【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、変調バックスキャッタ技術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】

【発明が解決しようとする課題】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】装置の現在の状態をモニタリングするためにセンサーが用いられる。 センサーを用いた例としては、温度、圧力、又は機械的・生物学的装置の他の特性をモニタリングするために用いられる。 温度、圧力等を測定できる高価でないセンサーをマイクロプロセッサに取り付けて使うことができるほどにセンサー技術は進歩している。 しかし、これらのセンサーは中央制御装置へとその結果を報告しなければならない。

【０００６】別のセンサーにおいては、基地装置（質問器）に対するセンサー（タグ）の相対的速度を知るために用いられる。 例えば、電子料金回収システムにおいては、タグを識別するだけではなく、タグへデータを記憶しそれを取り出すことのみではなく、タグの速度を判断すること（例として、速度超過していること）が重要となる。

【０００７】セキュリティアクセスにおいては、タグを有する物体を識別し、タグの速度を判断し、また、タグが存在するかに関わらずタグの運動が読みとりフィールドの範囲内にあるかを判断することは有用である。

【０００８】セキュリティのアプリケーション以前に、
他のアプリケーションもセンサーの出力をモニタリングする能力を必要とする。 例えば、ポンプは、通常動作時においては特定の振動「兆候」を示すが、異常動作時には他の振動「兆候」を示す。 ポンプの振動兆候が通常状態から異常状態へと変わる時を確かめることが重要となる。

【０００９】本発明の幾つかの実施例においては、質問器に対するタグの相対的速度を決める機能、タグが存在していないときでも運動が読みとりフィールド内にあるかを判断する機能、タグに付いている装置（ポンプ等）
の振動兆候を決める機能等を行うＭＢＳ ＲＦＩＤシステムを用いる方法を開示する。

【００１０】この方法においては、１以上の質問器を有する高価でないＲＦＩＤ網を、ＲＦＩＤ機能、センサー機能、運動検出、及びセンサーデータ解析機能を行う手段により構築できる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の一実施例において、無線通信システムは、無線信号を生成、送信する質問器を有する。 無線通信システム内には１以上のタグ（トランスポンダ）が含まれる。 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、
これにより反射された変調信号を形成する。 質問器はこの反射変調信号を受信し復調する。

【００１２】この復調された信号の特性に基づき、質問器はタグの識別情報、及び質問器に対するタグの相対的速度を判断することができる。 また、質問器は、その質問器の周囲にて運動があるかどうかをタグが存在していなくても、別の運動検出システムを必要とせずに、判断できる。 また、復調信号の特性により、振動周波数のようなタグの運動の特性を判断するのに用いることができる。

【００１３】別の実施例においては、質問器は１以上のタグへと第１情報信号を送信してどのタグがバックスキャッタ変調手段を用いて応答すべきかを指定し、特定のタグの特性のみが判断される。 更なる別の実施例においては、タグはアナログデータを入力して、そのデータのＡ／Ｄ変換を行う。 このデータは次に、変調されたバックスキャッタを用いて質問器へと送信される。 代わりに、このデータはタグで行われる計算への入力して用いて、そのアナログ入力の周波数特性を解析する。 またタグは、これらの計算に基づいて、異常状態を識別してその存在を質問器へ知らせる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、ＲＦＩＤタグの識別情報を得るような従来のＲＦＩＤ能力と、運動及び速度の判断を統合する方法を提供する。 ＲＦＩＤ質問器は、タグからの反射ＭＢＳ信号に基づいてタグの特定の特性（例えば、質問器に対する相対速度、タグが振動する物体に取り付けられている場合の振動特性）を判断できる。

【００１５】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を介して複数の質問器１０
３、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。

【００１６】図１及び図２において、無線信号源２０１
は無線信号を合成し、変調器２０２はその無線信号に乗せて情報信号２００ａを変調し、送信器２０３はこの変調された信号をアンテナ２０４を通じてタグに送信する。 変調には、たとえば振幅変調が使用される。 振幅変調がよく使用される理由は、振幅変調にすると、タグが信号を復調する場合に一つの安価な非直線デバイス（たとえばダイオード）だけでできるからである。

【００１７】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。

【００１８】それから情報信号２００ａはアンプ３０３
によって増幅され、クロック回復回路３０４で同期回復される。 もし大量のデータがフレームで伝送されれば、
フレーム同期は例えば、フレームの開始を示す所定のビットパターンを検出することにより行われる。 このビットパターンはクロック回復回路３０４やプロセッサ３０
５により検出される。 このようなビットパターン検出は周知である。 また、マンチェスタ符号化データからクロックを回復する回路のようなクロック回復回路は周知である。 クロック回復回路３０４の出力情報はプロセッサ３０５へと送られる。

