮ通りの組合せを知っているものとする。これは、無線通信のトレーニング信号に対応する。トレーニングフェーズでは、最初にタグ用アレーアンテナ２２に１番目の終端条件の組合せを与える。
この組合せＺ_１を、下記（５）式で定義する。

次に、受信アレーアンテナ１４では1番目の終端条件を与えた場合の反射波を観測する。このとき観測される信号ベクトルｙ_Ｔ１を、下記（６）式で定義する。

この手順が終わると次の終端条件の組合せを与え、同様に反射波を観測するものとする。つまり、下記（７）式で表されるi番目の終端条件に対する反射波は、下記（８）式で表される。

以上のように異なる終端条件の組合せをＮ回与え、Ｎ通りの反射波[ｙ_T1,ｙ_T2，・・・,ｙ_TＮ]を受信アレーアンテナ１４で観測する。ここで、受信アレーアンテナ１４で観測される反射波は各受信アレーアンテナ１４毎に異なる値となる。

次の段階はデータ転送フェーズであり、タグ用アレーアンテナ２２に既知の終端条件の組合せの何れか、例えばｋ番目の終端条件の組合せを設定する。
次に、受信アレーアンテナ１４は反射波ｙを観測しトレーニングフェーズで観測された反射波と最も近いものを推定する。推定する際に、最尤推定を用いる場合、下記（９）式のようにしてiを求める。最尤推定を用いた受信方法は、最尤複合（Maximum Likelihood Detection、ＤＭＬ）と呼ばれている。

さらに、その後もタグ用アレーアンテナ２２は、データに応じてトレーニングフェーズで与えた何れかの終端条件の組合せに切り替えることによって、リーダ１０に向けて情報を伝達する。

本発明の無線通信システム１におけるタグ用アレーアンテナ２２では、以下のステップで制御される。
（ステップ１）
タグ用アレーアンテナ２２に既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え受信アンテナを用いて反射波を観測するステップ。
（ステップ２）
タグ用アレーアンテナ２２に既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え受信アンテナを用いて反射波を観測するステップ。
（ステップ３）
タグ用アレーアンテナ２２に既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え受信アンテナを用いて観測した反射波と、既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え受信アンテナを用いて観測した反射波とを比較するステップ。
ここで、受信アンテナは、無線通信システム１における受信アレーアンテナ１２である。

（無線通信システムのシミュレーション）
次に、本発明の無線通信システム１のシミュレーションについて説明する。
リーダ１０用の送信アレーアンテナ１２、受信アレーアンテナ１４、タグ用アレーアンテナ２２を全て２素子のダイポールアンテナとしてシミュレーションを行った。つまり、アンテナ数は２本である。
周波数は、２．４ＧＨｚ、リーダ１０側の素子間隔を１λ(λは真空中の波長である。)、タグ２０側の素子間隔を０．２５λとする。また雑音はガウス分布に従うものとする。
リーダ１０とタグ２０との間、送信アレーアンテナ１２と受信アレーアンテナ１４との間のチャネルは、リングモデルによって計算した。送信機１６、タグ２０、受信機とも水平面上にランダムに散乱体が分布するものとし、散乱体数はそれぞれ１０とした。
復号アルゴリズムには（５）式の最尤推定を用いる。負荷インピーダンスを変化させることでシンボルを表現し、シンボル長は負荷インピーダンスが切り替わる時間間隔とする。

図６（ａ）、（ｂ）に信号対雑音比（ＳＮＲ）が２０ｄＢにおいて、インピーダンスを４通り変化させたときの受信アンテナＡ、Ｂにおける受信信号点の例を示す。
図６に示すように、円が理想的な受信信号点であり、×は雑音が加えられた受信信号点である。この図から信号点数が図４で説明したように１６となり、４ビット／シンボルの伝送レートが実現できることが分かる。

図７は、雑音電力に対する伝送レートを示す図である。ここで、アンテナがタグ用アレーアンテナ２２である場合と、従来のシングルアンテナ（Single Input Single output、ＳＩＳＯと呼ぶ。）の構成について比較した。また伝送レートは、ビット誤り率（Bit Error Rate、ＢＥＲと表記する。）１０^−２を基準として多値化するものとした。送信電力は２０ｄＢｍとし、リーダ１０とタグ２０との間、送信機１６と受信機との間の距離を３ｍとした。
図７に示すように、伝送レートが４ビット／シンボルのとき、本発明の無線通信システム１の場合には、雑音電力がＳＩＳＯより８ｄＢ高くても同等のＢＥＲ特性を達成でき、本発明の効果である高速伝送が可能であることが確認できた。

