JP2009111462A - Ｕｗｂ無線通信システムおよびそれを用いる非接触ｉｄシステム - Google Patents

Abstract

【課題】質問器がタイミングパルスのようにして所定周期で連続して極短パルスを送信し、応答器から各パルスに応答したパルスが帰って来たら１、来なかったら０として、質問器がデータ列を復元することで、応答器から質問器へデータを伝送するようにしたＵＷＢ無線通信システムを用いる非接触ＩＤシステムにおいて、測距も可能にする。
【解決手段】前記タイミングパルスとして送信されるパルスに対する応答がある、すなわち１のデータの場合に、送信から返信の受信までの時間差τを計測し、その時間差τに基づいて距離を計算する。そして、ＩＤ認証が得られ、かつ距離が所定値以下であるときに解錠動作を行うので、広いエリアで利便性を向上しつつも、誤作動を無くすことができる。また、インパルス式のＵＷＢ無線通信方式の特徴を利用して、特段、測距のための信号を送受信したりすることなく、測距を行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＵＷＢ無線通信システムおよびそれを用いる非接触ＩＤシステムに関する。

質問器（リーダー）が応答器（非接触ＩＤタグ）から固有のＩＤを非接触で読取り、部屋の施解錠や照明の制御などを行う非接触ＩＤシステムが実用化されている。そのような非接触ＩＤシステムでは、質問器の通信エリアが広くなる程、応答器を所持する使用者にとっては、たとえば応答器を服のポケットに入れたままで認証を行い、入退室が可能になるなど、応答性が高くなって利便性が高くなるものの、たとえば廊下を通過しただけで反応したりして、システム的には誤作動が多くなる。そこで、そのような不具合を解消するために、質問器が応答器までの距離を測定し、ドア付近の狭い範囲に来た段階で解錠や照明の点灯を行うようにすると、前記誤作動が無くなり、より適切な制御を行うことができる。

そこで、特許文献１には、使用者の所持する鍵モジュールと車両側の基地局とが自動的に通信するようにした自動車のキーレスエントリーシステムにおいて、距離を求めて、使用者が近くにいるときだけ解錠することで、不正な解錠を阻止することが提案されている。

また、本件出願人による特許文献２では、測定対象物までＵＷＢの極短いパルスを送信し、その反射波を受信するまでに掛かった時間を計測することで前記測定対象物までの距離を測定するにあたって、受信部が送信信号を受信してから反射信号を受信するまでの時間差から距離を求めることで、測距精度を向上するようにした測距装置が提案されている。
特表２００６−５０３２７３号公報 特開２００７−８６０１５号公報

前記特許文献２は、壁裏配管の距離を求めるようなｍｍ単位の高い精度が要求されるもので、特許文献１も、使用者が車内にいるのか社外にいるのかまでも区別できるようになっており、測距のための信号を送受信している。一方、接触式の自動改札のようにＬＦ帯などの磁界を用いた場合、距離に対する減衰が大きいので、極近距離だけでの認証を行うことができるものの、或る程度の距離で認証させることは困難で、利便性が劣る。これに対して、ＵＷＢを用いることで、或る程度の距離でも（非接触で）データの通信を行うことができ、前述のような利便性を高めることができる。

本発明の目的は、特段、測距のための信号を送受信する必要のないＵＷＢ無線通信システムおよびそれを用いる非接触ＩＤシステムを提供することである。

本発明のＵＷＢ無線通信システムは、一方の無線通信装置が予め定める周期で連続して極短いパルスを送信し、他方の無線通信装置が各パルスに応答してパルスを返信するか否かから、前記一方の無線通信装置がデータ列を復元することで、他方の無線通信装置から一方の無線通信装置へデータを伝送するようにしたＵＷＢ無線通信システムにおいて、前記一方の無線通信装置は、パルスの送信から返信の受信までの時間差に基づいて、測距を行う測距手段を備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、一方の無線通信装置がタイミングパルスのようにして予め定める周期で連続して極短パルスを送信し、他方の無線通信装置から各パルスに応答したパルスが帰って来たら１、来なかったら０として、前記一方の無線通信装置がデータ列を復元することで、他方の無線通信装置から一方の無線通信装置へデータを伝送するようにしたＵＷＢ無線通信システムにおいて、前記一方の無線通信装置に測距手段を設け、前記タイミングパルスとして送信されるパルスに対する応答がある、すなわち１のデータの場合に、送信から返信の受信までの時間差を計測し、その時間差に基づいて距離を計算する。