【００１９】プロセッサ３０５は典型的には安価な４ビット又は８ビットのマイクロプロセッサ及びその関連づけられたメモリであり、これは、実行する特定のプログラムに基づいて情報信号３０６を生成する。 情報信号３
０６は結局はタグ１０５から戻って質問器（例えば１０
３）へと送られる。

【００２０】情報信号３０６は変調器制御回路３０７に送られる。 変調器制御回路３０７は、情報信号３０６をサブ搬送周波数源３０８で生成されたサブ搬送周波数に変調して信号３１１を作るのに使用する。 周波数源３０
８は、たとえばプロセッサ３０５とは別個の水晶発信器、又は水晶発振器の出力から得られた信号でもよく、
また、プロセッサ３０５の内部にある信号から得られた周波数源（たとえばプロセッサ３０５の基本クロック周波数の法から）であってもよい。

【００２１】変調サブ搬送信号３１１は、検出器／変調器３０２が、タグ１０５から受信したＲＦ信号を変調して変調バックスキャッタ信号（たとえば反射信号）を生成するのに使用される。 これは例えば、変調サブ搬送信号３１１を使用してショットキー・ダイオードを入り切りすることによりアンテナ３０１の反射を変化させることによって実現される。 電池３１０又はその他の電源は、タグ１０５の回路に電力を供給する。 また、電力は誘電カップリング、マイクロ波を用いて受けることができる。

【００２２】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。

【００２３】例えば、サブ搬送の位相シフトキー（ＰＳ
Ｋ）（例えば、ＢＰＳＫ（バイナリＰＳＫ）、ＱＰＳＫ
（直角位相ＰＳＫ）、より複雑な変調方法（例えば、Ｍ
ＳＫ（最小シフトキー）、ＧＭＳＫ（ガウス最小シフトキー）））がある。

【００２４】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。）

【００２５】送信チェーン手段で使用した無線信号源２
０１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。

【００２６】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（ＤＳ
Ｐ）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。 変調信号２０９のＩチャネルとＱチャネルは、フィルタ／アンプ２１０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。

【００２７】相対的速度 まず、ＭＢＳシステムがどのように質問器と、例えば乗り物との間の相対的速度を決めているのかを説明する。
この例の場合、乗り物が測定時間の間、一定の方向、一定の速度で移動しているものと仮定する。 速度を決めるため、ＣＷ警察用ドップラーレーダーシステムと同様のＭＢＳシステムを用いる。 図４に示すような単純なドップラーレーダーシステムは、質問器４１０から送信されたＣＷ信号４２０を用い、この信号は移動自動車４４０
により反射される。 その反射信号４３０は、移動自動車のドップラーシフトによって、ＲＦ搬送波（ｆ _c 、４２
０参照）から周波数シフトされる。 レーダードップラーシフト（Δｆ）を相対的速度（ｖ）と関連づける式を以下の数式１に示す。 ｖ＝Δｆ＊λ／２ ・・・（１） ここで、λはＲＦ波（ｆ _c ）の波長である。 数式１が２
の係数を持っている理由は、レーダードップラーシフトにおいては２つ分のドップラーシフトがあるからである。

【００２８】周波数シフトΔｆは質問器４１０において以下のように検出される。 この方法を用いる質問器の詳細なブロック図を図５に示す。 無線信号源５０１はＣＷ
ＲＦ信号を生成し、これは送信アンテナ５０４を用いて送信器５０３により送信される。 この信号は、送信信号５１０と呼ばれる。 反射信号５２０は受信アンテナ５０
５により受信され、低雑音アンプ５０６により増幅される。 （ここで、レーダーシステムは単一の送信／受信アンテナを用いてもよい。）ミキサ５０７は、無線信号ソース５０１から来るＲＦソース（５０２）信号を混合し、信号５０８を作る。 （ミキサ５０７への入力と同じ無線信号ソースを用いると、ホモダイン検出を構成することになる。）周波数ｆ _cと、反射信号５２０の周波数の差（ドップラーシフト）はΔｆである。 信号５０８の周波数Δｆは周波数検出器５０９により決められ、制御プロセッサ５１０はΔｆの値を用いて相対的速度を決め、ＲＦ搬送波周波数ｆ _cは既知なので数式１を用いて質問器と自動車との間の相対的速度へと数学的に変換できる。 この時点においてあいまいさが存在することに留意する、上の流れにおいてはドップラーシフトΔｆの絶対値を決めることができるが、他の情報が存在すれば、
上の流れではΔｆの符号は決めることはできない。 即ち、質問器と自動車がお互い近づいているのか遠くなっているのかがわからない。 このあいまいさを解決するためには他のデータが必要である。