本発明の無線通信システム１ではアンテナ数が２本の場合には、ＳＩＳＯと同等のビット誤り率を得る雑音電力の差は１７．３ｄＢであった。アンテナ数が４本及び６本の場合の雑音電力の差は、それぞれ２９．５ｄＢ、３１．８ｄＢ改善された。アンテナの本数が増えるほど改善されるが，その値は飽和してくることが分かった。

図７の結果から、多値化するほどその効果は大きく、本発明の無線通信システム１は高速伝送に適していることが分かる。

図８は、リーダ１０とタグ２０との間の距離に対するビット誤り率を示す図である。図８の横軸は、リーダ１０とタグ２０との間の距離（ｍ）であり、縦軸はビット誤り率である。送信電力は１０ｍ、２０ｄＢｍ、３０ｄＢｍと変化させ、ビット誤り率は、自由空間の伝搬損失を考慮したときの値である。アンテナ数は図７の場合と同様に、リーダ１０用送信アレーアンテナ１２、受信アレーアンテナ１４及びタグ用アレーアンテナ２２で、それぞれ２本である。雑音電力は−１００ｄＢｍで一定、伝送レートは４ビット／シンボルである。

図８に示すように、ＢＥＲが１０^−２であるときを基準とした場合、送信電力が１０ｄＢｍ（１０ｍＷ）では、４．１ｍ、３０ｄＢｍ（１０００ｍＷ）では１２．９ｍまで通信が可能であることが分かる。

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

１：無線通信システム
１０：リーダ
１２：送信アレーアンテナ
１４：受信アレーアンテナ
１６：送信機
１８：復調回路
２０：タグ
２２：タグ用アレーアンテナ
２４：アンテナ
２４ａ：給電点
２６：可変負荷
２６ａ：ｐｉｎダイオード
２８：終端条件可変回路
２８ｂ：直流カット用のコンデンサ
２８ｃ：バイアス回路

Claims (5)

1. タグとリーダとを備えた無線通信システムであって、
   上記タグは、それぞれ可変負荷を有している複数のタグ用アレーアンテナと、上記可変負荷をそれぞれ独立して制御する終端条件可変回路とを具備し、
   上記リーダは、上記タグ用アレーアンテナに信号を送信する複数のアンテナからなる送信アレーアンテナと、上記タグ用アレーアンテナからの反射波を受信する複数のアンテナからなる受信アレーアンテナと、該受信アレーアンテナに接続される復調回路とを具備してなり、
   上記無線通信システムが、
   上記タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与えて上記受信アレーアンテナと上記復調回路を用いて反射波を観測し、
   上記タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与えて上記受信アレーアンテナと上記復調回路を用いて反射波を観測し、
   既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与えて上記受信アレーアンテナと上記復調回路を用いて観測した反射波と、既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与えて上記受信アレーアンテナと上記復調回路を用いて観測した反射波とを比較することを特徴とする、無線通信システム。
2. 前記可変負荷は、集中定数素子であることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システム。
3. 前記可変負荷は、ダイオード又はトランジスタであることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システム。
4. 前記終端条件可変回路は、バイアス回路を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の無線通信システム。
5. アンテナ毎に個別の終端条件可変機構が接続されたタグ用アレーアンテナと、
   該タグ用アレーアンテナに信号を送信する送信アンテナと該タグ用アレーアンテナからの反射波を受信する受信アンテナとからなるリーダと、
   を備えた無線通信システムにおいて、
   上記タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え該受信アンテナを用いて反射波を観測するステップと、
   上記タグ用アレーアンテナに既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え該受信アンテナを用いて反射波を観測するステップと、
   既知である複数の終端条件の組合せを既知の順番で逐次的に与え該受信アンテナを用いて観測した反射波と、既知である複数の終端条件の組合せを任意の順番で与え該受信アンテナを用いて観測した反射波とを比較するステップからなることを特徴とする、アレーアンテナ制御方法。