したがって、インパルス式のＵＷＢ無線通信方式の特徴を利用して、特段、測距のための信号を送受信したりすることなく、測距を行うことができる。

また、本発明のＵＷＢ無線通信システムでは、前記一方の無線通信装置は、前記周期を複数種類切換え可能であり、所定期間毎に循環して前記周期を切換えてゆくことを特徴とする。

上記の構成によれば、２つの無線通信装置間の距離が遠くなると応答のパルスが返信されて来るまでの時間が掛かり、次のタイミングパルスと衝突する可能性が生じ、これに対して前記周期を長くしておくとデータの伝送レートは低くなる。

したがって、前記周期を複数種類切換え可能として、所定期間毎に循環して（サイクリックに）前記周期を切換えてゆくことで、すなわち一方の無線通信装置から送信するパルス波の間隔を複数パターンとすることで、前記周期が短く短距離を対象とした場合には、高い伝送レートを得ることができ、前記周期を長くした場合には、伝送レートが低くなるものの、遠くの距離まで測定およびデータ伝送を行うことができ、測距エリアのダイナミックレンジを広げることができる。

さらにまた、本発明の非接触ＩＤシステムは、前記のＵＷＢ無線通信システムを用い、前記一方の無線通信装置が質問器となり、前記他方の無線通信装置が応答器となることを特徴とする。

上記の構成によれば、質問器が応答器から固有のＩＤを非接触で読取り、施解錠などを行う非接触ＩＤシステムにおいて、前記ＩＤの識別だけでなく、距離も識別した制御を行うことができる。

したがって、より適切な制御を行うことができる非接触ＩＤシステムを実現することができる。

また、本発明の非接触ＩＤシステムでは、前記質問器は、前記極短いパルスを送信し、それに応答した返信パルスを受信する期間を複数のスロットを備えるデータ受信期間とし、それ以前にポーリングを行う制御スロットを有し、前記制御スロットにおいて、各応答器の応答すべきスロットを決定することを特徴とする。

上記の構成によれば、複数の応答器が存在する場合、一斉に応答するとデータが衝突してしまうので、データ受信期間を複数のスロットに分割するとともに、制御スロットでポーリングを行い、各応答器の応答すべきスロットを予め決定しておく。

したがって、ＴＤＭＡによって、複数の応答器が存在しても、各応答器からのデータを確実に受信し、かつ測距を行うことができる。

さらにまた、本発明の非接触ＩＤシステムでは、前記スロットの決定は、応答器からのスロット指定によって行われることを特徴とする。

上記の構成によれば、応答器はポーリングに対する応答とともに、スロット指定も合わせて行うことで、応答器の認証およびスロット指定に必要な通信時間を抑えることができる。

本発明のＵＷＢ無線通信システムは、以上のように、一方の無線通信装置がタイミングパルスのようにして予め定める周期で連続して極短パルスを送信し、他方の無線通信装置から各パルスに応答したパルスが帰って来たら１、来なかったら０として、前記一方の無線通信装置がデータ列を復元することで、他方の無線通信装置から一方の無線通信装置へデータを伝送するようにしたＵＷＢ無線通信システムにおいて、前記一方の無線通信装置に測距手段を設け、前記タイミングパルスとして送信されるパルスに対する応答がある、すなわち１のデータの場合に、送信から返信の受信までの時間差を計測し、その時間差に基づいて距離を計算する。

それゆえ、インパルス式のＵＷＢ無線通信方式の特徴を利用して、特段、測距のための信号を送受信したりすることなく、測距を行うことができる。

また、本発明のＵＷＢ無線通信システムは、以上のように、前記周期を複数種類切換え可能として、所定期間毎に循環して（サイクリックに）前記周期を切換えてゆく。

それゆえ、前記周期が短く短距離を対象とした場合には、高い伝送レートを得ることができ、前記周期を長くした場合には、伝送レートが低くなるものの、遠くの距離まで測定およびデータ伝送を行うことができ、測距エリアのダイナミックレンジを広げることができる。