【００２９】速度決定の方法における旧来からの困難性としては、ドップラーシフトΔｆが小さくなることがあるということがある。 例えば、ＲＦ搬送波２．４５ＧＨ
ｚ、速度１０ｍ／ｓの場合を考える。 するとドップラーシフトΔｆは１６３Ｈｚになる。 ミキサ５０７の出力５
０８の雑音スペクトルを観察すると、位相雑音がこのベースバンド周波数において存在することが多く、特に、
送信アンテナ５０４と受信アンテナ５０５の間に不適切な隔離があるときには顕著である。 また、ほとんど全てのものがマイクロ波放射をある程度反射するので、レーダーシステムにおいては大量の反射が受けられる。 これは、「クラッター(clutter)」と呼ばれる。 さらに、レーダーの視野の機械的又は電子機器は、マイクロ波放射を反射するだけではなく、その反射を変調する。 例えば、ある速度で回転するモーターは、ＲＦ搬送波から周波数Δｆ離れた周波数において変調された反射を発生させる。 これらの変調された反射は、速度が測定されている物体のドップラーシフトされた反射と区別することは難しくなる。

【００３０】ドップラーシフトされたサブ搬送ここでは、ドップラーシフトされたサブ搬送を用いて、質問器が自身とこれに協力するタグの間の相対的速度を決める方法を開示する。 ここで、ＲＦＩＤシステムは、交流電源の電線の周波数と比べて、正確な周波数のサブ搬送ｆ
_s 、ディジタル信号処理、及びサブ搬送の正確な位置を用いることによって拡張された領域を達成することができる。 一実施例においては、周波数ｆ _sにおける狭帯域サブ搬送を用いる。 この狭帯域サブ搬送は、小さなノイズ帯域幅と、及びサブ搬送がＲＦ搬送周波数ｆ _cからｆ _s
離れた周波数に位置してクラッターノイズが大幅に減少することが原因で、より長い距離の範囲で検出される。

【００３１】狭帯域サブ搬送信号を用いてＲＦＩＤシステムのドップラー効果を考える。 簡明さのため、ＲＦＩ
Ｄタグが質問器に向かって移動しているものとする（Ｒ
ＦＩＤタグが質問器から離れる場合にも同様な解析が成り立つ。 ）。 Δｆを２方向のドップラーシフトとして用いる（数式１で用いたように）。 質問器１０３は周波数ｆ _cでＲＦ信号をタグ１０５へ送信する。 タグ１０５は周波数源３０８の範囲でサブ搬送周波数ｆ _sを生成する（図３参照）。 一実施例において、変調器制御３０７が更なる変調を行わないものと仮定する。 周波数ｆ _sは検出器／変調器３０２へと課され、この検出器／変調器３
０２は、ｆ _cの入来ＣＷ周波数と混合する。 この処理の出力は質問器１０３により受けられる。 即ち、周波数（ｆ _c ＋Δｆ）のドップラーシフトされた非変調反射６
０２と、周波数（ｆ _c −ｆ _s ＋Δｆ）のドップラーシフトされた変調反射６０４と、周波数（ｆ _c ＋ｆ _s ＋Δｆ）のドップラーシフトされた変調反射６０３である。 （ここで、受信信号が複雑な形式であっても同じ結果を得る。）図６には、これらの信号の相対的位置を示してある。 ミキサ５０７を通しての復調の後、図７のように信号５０９は現れる。 ドップラーシフトされた非変調反射６０２は、典型的なレーダーシステムにおいて処理される上述の信号である。 これは一般に数百Ｈｚのオーダーであり、従って低周波可聴音として検出できる。 ドップラーシフトされた非変調反射６０２は、ＲＦ場にある物体の相対的速度を決めるのに用いることができるが、複数のものはＲＦ場において異なる速度で移動し得る。 この場合、Δｆの値が異なる複数のドップラーシフトされた非変調反射６０２が存在し、どの反射がタグの移動を表すかが明確でなくなる。 このことは、どの信号が真のターゲットを表すか、及びどの信号が他の反射ソースからの「クラッター」であるかというレーダーにおける旧来からの問題である。

【００３２】従って、タグと質問器の間の相対的速度を測定するために、ドップラーシフトされたサブ搬送信号を用い、従って、それぞれベースバンド周波数（ｆ _s −
Δｆ）と（ｆ _s ＋Δｆ）におけるドップラーシフトされた変調反射である信号７０２と７０３に関心がある。 これら２つの信号の「帯域幅」、即ち、これらの信号の中央周波数の間の距離は、２Δｆである。 ここで、もし質問器とタグの間の相対的速度が一定ならば、受信した信号は周波数（ｆ _s −Δｆ）と（ｆ _s ＋Δｆ）における２つの音であり、これらの２音の間に信号はないことに留意する。 また上述のように、Δｆの符号の決定において基本的なあいまいさがあることに留意する。 １つが（ｆ _s
−Δｆ）、他方が（ｆ _s ＋Δｆ）にある２つの同一の信号があるので、更なる情報なしでは質問器とタグが近づいているのか遠ざかっているのかは決めることができない。

