JP2020509618A

JP2020509618A - 後方散乱周囲ｉｓｍバンド信号

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Publication number: JP2020509618A
Application number: JP2019522299A
Authority: JP
Inventors: ツァン，ペンユ; ブハラディア，ディニッシュ; カッティ，サチン
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2020-03-26
Also published as: US11483836B2; EP3532981A1; WO2018081319A1; KR20190075093A; US20190274144A1; CN110100464A; EP3532981A4; CA3041667A1; US20230103390A1

Abstract

後方散乱タグ装置は、部分的に、多数のコードワードを規定する通信プロトコルに準拠したパケットを受信するように構成された受信機と、送信のために後方散乱タグを呼び出すデータに応じて、パケット内に配された多数のコードワードの少なくとも第１サブセットを、プロトコルによって規定された多数の第２コードワードに翻訳するように構成されたコードワード翻訳機と、パケットの受信される第１周波数とは異なる周波数でコードワード翻訳機から供給されるパケットを送信するように構成された送信機とを備える。この通信プロトコルは、任意で、８０２．１１ｇ／ｎ、ＺｉｇＢｅｅ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信プロトコルであってもよい。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０１６年１０月２５日出願の米国出願シリアル番号６２／４１２，７１２号「Ｆｒｅｅｒｉｄｅｒ：後方散乱周囲ＩＳＭバンド信号」の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものであり、その内容全体を参照として援用する。

本発明は、２０１７年８月１４日出願の出願シリアル番号１５／６７６，４７４号に関連するものであり、その内容全体を参照として援用する。

本発明は、通信システム及び方法に関し、特に、低出力ＷｉＦｉ後方散乱通信システム及び方法に関する。

後方散乱通信は、埋込型センサ、ウェアラブル装置、スマートホームセンシング等のセンサに対して低出力接続性をもたらすため、このようなセンサへの適用に関して関心が寄せられてきた。このような適用では、厳しい出力制限がある。例えば、埋込型センサは、数年に亘る持続が必要であり、一層従来的であるスマートホームモニタリングへの適用では、数年間持続可能なセンサ及びアクチュエータから利益を得ることもある。後方散乱通信によると、エネルギーを採取することにより、又は、数年間持続可能なバッテリーを使用して、エネルギー供給されることで電力消費を抑えつつ、接続性の要件を満たすことができる。