さらにまた、本発明の非接触ＩＤシステムは、以上のように、前記のＵＷＢ無線通信システムを用い、前記一方の無線通信装置を質問器とし、他方の無線通信装置を応答器とする。

それゆえ、質問器が応答器から固有のＩＤを非接触で読取り、施解錠などを行う非接触ＩＤシステムにおいて、前記ＩＤの識別だけでなく、距離も識別した制御を行うことができ、より適切な制御を行うことができる。

また、本発明の非接触ＩＤシステムは、以上のように、データ受信期間を複数のスロットに分割するとともに、制御スロットでポーリングを行い、各応答器の応答すべきスロットを予め決定しておく。

それゆえ、ＴＤＭＡによって、複数の応答器が存在しても、各応答器からのデータを確実に受信し、かつ測距を行うことができる。

さらにまた、本発明の非接触ＩＤシステムは、以上のように、前記スロットの決定を、応答器からのスロット指定によって行う。

それゆえ、応答器はポーリングに対する応答とともに、スロット指定も合わせて行うことで、応答器の認証およびスロット指定に必要な通信時間を抑えることができる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の一形態に係るＵＷＢ無線通信システムを用いる非接触ＩＤシステムの電気的構成を示すブロック図である。この非接触ＩＤシステムは、ビルや商業施設などのドア付近に設置される１または複数（図１では１つだけで示す）の質問器１と、前記ビルや商業施設の利用者が保持する多数の応答器２（図１では１つだけで示す）と、前記質問器１によって予め登録された（入室が許可されている使用者の）応答器が認証されたときに、そのＩＤを受信し、入退室の履歴の管理などを行う上位装置３と、前記上位装置３からの制御信号によって、前記予め登録された応答器が認証されたときに部屋の解錠を行い、所定時間後に施錠する電気錠４と、前記予め登録された応答器の入室が検出されたときに照明を点灯し、退室が検出されたときに消灯する照明制御部５とを備えて構成される。

前記質問器１は、上位装置３との通信、データの送受信、測距のための制御を行うデータ通信制御部１１と、極短いパルス波を生成して波形整形する送信パルス波生成部１２と、前記パルス波を増幅する送信回路１３と、その増幅されたパルス波を放射するアンテナ１４と、応答器２からのパルス波を受信するアンテナ１５と、受信されたパルス波を増幅する増幅回路１６と、増幅されたパルス波を検波する検波部１７と、検波された信号を復調する復調部１８と、送信パルスと受信パルスとの時間差を計測し、後述するようにして距離を計算する測距部１９とを備えて構成される。

これに対して、前記応答器２は、質問器１からのパルス波を受信するアンテナ２１と、受信されたパルス波を増幅する増幅回路２２と、増幅されたパルス波を検波する検波部２３と、検波された信号を復調する復調部２４と、復調された信号に応じて自機のＩＤを含む応答信号を作成するとともに、データ送受信の制御を行うデータ通信制御部２５と、前記応答信号に応じた応答パルスを作成し、波形整形する送信パルス波生成部２６と、その応答パルスを増幅する送信回路２７と、増幅された応答パルスを放射するアンテナ２８とを備えて構成される。

上述のように構成される非接触ＩＤシステムにおいて、前記質問器１および応答器２は、図２に示すようなフレームで定期的に送受信を行う。すなわち、フレームの始めの制御スロットで質問器１は各応答器に対してポーリングを行い、後に続くデータ受信期間のスロット数、空きスロット情報などを送信し、応答器２が応答することで、各応答器２が質問器１と通信するスロットを決定する。その後、データ受信期間となり、その決定されたスロットにて、後述するようにしてＩＤの通信を行う。

したがって、複数の応答器２が存在する場合、一斉に応答するとデータが衝突してしまうのに対して、このようにデータ受信期間を複数のスロットに分割するとともに、制御スロットでポーリングを行い、各応答器２の応答すべきスロットを予め決定しておき、ＴＤＭＡによって通信することで、複数の応答器２が存在しても、質問器１は各応答器２からのデータ（ＩＤ）を確実に受信し、かつ後述するように測距を行うことができる。