【００３３】従って、タグと図１の質問器と似ているＲ
ＦＩＤ質問器の間の相対的速度を決めるために、フィルターアンプ２１０によって信号５０８をフィルタリングし、増幅する。 このフィルタは、サブ搬送周波数ｆ _sを中心にして広がり、期待される最大の２Δｆ帯域幅信号を通過するのに十分に広い帯域幅を有する。 （実際には、旧来のＲＦＩＤ通信で同じシステムで相対的速度を測定するとフィルタアンプ２１０の帯域は場タグから質問器へのアップリンク信号を通過するのに十分に広い。
これらの信号は容易に帯域幅１００ｋＨｚ以上となり、
サブ搬送周波数ｆ _sを中心に広がる。 ）信号の帯域幅２
Δｆを検出するため、サブ搬送復調器２１２（通常のＲ
ＦＩＤ通信のために復調及びフィルタリングされた信号２１１から情報信号２１３を抽出するのに用いる。 ）
は、この場合、サブ搬送周波数ｆ _sにおいて存在する信号の「帯域幅」を測定するのに用いられる。 信号帯域幅２Δｆをわかると、数式１を用いて相対的速度ｖを求めることができる。

【００３４】サブ搬送周波数ｆ _sで存在する信号の帯域幅を測定するために、幾つかの方法を用いる。 ここで、
周波数ｆ _sは一般に、信号帯域幅２Δｆよりもかなり大きいことに留意する。 例えば、信号帯域幅２Δｆが３２
７Ｈｚのときに（速度１０ｍ／ｓ、ＲＦ搬送周波数２．
４５ＧＨｚにおいて）、サブ搬送周波数ｆ _sは３２ｋＨ
ｚ〜１ＭＨｚの範囲に渡る。 ２Δｆが実際はｆ _sよりもかなり小さいので、サブ搬送復調器２１２は信号を例えば１〜１０ｋＨｚのサンプル速度で予めサンプル化し、
サブ搬送復調器２１２内のプロセッサ５１０又はＤＳＰ
はその予めサンプル化した信号のフーリエ解析を行い、
存在する周波数モードを決める。 このフーリエ変換の結果は、（ｆ _s −Δｆ）と（ｆ _s ＋Δｆ）にある信号ｇ周波数ｆ _sの信号と混合した周波数Δｆの信号の結果を表すので、Δｆの直接的な測定になる。 ここで、Δｆの値を直接測定しているが、この値は周波数ｆ _sに依存しない。 ＲＦＩＤタグ１０５は、高価ではない水晶を用いて周波数ｆ _sを生成する。 例えば、この高価でない水晶は通常（±１００ｐｐｍ）の周波数の精度を有し、従って、３２ｋＨｚの水晶は、±３．２Ｈｚの周波数精度を有する。 上の測定においては、どの周波数領域に信号が存在するかを正確に知らないが、代わりに、信号の位置が決まればΔｆの値を正確に決めることができる。

【００３５】従って、ＭＢＳ ＲＦＩＤシステムは、幾つかの異なるモードで動作する。 質問モードと呼ばれる第１モードは、タグが質問器からの要求に応答するものであり、ＭＢＳを用いて質問器へデータを送信し返す。
速度モードと呼ばれる第２モードでは、質問器はタグにデータではなくサブ搬送トーンでもっと応答することを要求する。 そして上述の技術を用いて、ＲＦＩＤシステムはタグと質問器の間の相対的速度を判断する。 従ってこれら２つのモードを用いてＲＦＩＤタグは識別され、
タグと質問器の間の相対的速度が判断される。

【００３６】運動検出 次に、人が入り口を通ってシングルファイルで運動するような、セキュリティにおけるアプリケーションを考えてみる。 質問モードで動作し、その人に位置するＲＦＩ
Ｄタグは、ゲートに入ることを認証するメカニズムである。 更に正しい認証なしでは人はゲートをくぐることができないと想定しなければならない。 このことを達成する一つの方法としては、ゲートのすぐ周辺において運動があるかどうかを判断し、もし運動が検出されたにもかかわらず有効なタグが読まれなけれは、アラームが鳴ることになる。