「ハイブリッドアナログ−デジタル後方散乱：ＲＦＩＤにおける無バッテリセンシングのための新たなアプローチ（ＲＦＩＤ）」、ＶａｍｓｉＴａｌｌａ及びＪｏｓｈｕａＲＳｍｉｔｈ著、ＩＥＥＥによるＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２０１３の７４〜８１頁「身体装着型センサのための実際的な後方散乱通信の有効化」を表題とする論文誌、ＰｅｎｇｙｕＺｈａｎｇ、ＭｏｈａｍｍａｄＲｏｓｔａｍｉ、ＰａｎＨｕ、及びＤｅｅｐａｋＧａｎｅｓａｎ著、ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭ２０１６の２０１６年会議の議事録３７０〜３８３頁「インターテクノロジー後方散乱：埋込型装置のためのインターネット接続性に向けて」を表題とする論文誌、ＶｉｋｒａｍＩｙｅｒ、ＶａｍｓｉＴａｌｌａ、ＢｒｙｃｅＫｅｌｌｏｇｇ、ＳｈｙａｍｎａｔｈＧｏｌｌａｋｏｔａ、及びＪｏｓｈｕａＳｍｉｔｈ著、ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭ２０１６の２０１６年会議の議事録３５６〜３６９頁「ＵＨＳＲＦＩＤ性能の実験研究」、ＭｉｃｈａｅｌＢｕｅｔｔｎｅｒ及びＤａｖｉｄＷｅｔｈｅｒａｌ著、第１４回モバイル演算及びネットワーク化に関するＡＣＭ国際会議の議事録、２００８年、２２３〜２３４頁「ツールリリース：チャンネル状態情報の提供される８０２．１１ｎトレースの収集」、ＤａｎｉｅｌＨａｐｐｅｒｉｎ、ＷｅｎｊｕｎＨｕ、ＡｎｍｏｌＳｈｅｔｈ、及びＤａｖｉｄＷｅｔｈｅｒａｌｌ著、ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭコンピュータ通信レビュー４１、１（２０１１年）、５３〜５３「ＴＩＣＣ２６５０無線通信」、ＴＥＸＡＳＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ、［ｏｎｌｉｎｅ］、［令和１年６月２４日検索］、インターネット＜URL:http://www.ti.com/product/CC2650＞「ＶＥＲＴ２４５０アンテナ」、ＥｔｔｕｓＲｅｓｅａｒｃｈ、［ｏｎｌｉｎｅ］、［令和１年６月２４日検索］、インターネット＜URL:https://www.ettus.com/product/details/VERT2450 ＞「ＴＩＣＣ２５４１無線通信」、ＴＥＸＡＳＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ、［ｏｎｌｉｎｅ］、［令和１年６月２４日検索］、インターネット＜URL:http://www.ti.com/product/CC2541＞「ＦｒｅｅＲｉｄｅｒ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［令和１年６月２４日検索］、インターネット＜https://github.com/pengyuzhang/FreeRider＞「身体装着型センサの実用的後方散乱通信の有効化」、ＰｅｎｇｙｕＺｈａｎｇ、ＭｏｈａｍｍａｄＲｏｓｔａｍｉ、ＰａｎＨｕ、及びＤｅｅｐａｋＧａｎｅｓａｎ著、ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭによる２０１６年会議の議事録の３７０〜３８３頁「パッシブＷｉＦｉ：ＷｉＦｉｓｏｕｓｈｉｎの低出力を図る」、ＢｒｙｃｅＫｅｌｌｏｇｇ、ＶａｍｓｉＴａｌｌａ、ＳｈｙａｍｎａｔｈＧｏｌｌａｋｏｔａ、及びＪｏｓｈｕａＲＳｍｉｔｈ著、２０１６年、ネットワーク化システムの設計及び実装（ＮＳＤＩ１６）の第１３回ＵＳＥＮＩＸシンポジウム、１５１〜１６４「身体装着型センサの実用的後方散乱通信の有効化」、ＰｅｎｇｙｕＺｈａｎｇ、ＭｏｈａｍｍａｄＲｏｓｔａｍｉ、ＰａｎＨｕ、及びＤｅｅｐａｋＧａｎｅｓａｎ著、ＡＣＭＳＩＧＣＯＭＭによる２０１６年会議の議事録「ヒッチハイク：汎用ＷｉＦｉを使用した実用的後方散乱」、ＰｅｎｇｙｕＺｈａｎｇ、ＤｉｎｅｓｈｈＢｈａｒａｄｉａ、ＫｉｒａｎＪｏｓｈｉ、及びＳａｃｈｉｎＫａｔｔｉ著、２０１６年、ＡＣＭＳＥＮＳＹＳ「スループット公平性指標：説明」技術報告書、オハイオ州立大学ＣＩＳ学部、ＲａｊＪａｉｎ、ＡｒｊａｎＤｕｒｒｅｓｉ、及びＧｏｊｋｏＢａｂｉｃ著、１９９９年

現行の後方散乱システムでは、後方散乱無線通信が反映可能な励起ＲＦ信号を生成し、且つ、後方散乱信号を復号する特殊なハードウェアが必要となる。ＢａｃｋＦｉ及びパッシブＷｉＦｉのＷｉＦｉ後方散乱等、最近の研究により、特殊なハードウェアのニーズは減ってきている。例えば、パッシブＷｉＦｉでは、標準ＷｉＦｉ無線通信を使用した復号が可能であるものの、励起ＲＦ信号ソースとして専用の連続波信号生成器が依然として必要となる。ＢａｃｋＦｉでは、後方散乱通信を可能にするため、ＷｉＦｉ無線通信に対して独自の全二重ハードウェアが必要となる。結果として、アクセスポイント、スマートフォン、ウォッチ、及びタブレット等の商品デバイスを使用して展開可能な後方散乱システムに対するニーズが残る。

本発明の第１の態様は、後方散乱タグ通信装置であって、複数のコードワードを規定して第１周波数を特徴とする通信プロトコルに準拠したパケットを受信するように構成された受信機と、送信のために後方散乱タグを呼び出すデータに応じて、パケット内に配された複数のコードワードの少なくとも第１サブセットの各々を、プロトコルによって規定された複数のコードワードの他の１つに翻訳するように構成されたコードワード翻訳機と、第１周波数とは異なる第２周波数で、コードワード翻訳機から供給されるパケットを送信するように構成された送信機とを備えることを要旨とする。