図３および図４は、スロットの決定方法を説明するための図である。図３に示す方法では、質問器１は、スロット決定フレームの制御スロットにおいて、ポーリング信号と空きスロット情報とを送信し、各応答器２は、それを受信すると、空きスロットの内、自機の希望するスロットを任意に選択し、その選択したスロットにおいて、自機のＩＤ番号を返信している。そして、質問器１は、応答器２の希望を承認した場合に、そのスロット内でＡＣＫ信号を返信する。こうして使用スロットが確定すると、データ通信および後述する測距フレームとなり、該当スロットにて通信を行うとともに、前記空きスロット情報から、この選択されたスロットが除外される。

一方、図４に示す方法では、質問器１は、スロット決定フレームの制御スロットにおいて、ポーリング信号のみを送信し、応答器２は、それを受信すると自機のＩＤ番号だけを返信している。すると質問器１は、次のデータ通信および測距フレームの制御スロットにおいて、さらに応答器２に対してスロット番号を通知し（スロット決定フレームにおいて応答器２が応答したスロットとは限らない）、受信した応答器２は、そのスロットを使用して通信を行う。上述のようなスロットの決定方法において、図３の応答器２がスロット指定を行う方法では、手順が簡単で、応答器２の認証およびスロット指定に必要な通信時間を抑えることができる。一方、図４の質問器１がスロット指定を行う方法では、手順が複雑であるが、質問器１でスロット番号を管理できるので、特定のＩＤ番号の応答器に若い番号のスロットを割り当てるというようなことが可能になる。

図５は、本発明の実施の一形態に係る非接触ＩＤシステムの前記データ受信期間における通信動作を説明するための図である。図５は、前述のスロット指定によって、スロット１と３とが使用される場合を示している。このように質問器１は、使用されるスロット内では、送信パルス波生成部１２で予め定める周期Ｔ１毎に連続して極短いパルス波を生成し、送信回路１３からアンテナ１４を介して送信する。これに対して、応答器２は、アンテナ２１から増幅回路２２で送信されたパルス波を受信し、データ通信制御部２５は、応答すべきスロットである場合には、自機のＩＤを含む返信データに合わせて、パルス波の返信の有無を選択し、送信パルス波生成部２６に与える。送信パルス波生成部２６は、検波部２３で検波されたタイミングで、返信有り、すなわち１のデータの場合にはパルスを作成して、前記送信回路２７からアンテナ２８を介して送信し、返信無し、すなわち０のデータの場合にはパルスを作成せず、したがって返信も行われない。質問器１は、その応答パルスをアンテナ１５から増幅回路１６で受信した後、検波部１７で検波し、復調部１８で、各パルスに応答したパルスが帰って来たら１、来なかったら０としてデータ列を復元し、データ通信制御部１１に与える。こうして、応答器２から質問器１へＵＷＢ無線通信にてデータを伝送する。

データ通信制御部１１は、前記復元されたＩＤを上位装置３へ送信し、そのＩＤが予め登録された（入室が許可されている使用者の）ＩＤであると認証されたときに、前述のように入退室の履歴の管理を行うとともに、電気錠４および照明制御部５を制御する。こうして、入退室の履歴の管理を行う非接触ＩＤシステムが構成される。

注目すべきは、本発明では、測距部１９が、図６で示すように、パルスの送信から返信の受信までの時間差τを計測し、その時間差τから下式によって距離Ｄを計算し、前記データ通信制御部１１を介して上位装置３へ送信することである。具体的には、前記送信パルス波生成部１２がパルスを送信したタイミングで該測距部１９にスタート信号を出力し、検波部１７が応答器２からのパルス波を受信したタイミングで該測距部１９にストップ信号を出力し、それらの間の時間差τを計測する。
Ｄ＝Ｃ・（τ／２）
ただし、Ｃは光速である。また、時間差τから、送信回路１３、増幅回路１６および検波部１７ならびに応答器２側の応答遅れ分の時間を減算するようにしてもよい。

このように構成することで、インパルス式のＵＷＢ無線通信方式の特徴を利用して、特段、測距のための信号を送受信したりすることなく、測距を行うことができる。そして、質問器１の受信エリアは、たとえば３ｍで、応答器２がポケットなどに入れられていても確実に認証を行うことができ、利便性を向上することができるとともに、上位装置３が実際に入退室管理を行うのは、前記測距部１９で得られた距離が、たとえば０．５〜１以下の範囲であり、不所望にドアが解錠されるような誤作動を無くすこともできる。