【００３７】運動が存在するかの判断は、質問器のハードウェアに対して比較的少ない追加により達成できる。
図８は、周波数検出器５０９の機能を拡張する。 １つの実装例では、ミキサ５０７の出力はＩ（同相）及びＱ
（直角位相）の両方のチャネルを有する。 これらの信号は、単純な加算器を用いる等の１以上の従来技術を用いてコンバイナ８０３において結合される。 その出力信号は、２つの異なるフィルタ、フィルタ／アンプ２１０及びフィルタ／アンプ８０６を通り抜ける。 ８０６は、パスバンドが最大期待ドップラーシフト以下であるローパスフィルタである。 ８０６の出力は、可調周波数検出器８０７により処理され、これはＲＦフィールドにおける運動物体のドップラー周波数を判断する。 ８０７の高価でない実装は、警察用やスポーツ用のレーダーシステム、自動ドア開閉装置等の幅広い利用により可能になっている。 従って、質問器は、８０７の出力に基づいてＲ
Ｆフィールドにおいて運動が存在するかを判断できる。
また、２１０を信号が通る。 この２１０のフィルタ特性は、期待サブ搬送周波数ｆ _sが中心の信号で識別データを含む変調信号を通過させるのに十分なくらい大きな帯域幅（例えば、５０ｋｂｐｓのＢＰＳＫ信号に対して１
００ｋＨｚの帯域幅）が作られている。

【００３８】この能力は、質問器が別の動作モードを追加することを可能にする。 質問器はＲＦフィールドにおけるすべてのタグに向けられた質問メッセージを規則的に送信でき、これらのタグがその識別番号で応答することを要求する。 同時に、質問器はＲＦフィールドにおいて運動が存在するかどうかを検出する。 このような運動に対する質問器の感受性は、質問器が入口ゲートのすぐ近くにおける運動のみを検出するように合わせられる。
もし運動が検出されたが有効タグが検出されなかった場合、アラームが鳴る。 加えて、質問器に対するタグの速度は２１２により判断される。 ドップラーシフトされた反射信号がサブ搬送周波数を中心とするので、その信号は上述の「クラッター」効果の範囲からは遠くにあるが、ＲＦＩＤタグは取り付けられた物体よりも小さなレーダー断面を有する。 例えば、上述のあらかじめサンプリングする技術を用いて、従来のドップラーシフト技術（８０７の出力）を用いて可能なものより大きい範囲で、タグの相対的速度を判断することは、可能である。
従ってこの技術により、少ないハードウェアしか追加しないで質問器を運動検出器だけでなく、ＲＦＩＤ質問器として機能させることができた。 このことは、別々の運動検出システムの必要性をなくした。

【００３９】複雑な相対的運動−振動的解析 上の段落では、質問器に対するＲＦＩＤタグの相対的速度を測定する方法を議論した。 ＲＦＩＤタグが質問器に対して運動していて、その運動の方向が質問器からタグへの直の経路（視線と同じ）に沿っていると仮定する。
更に本発明を説明する利便のため、質問器からタグへの主要なＲＦ伝搬経路は直の経路であり、運動の振幅がｓ
ｉｎ２πωとして時間ｔに従って時変することと仮定する。 次に、速度（従ってドップラー周波数シフトΔｆ）
は、ｃｏｓ２πωｔに相当する。 時間ｔ＝０において、
速度は最大であり、ドップラーシフトされた変調反射７
０２、７０３は、お互いの距離が最大に離れている。 時間ｔ＝π／２では、ドップラー周波数シフトΔｆは速度が０なので最小である。 この場合２つのドップラーシフトされた変調信号７０２、７０３は、ドップラーシフトされていない周波数ｆ _sを中心とする単一の信号へと収束する。 従って、２１２は、速度が最大であるときに起こる信号の最大帯域幅２Δｆをまず検出しなければならない。 測定２Δｆにより、タグの最大速度が決められる。 しかし、これらの信号７０２、７０３は継続的に運動していて、最大距離離れた状態（ｔ＝０とｔ＝ｐ）から動き、単一の信号へと合併される（ｔ＝ｐ／２とｔ＝
２ｐ）のでこの信号には更なる情報が含まれる。 従って、この信号の時変度合いは、ＲＦＩＤタグが振動する周波数ωの測定を与える。 このようにして、２１２は周波数ｗをも測定する。 我々はこの技術を用いて２つの測定をすることができた。 即ち、最大速度ｖが計算されるΔｆと、振動周波数ｗである。 これら２つのパラメータからＲＦＩＤタグの運動を決めることができる。 関心事の残った唯一のパラメータ、振動の振幅は、上の２つのパラメータを与えられ、振動が正弦波である仮定を与えられると計算できる。