本発明の第１の態様は、後方散乱タグを介した通信方法であって、複数のコードワードを規定して第１周波数を特徴とする通信プロトコルに準拠したパケットを受信することと、送信のために後方散乱タグを呼び出すデータに応じて、パケット内に配された複数のコードワードの少なくとも第１サブセットの各々を、プロトコルによって規定された複数のコードワードの他の１つに翻訳することと、第１周波数とは異なる第２周波数で、コードワード翻訳機から供給される前記パケットを送信することを要旨とする。

図１は、本発明の一実施形態に係る後方散乱通信システム１００の簡易図である。図２は、従来既知の異なるサブキャリアで変調された多数のＯＦＤＭシンボルを示す。図３は、チャンネル上で収集された多数のパケットの期間を示す。図４は、本発明の一例としての実施形態に係る距離の関数としての復号成功率を示す。図５は、本発明の一実施形態に係る後方散乱タグの簡易な高レベルブロック図である。図６は、８０２．１１ｇ／ｎ送受信ブロックの種々のブロック図を示す。図７は、図６に示されるスクランブラのより詳細な図である。図８は、後方散乱されたＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号の周波数スペクトルを示す。図９Ａは、本発明の一実施形態に係る視線内に展開された後方散乱タグの試験を行うための実験セットアップを示す。図９Ｂは、本発明の一実施形態に係る非視線セットアップ内に展開された後方散乱の試験を行うための実験セットアップを示す。図１０Ａは、ＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示す。図１０Ｂは、ＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのビットエラーレートを示す。図１０Ｃは、ＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグの受信信号強度インジケータを示す。図１１Ａは、ＮＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示す。図１１Ｂは、ＮＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのビットエラーレートを示す。図１１Ｃは、ＮＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグの受信信号強度インジケータを示す。図１２Ａは、タグとＺｉｇＢｅｅ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示す。図１２Ｂは、タグとＺｉｇＢｅｅ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのビットエラーレートを示す。図１２Ｃは、タグとＺｉｇＢｅｅ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグの受信信号強度インジケータを示す。図１３Ａは、タグとＢｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示す。図１３Ｂは、タグとＢｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのビットエラーレートを示す。図１３Ｃは、タグとＢｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグの受信信号強度インジケータを示す。図１４は、本発明の実施形態に係るタグと、本発明の一実施形態に係るＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎ、ＺｉｇＢｅｅ、及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈ通信プロトコルの送信機との間の距離の影響を示す。図１５は、本発明の一実施形態に係る、後方散乱タグが有るとき、又は無いときの、ＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎのスループットを示す。図１６Ａは、本発明の一実施形態に係る、８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉが後方散乱タグの励起信号として使用されるときの後方散乱タグスループットを示す。図１６Ｂは、本発明の一実施形態に係る、ＺｉｇＢｅｅがタグとともに後方散乱タグの励起信号として使用されるときの後方散乱タグスループットを示す。図１６Ｃは、本発明の一実施形態に係る、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈがタグとともに後方散乱タグの励起信号として使用されるときの後方散乱タグスループットを示す。図１７Ａは、本発明の一実施形態に係る、４、８、１２、１６、及び２０のタグが送信機のパス内に各々配置されるときの総スループットを示す。図１７Ｂは、本発明の一実施形態に係る、４、８、１２、１６、及び２０のタグが送信機のパス内に各々配置されるときのＪａｉｎ公平性指標を示す。

本発明の実施形態は、他の準拠パケットを後方散乱し、コードワード翻訳によって結果として得られたパケット上でそのデータを変調することによる、ＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、及びＺｉｇＢｅｅ等、既存の通信プロトコルに準拠した通信のシステム及び方法を提供するものである。いくつかの実施形態によると、このようなパケットを伝達する既存の無線装置上で適用が可能である。低出力後方散乱通信システム（以降、代替として後方散乱タグ又はタグと称する）は、部分的に、例えば、送信された８０２．１１ｇ／ｎパケット等に配された有効なコードワードを受信し、それを、例えば、その８０２．１１ｇ／ｎコードブックから別の有効なコードワードに翻訳するように構成される。特定の翻訳により、送信のために後方散乱タグが求めるビットを符号化する。従って、後方散乱されたパケットは、通信のために後方散乱タグが求めるデータに応じて、翻訳されたコードワードのシーケンスを伴うにも関わらず、何らか他の、例えば８０２．１１ｇ／ｎパケットのようなものである。結果として、これは、任意の標準８０２．１１ｇ／ｎ、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、及びＺｉｇＢｅｅ受信機で復号可能である。本発明の実施形態についての以下の説明は、ＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、及びＺｉｇＢｅｅといった通信プロトコル又は標準を参照して行う。しかしながら、本発明の実施形態がその他多数の通信プロトコルにも同等に適用可能であることが理解される。