なお、測距部１９は、１つのパルスだけでなく、複数のパルスの時間差τの平均値から距離を求めるようにしてもよく、またＩＤに０、すなわち応答無しのデータが連続する場合には、測距ができないので、ダミーで１、すなわち応答有りのデータが挿入されてもよい。

［実施の形態２］
図７は、本発明の実施の他の形態に係る非接触ＩＤシステムの前記データ受信期間における通信動作を説明するための図である。本実施の形態には前述の図１で示す非接触ＩＤシステムの構成を用いることができ、送信パルス生成部１２によるパルス生成方法が異なるだけである。具体的には、前記パルスの周期Ｔ１を複数種類（こ図７の例では前記Ｔ１とＴ１’と）に切換え可能であり、所定期間（この図７の例ではスロット）毎に循環して切換えてゆくことである。

これは、応答器２が質問器１からの距離が遠くなると応答のパルスが返信されて来るまでの時間が掛かり、次のタイミングパルスと衝突する可能性が生じるためで、周期を長く（Ｔ１’）しておくことで、データの伝送レートは低くなるものの、衝突を回避することができるためである。このように構成することで、前記周期が短く（Ｔ１）、短距離を対象とした場合には、高い伝送レートを得ることができ、前記周期を長く（Ｔ１’）した場合には、伝送レートが低くなるものの、遠くの距離まで測定およびデータ伝送を行うことができ、測距エリアのダイナミックレンジを広げることができる。

ここで、前記特許文献１は、送受信部がそれぞれ少しずれた繰り返し周波数でパルスを送信し、周波数差から距離を測定するものであり、本発明とは方式が異なる。また、前記特許文献２は、測距を行うが、反射物との認証は行えないので、反射信号が測距したい対象かどうかを判別することはできない。

本発明の実施の一形態に係るＵＷＢ無線通信システムを用いる非接触ＩＤシステムの電気的構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る通信フレームを説明するための図である。 スロットの決定方法の一例を説明するための図である。 スロットの決定方法の他の例を説明するための図である。 本発明の実施の一形態に係る非接触ＩＤシステムのデータ受信期間における通信動作を説明するための図である。 本実施の形態に係る測距方法を説明するための図である。 本発明の実施の他の形態に係る非接触ＩＤシステムのデータ受信期間における通信動作を説明するための図である。

符号の説明

１ 質問器
２ 応答器
３ 上位装置
４ 電気錠
５ 照明制御部
１１，２５ データ通信制御部
１２，２６ 送信パルス波生成部
１３，２７ 送信回路
１４，１５，２１，２８ アンテナ
１６，２２ 増幅回路
１７，２３ 検波部
１８，２４ 復調部
１９ 測距部

Claims (5)

1. 一方の無線通信装置が予め定める周期で連続して極短いパルスを送信し、他方の無線通信装置が各パルスに応答してパルスを返信するか否かから、前記一方の無線通信装置がデータ列を復元することで、他方の無線通信装置から一方の無線通信装置へデータを伝送するようにしたＵＷＢ無線通信システムにおいて、
   前記一方の無線通信装置は、パルスの送信から返信の受信までの時間差に基づいて、測距を行う測距手段を備えることを特徴とするＵＷＢ無線通信システム。
2. 前記一方の無線通信装置は、前記周期を複数種類切換え可能であり、所定期間毎に循環して前記周期を切換えてゆくことを特徴とする請求項１記載のＵＷＢ無線通信システム。
3. 前記請求項１または２記載のＵＷＢ無線通信システムを用い、前記一方の無線通信装置が質問器となり、前記他方の無線通信装置が応答器となることを特徴とする非接触ＩＤシステム。
4. 前記質問器は、前記極短いパルスを送信し、それに応答した返信パルスを受信する期間を複数のスロットを備えるデータ受信期間とし、それ以前にポーリングを行う制御スロットを有し、前記制御スロットにおいて、各応答器の応答すべきスロットを決定することを特徴とする請求項３記載の非接触ＩＤシステム。
5. 前記スロットの決定は、応答器からのスロット指定によって行われることを特徴とする請求項４記載の非接触ＩＤシステム。

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