【００４０】２１２は、Δｆと振動周波数ｗの両方を決める機能を行う。 このことは、信号の周波数が変化し時間も変化するので、上の「単純な相対的運動」と比べていくらか難しい問題である。 ここでは、これらのパラメータを決める一方法を開示する。 図９は、ＤＳＰ９５０
とＡ／Ｄ９６０を用いてサブ搬送復調器２１２の機能を行うことを示している。 ２１０の出力は、２１２へ入り、２ｆ _sのサンプリングレートでサンプリングされる。 例えば、ｆ _sが３２ｋＨｚならば２ｆ _sは６４ｋＨｚ
である。 このサンプリングレートで動作するＡ／Ｄ変換器は、オーディオＣＤ装置が一般的なので容易に得られる。 例えば、Ｋサンプルのセットが採られて、ＤＳＰの記憶部へ記録される。 数Ｋは、受信信号の信号対雑音比を増加させ、測定を正確にするために十分に大きくあるべきである。

【００４１】サンプリングの後、ＤＳＰはデータを処理する。 ここで、この処理は十分に強力なＤＳＰを用いて少なくても一部は実時間で行うことが理想的である。 概念的には、サブ搬送周波数ｆ _sの近隣の周波数空間を幾つかの周波数の箱へと分割し、各箱における信号強度を計算する。 各箱に期待できる信号は、各信号は時変する値Δｆを有するので、時間平均された信号強度である。
各箱における信号強度を計算するために、１次元の固定フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いる。 ＦＦＴに対するＤＳ
Ｐアルゴリズムは容易に得られる。 各箱における信号強度を見つけると、Δｆを決めることができる。 周波数Ｄ
ｆを含む箱は、かなり大きい信号強度を有する最後の箱であり、次の箱はそれと比べてかなり小さい信号を有する。 かなり大きい信号強度を有する最後の箱を、箱ｊとする。 従って、Δｆの近似を箱の帯域幅の正確さでもって（Ｈｚ）で得ることができる。 このΔｆの正確さは、
速度ｖにおけるエラーとしてこれら２つのパラメータに関連する上の数式に基づいて発生する。 箱ｊが既知なので、箱ｊにおいて現れる信号周波数ωを決める。 上のＫ
サンプルのセットは次に、再び解析されΔｆの最大値を知ることができる。 上の箱のそれぞれの中の周波数成分の時間変位を次に決める。 この決定は、２次元有限フーリエ変換（２Ｄ−ＦＦＴ）により行う。 この種の計算は、振動解析において一般的であり、ここで必要とされる２Ｄ−ＦＦＴアルゴリズムは容易に得られる。 これらの計算の結果は、Δｆの値であり、これから速度ｖや振動ωの周波数を計算できる。

【００４２】上の議論においては振動モードが正弦波であることが仮定されていた。 しかし、正弦波でない振動モードである場合もある。 例えば、運動方向が質問器とタグの間の直の経路に沿っていないとき、正弦波振動は質問器により受信される際性格に正弦波として現れない。 これらの欠点を除いては、もし振動が周期的で十分に数学的スムースであれば（例えば、連続的な第１導関数を有する）、上で議論した方法は数学的にいまだ有効であり、関心事のパラメータを決めるためにＦＦＴアルゴリズムは有効な技術である。 ＲＦＩＤタグは、タグと質問器の間の直の経路の方向ではない方向へ運動し得るということに留意する。 更に、ＲＦ伝搬の主要な経路は、直の経路に沿った経路ではないことに留意する。 これらの問題は、図１０に示したように、タグのＲＦ領域において複数の質問器を配置することにより（少なくとも部分的には）解決できる。 ９１０は、１方向に振動する（図参照）。 この振動の方向は、質問器１（９２０）
により検出されないかも知れない。 しかし、質問器２
（９３０）がこの振動モードを検出するかも知れない。
タグ９１０が複数の方向を同時に振動しているならば、
両方の質問器から異なる振動モードに対する有用なデータを得ることができるということに留意する。

【００４３】この概念をタグのＲＦ領域内に３以上の質問器がある場合に、拡張することができる。 複数の質問器がある場合の一実施例では、システムは時間同期された質問器によって動作する。 例えば、質問器はタグがその識別番号で応答することを要求してダウンリンク情報を同時に送信する。 同様に時間同期された各質問器は、
タグがＭＢＳを用いてその識別番号に応じて応答するために、ＣＷトーンを送信する。 次に、質問器はタグが周波数ｆ _sの単一のサブ搬送トーンによって応答することを要求して、同様に時間同期されたダウンリンクメッセージを送信する。 各質問器は別々のＲＦ搬送周波数ｆ _c
で送信し、このことにより信号が各質問器によって他の質問器とは独立に受信、復号できる。 この方法により各質問器は、その質問器に対するＲＦＩＤタグの方向に依存して、ＲＦＩＤタグの相対的振動の独立な評価を提供する。 全体の無線通信システムは、各質問器からの入力データを取り入れて、タグの振動モードの全体の評価をすることができる。