本発明の実施形態に係る後方散乱通信システムでは、コードワード翻訳を使用することにより、汎用の無線通信を使用してもよい。既知の通り、ＩＳＭバンドにおけるいずれの無線信号も、固定のコードブックから既知のコードワードのセットを使用して生成される。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈでは、ＦＳＫ変調を使用し、そのコードブック内に２つのコードワードを有する。これは、１を送るのに１つの周波数でトーンを送信し、０を送るのに別の周波数でトーンを送信する。同様に、ＷｉＦｉ及びＺｉｇＢｅｅも、位相、振幅、又は周波数の組み合わせにおいて変動する有限のコードワードセットを有する。

タグは、コードワード翻訳を実施するため、後方散乱中、進行中の励起信号のコードワードを同一のコードブック中の他の有効なコードワードに変換（又は翻訳）する。これは、励起信号の振幅、位相、又は周波数のうちの１つ以上を変更することによって達成される。特定の翻訳は、通信のためにタグが求めるデータと励起信号の種別とによって決まる。後方散乱信号中のコードワードが当初の励起信号と同一のコードブックからの有効なコードワードであるため、後方散乱信号を受信するために汎用無線通信が使用されてもよい。

図１は本発明の一実施形態に係る後方散乱通信システム１００の簡易図である。ＩＳＭバンド無線通信は、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又はＺｉｇＢｅｅ送信機であってもよいが、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又はＺｉｇＢｅｅ等の汎用の受信機であってもよい受信機３０に対する正常動作中、パケット１５の形態でデータを送信する。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ−ｏｆ−ｔｈｉｎｇｓ（ＩｏＴ）装置２０（本明細書中、タグとも称する）はまた、パケット１５を受信し、コードワード翻訳を実施して、以降に詳述するように送信するためにタグ２０が求める情報を埋め込み、コードワード翻訳されたパケット２５を、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又はＺｉｇＢｅｅ等の汎用の受信機であってもよい受信機４０に後方散乱する。後方散乱信号（本明細書中、代替としてパケットと称する）２５は、他のチャンネルに周波数移行される。従って、受信機３０は、当初送信されたパケット１５を受信及び復号し、受信機４０は、後方散乱パケット２５を受信及び復号する。デコーダ５０は、受信機３０及び４０によって受信されたパケットを比較することにより、タグ２０に埋め込まれたタグデータを検索するように構成される。

本発明の実施形態は、調整のために必要な情報をタグに送信すべく、パケット長変調を利用することにより、同一の無線チャンネルの多数のタグをサポートする。これを達成するために、励起パケット１５の長さを使用して、０及び１を符号化するが、これらは、後方散乱ＭＡＣプロトコルを実施するタグに対するメッセージを形成するように配置可能である。従ってこのプロトコルは、タグが衝突を回避すべく送信を調整するように、タグに対して制御メッセージを送る。

本発明の実施形態は、とりわけ、以下の目的を達成するものである。一実施形態によると、後方散乱されたＯＦＤＭＷｉＦｉ信号を見通し（ＬＯＳ）展開における４２ｍと非見通し（ＮＬＯＳ）展開における２２ｍから復号する。一実施形態によると、ＬＯＳ受信機が１８ｍであるか、より近いとき、後方散乱されたＯＦＤＭＷｉＦｉ信号から約６０ｋｂｐｓのスループットを達成する。一例において、より遠距離である場合、３２ｋｂｐｓ（ＬＯＳ）及び２０ｋｂｐｓ（ＮＬＯＳ）の平均が達成される。一実施形態によると、例えば、２２ｍまでＺｉｇＢｅｅ信号を後方散乱し、１５ｋｂｐｓを達成する。一実施形態によると、例えば、１２ｍまでＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号を後方散乱し、５５ｋｂｐｓを達成する。本発明の実施形態によると、後方散乱タグは、タグが後方散乱している励起信号の種別から独立したＷｉＦｉネットワークと共存してもよい。さらに、１つの実験的セットアップにおいて、２０までの後方散乱タグが、ＭＡＣ方式での通信に成功してアップリンクの公平性を維持しつつ、より有効に動作する様子が示された。