【００４４】タグ計算 上の議論では、変調バックスキャッタ信号の特性の利点を用いて、タグ１０５が取り付けられた装置の運動特性を推論した。 ここでは我々はＲＦＩＤタグの能力の利点を用いて装置の運動特性を決める（例えば振動解析をする）。 まず、今日のマイクロプロッセッサは、集積回路上のＡ／Ｄ変換器により装備されていることが多い。 従って、議論したタグのアーキテクチャは、タグ１０５においてマイクロプロセッサ１０１０を用いることにより換えることができる。 図１１にはマイクロプロセッサのアーキテクチャを示し、これはセンサ入力が直接サンプリングされることを可能にする。 次にアナログ入力ポート１０２０はＡ／Ｄ変換器１０３０によりサンプリングされ、これはマイクロプロセッサ１０１０の集積された一部となっている。

【００４５】アナログ入力ポート１０２０は通常、０〜
Ｖ _ccボルトの入力電圧レンジを有し、ここでＶ _ccはマイクロプロセッサコア１０４０への供給電源の電圧であり、通常３ボルトである。 アナログ入力ポート１０２０
は、出力が０〜Ｖ _ccボルトであるセンサに取り付けられている。 タグ１０５は、上述のように質問器と通信することによりまず識別される。 次にタグは、情報信号２０
０ａ内に含まれる情報により指示され、センサー入力をサンプリングし始める。 上述のようにサンプリングレートは、サンプリングされた信号に存在する最大周波数の２倍以上でなければならない。 サンプルは、マイクロプロセッサコア１０４０においてバッファリングされる。
一実施例においては、サンプルは上述の変調されたバックスキャッタ通信リンクを用いてサンプリングされたとおりに直接質問器１０３へ送信される。 信号が質問器１
０３において受信されバッファリングされると、周波数成分を上述のＦＦＴアルゴリズムを用いて解析できる。

【００４６】代替実施例において、タグ１０５はＦＦＴ
アルゴリズムの処理の全て又は一部を行うことができる。 ＦＦＴアルゴリズムにおいては、ＦＦＴ拡張係数ａ
_k 、ｂ _kの決定には数学的計算を伴う。 ここで、必要とされる三角関数は、タグ１０５におけるメモリ装置においてあらかじめ計算され、又はあらかじめ記憶されていてもよい。 幾つかのサンプルが採られ、タグ１０５において記憶されるものと仮定する。 次に、タグ１０５は必要な計算を始める。 この方法はタグがサンプルを折々採らなければならず、多くの時間において休止するような状況において有用である。 タグ１０５上のマイクロプロセッサが、質問器１０３におけるＤＳＰと比べてこのような計算においてかなり遅いということは大した問題ではない。 これら計算の速さを改善するため、固定小数点法によりタグ１０５において行うことができる（多くの単純な４又は８マイクロプロセッサは浮動小数点法をサポートしないため）。 ＦＦＴアルゴリズムが完了した後、
タグ１０５はパラメータａ _k及びｂ _kの値を質問器１０３
へと送信し返す。

【００４７】ＲＦＩＤシステムが、ＦＦＴアルゴリズムのパラメータを変える必要があるとする。 この変化は直接的に行われる。 三角関数の値は質問器によりあらかじめ計算され、情報信号２００への対応する値を配置することによりタグ１０５へ送信する。 同様の方法によりタグ１０５は、採られるサンプル数及びサンプルが採られるレートを変えることを指示される。 このように、タグ１０５は質問器１０３からの情報に基づいて指示されて、行われる解析の種類を基本的に変える。

【００４８】更なる実施例 別の実施例の能力を説明するために、人間の心臓の鼓動のモニタリングに応用する方法を説明する。 従来の技術は人間に電源を接続し、そのワイヤに接続された電子機器をモニタリングする。 ここで説明するＲＦＩＤタグは、心臓の鼓動をモニタリングするために必要な電子機器の機能を含んでおり、比較的高価でなく、同時に多くの装置をモニタリングすることができる。

【００４９】図１２のようにタグ１０５を拡張する。 アナログ入力１１３０は電子的な心臓測定機器の電子的リード線と同様な方法で患者の胸へと接続する。 このアナログ信号は、最大信号レベルＶ _ccでアンプ１１２５により増幅され、マイクロプロセッサ１０１０のアナログ入力ポート１０２０へと接続される。 Ａ／Ｄ変換器１０３
０は、この信号をディジタルフォーマットへと変換し解析できるようにする。 上のように一実施例ではディジタル化した信号は、質問器１０３へと送信し返され、ここでＦＦＴアルゴリズムがＤＳＰで実行され、心臓の鼓動の周波数モードを判断する。 代替実施例ではマイクロプロセッサ１０１０は、上述のＦＦＴアルゴリズムを用いて周波数モードを計算する。 データは幾つかの方法のうちの一つを用いてを用いて質問器へ戻すことができる。
質問器１０３は質問器の領域におけるすべてのタグを規則的に調査し、タグがＦＦＴアルゴリズム計算の結果（即ち、パラメータａ _k及びｂ _k ）を送信し戻すことを要求する。 この方法により、質問器は心臓の鼓動を規則的に把握することができる。

【００５０】心臓の鼓動が異常状態になった場合に、迅速に応答することが必要となる。 ＦＦＴアルゴリズムにおいては頻脈のような異常状態を表す振動モードを容易に識別することができる。 これらの異常振動モードは、
通常よりも大きな振動周波数を表す場合のように認識できる兆候を有している。 質問器がタグ１０５の入力データのためにタグ１０５を調査すると、このタグ１０５
は、そのデータを質問器へ直ちに送信すべきメッセージによって応答する。 このような方法は、複数のタグが同時に応答することを可能にする。 例えば、スロッテッド・アロハ・プロトコルを用いると、タグ１０５が異常状態が認識されたときにほとんど直ちに応答することができるようになる。 このように本発明の実施例においては、生理的な信号をモニタリングできる高価でない装置を提供でき、幾つかのこのような装置は同時にモニタリングでき、モニタリング装置との通信は無線によって行われる。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたように本発明により、１以上の質問器を有する高価でないＲＦＩＤ網を、ＲＦＩＤ機能、センサー機能、運動検出、及びセンサーデータ解析機能を行う手段により構築できる。

【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】レーダーシステムのブロック図。

【図５】レーダーシステムのＲＦＩＤ質問器のブロック図。

【図６】復調の前の周波数空間における信号の相対的位置を示すグラフ図。

【図７】復調の後の周波数空間における信号の相対的位置を示すグラフ図。

【図８】移動質問器とタグの間の相対的位置を示す図。

【図９】測定における時間間隔Ｔの間の移動質問器とタグの間の相対的位置を示す図。

【図１０】特定のタグを位置決めするために複数の測定を用いる方法を示す図。

【図１１】２つの測定に基づいて特定のタグを位置決めする方法を示す図。

【図１２】検索アルゴリズムを用いて特定のタグを位置決めする方法を示す図。

【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 直交ミキサ ２０９ 変調信号 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 ＲＦ源 ２１２ サブ搬送復調器 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 ４１０ 質問器 ４２０ 周波数ｆ _cにおけるＣＷ送信 ４３０ （ｆ _c ＋Δｆ）におけるドップラーシフトされた反射 ４４０ 自動車 ５０１ 無線信号源 ５０２ ＲＦ信号 ５０３ 送信器 ５０４ 送信アンテナ ５０５ 受信アンテナ ５０６ 低ノイズアンプ ５０７ ミキサ ５０９ 周波数検出器 ５１０ プロセッサ ５１５ 送信信号 ５２０ 反射信号 ６０１ 送信信号ｆ _c ６０２ ドップラーシフトされた非変調反射（ｆ _c ＋Δ
ｆ） ６０３ ドップラーシフトされた変調反射（ｆ _c ＋ｆ _s ＋
Δｆ） ６０４ ドップラーシフトされた変調反射（ｆ _c −ｆ _s ＋
Δｆ） ７０１ ドップラーシフトされた非変調反射Δｆ ７０２、７０３ ドップラーシフトされた変調反射（ｆ
_s ＋Δｆ） ８０１ Ｉチャネル ８０２ Ｑチャネル ８０３ コンバイナ ８０６ フィルタ／アンプ ８０７ 可調周波数検出器 ８１０ 質問器 ９１０ ＲＦＩＤタグ ９２０、９３０ 質問器 ９５０ ＤＳＰ ９６０ Ａ／Ｄ変換器 １０１０ マイクロプロセッサ １０２０ アナログ入力ポート １０３０ Ａ／Ｄ変換器 １０４０ マイクロプロセッサコア １０５０ ディジタル出力ポート １１１０ ディジタル入力ポート １１２５ アンプ １１３０ アナログ入力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ． Ｓ． Ａ. (72)発明者 アール． アンソニー ショバー アメリカ合衆国、07701 ニュージャージ ー、レッド バンク、マニー ウェイ 29