本発明の実施形態によると、タグが励起信号を後方散乱するとき、このタグは、信号の振幅、位相、又は周波数のうちの１つ以上を変更してもよい。このような変更は、以下のように示されるが、Ｓ（ｔ）は励起信号を表し、Ｔ（ｔ）はタグ信号を表し、Ｂ（ｔ）は後方散乱信号を表す。後方散乱信号Ｂ（ｔ）は、励起信号Ｓ（ｔ）とタグ信号Ｔ（ｔ）との間の時間ドメイン生成物である。従って、タグは、後方散乱信号Ｂ（ｔ）の振幅、位相、及び周波数を変更するために、その信号Ｔ（ｔ）を変化させてもよい。信号Ｓ（ｔ）、Ｔ（ｔ）、及びＢ（ｔ）は、以下に示される通り、表されてもよい。

本発明の実施形態によると、タグは、タグアンテナの終端インピーダンスを調節することにより、後方散乱信号の振幅を変更するように構成される。後方散乱信号Ｂ（ｔ）強度は、以下のように規定される。

以上の式において、Ｚ_Ａは、タグアンテナのインピーダンスを表し、Ｚ_Ｔは、タグアンテナ端末に亘るインピーダンスを表す。後方散乱信号強度とΓとのより正確な関係については、非特許文献１において確認することができる。

従来の後方散乱システムにおいて、タグは、情報を符号化するため、Ｚ_Ｔ１＝Ｚ_Ａ及びＺ_Ｔ２＝０で切り替えを行う。従って、後方散乱信号には２つのレベルの振幅が見られる。アナログ後方散乱を生じるために従来行われたように２つのインピーダンス間で切り替える代わりに、本発明の実施形態によると、タグは、後方散乱信号の振幅をよく調節するため、多数のインピーダンスに亘って変動する。

本発明の一実施形態によると、タグは、タグ信号を遅延することにより、後方散乱信号の位相を変化させる。タグにおける追加位相オフセット△θを導入するために、タグ信号
は、

相当分遅延される。タグに導入された位相オフセット△θにより、後方散乱信号に位相オフセットをもたらす。後方散乱信号の周波数を変化させるために、タグは、そのＲＦトランジスタのトグル周波数を変化させる。従って、本発明の実施形態によると、タグは、後方散乱信号の振幅、位相、及び周波数を変更することにより、汎用の無線通信間の後方散乱通信を可能にするように構成される。

（コードワード翻訳）
汎用の無線通信との通信を行うため、本発明の実施形態によると、後方散乱タグは、詳述する通り、コードワード翻訳を実施する。

本明細書中、コードワードＣ_ｉは、特定の送信データを表す物理層上の信号シンボルとして規定される。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈでは、情報を埋め込むのにバイナリＦＳＫ変調を使用する。従って、データ１及びデータ０を各々表すために、２つのコードワード

及び

のみを使用する。

コードブックＢは、無線通信に使用される有効なコードワードのセットである。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ規格では２つのコードワードのみが使用されるため、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈに関連づけられたコードブックは、Ｂ＝｛Ｃ_１、Ｃ_２｝である。同様に、ＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎ規格では、コードブックＢ＝｛Ｃ_１、Ｃ_２、…Ｃ_ｎ｝を使用するが、Ｃ_ｉのｉが１〜ｎの範囲の指標であり、Ｃ_ｉとはＯＦＤＭシンボルである。既知の通り、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈでは、異なるコードワードとコードブックのセットが使用される。

同一のコードブック中の別のコードワードは、位相、振幅、周波数、又はこれらの組み合わせの切り替えで互いに関連する。例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ規格で使用されるコードワードＣ_１は、周波数ドメインでＢｌｕｅｔｏｏｔｈ規格のＣ_２と異なるのみであり、この周波数の差はｆ_２−ｆ_１である。

コードワード翻訳とは、有効なコードワードＣ_ｉから他の有効なコードワードＣ_ｊへの変換動作であり、双方のコードワードは、同一のコードブックに属し、Ｃ_ｉ∈Ｂ及びＣ_ｊ∈Ｂを意味する。本発明の実施形態に係る後方散乱タグは、比較的少量の電力を消費しつつ、ＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈ規格に準拠した、このような翻訳を実施する。変換／翻訳されたコードワードが同一のコードブック中で依然として有効なコードワードであるため、後方散乱信号の復号に、汎用のＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈによる無線通信が使用されてもよい。タグデータは、以下に詳述する通り、特定のコードワード翻訳で符号化される。

本発明の実施形態に係る、タグによって実施されるコードワード翻訳の一例が以下の式（２）に示されているが、式中、励起信号のコードワードがＣ_ｉである。１を符号化するために、タグは、送信に先立って、コードワードＣ_ｉからＣ_ｊに翻訳を行う。０を符号化するために、タグは、未翻訳のコードワードを放置するため、後方散乱信号は励起信号と同一のコードワードを有する。

タグは、コードワード翻訳を使用することにより、タグデータを抽出するために、汎用のＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信を使用して後方散乱信号を復号する。以下の表１は、後方散乱信号を復号するための論理テーブルを示す。

表１に示される通り、タグビットは、後方散乱コードワードと当初のコードワードのＸＯＲ関数である。従って、タグデータは、当初の励起ビットストリームと後方散乱ビットストリームのＸＯＲを演算することで抽出されてもよい。

上述の通り、タグは、励起信号の振幅、位相、又は周波数を変更することにより、コードワード翻訳を実施する。このような変更により、後方散乱信号中のＣ_ｉからＣ_ｊに励起コードワードを変換する。コードワード翻訳を実施するタグは、周波数不可知論であり、従って、すべての周波数に亘る信号に同一の変更を付与する。これは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ、及び８０２．１１ｂ規格等、信号搬送波を使用する規格のいずれの問題ももたらすものでない。しかしながら、８０２．１１ｎに関連付けられたＯＦＤＭ信号では多数のサブキャリアを使用するため、上述のコードワード翻訳は問題を生じ得る。タグがサブキャリアｉ上の信号の振幅を変化させるとき、他のサブキャリアｍ上で同一の振幅変更を導入するであろう。しかしながら、サブキャリアｍ上で変更された信号は、有効なコードワードでなくてもよい。

この一例が図２に示されており、図中、サブキャリアｉ上で変調されたデータは１０００であり、サブキャリアｍ上で変調されたデータは０１０１である。タグが信号振幅を低減することによってサブキャリアｉ上の信号を１０００から１１０１に変換するとき、タグは、サブキャリアｍにも同一の動作を適用し、０１０１を表す信号の強度を低減する。結果として、タグは、サブキャリアｍ上に無効なコードワードを生じる。従って、タグがコードワード翻訳を行うとき、変調された信号が有効なコードワードとなるように、信号変更／翻訳を実施するために振幅、位相、又は周波数等の信号特性を探す。

（ＯＦＤＭシンボルの後方散乱）
以下の式３は、ＯＦＤＭ変調信号を示しており、式中、｛Ｘ_ｋ｝は、サブキャリア上で変調されたデータシンボルであり、Ｎは、サブキャリアの数であり、Ｔは、ＯＦＤＭシンボル時間である。８０２．１１ｇ／ｎ規格では、ＯＦＤＭシンボルは、４μｓ継続し、６４のサブキャリアを含む。データシンボル｛Ｘ_Ｋ｝は、ＷｉＦｉ規格ビットレートに応じて、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、１６−ＱＡＭ、又は６４−ＱＡＭ変調を使用して生成される。

ＯＦＤＭシンボルの後方散乱を行うとき、本発明の一実施形態によると、このような変更が後方散乱信号において無効なコードワードを生じるため、タグは、励起ＯＦＤＭ信号の振幅又は周波数を変更しない。従って、タグは、後方散乱信号の位相のみを変更する。バイナリの例が、以下の式４に示されている。タグは、データ１を送信するために位相オフセット△θを導入する。これは、データ０を送信するためにオフセットを導入することはない。△θの値は、タグビットレートに応じて決まる。例えば、タグがより低いデータレートの送信を行う場合、△θが１８０°であるバイナリ方式を使用する。タグがより高いデータレートで送信を行う場合、△θを９０°として選択し、以下に示す式５を使用してその情報を符号化してもよい。

（ＺｉｇＢｅｅによる後方散乱）
ＺｉｇＢｅｅ無線通信では、ＯｆｆｓｅｔＱＰＳＫ（ＯＱＰＳＫ）変調を使用する。ＱＰＳＫ変調と同様に、データは送信信号の位相において符号化される。従って、本発明の実施形態によると、タグは、反映中、位相を変更することにより、ＯＱＰＳＫ信号にデータを埋め込む。タグがデータ１を送信するとき、反映信号に△θ位相オフセットを導入する。タグがデータ０を送信するとき、位相を変化させない。ＺｉｇＢｅｅにおいてタグビットを埋め込む式は、上述の式４及び式５に示される８０２．１１ｇ．ｎＷｉＦｉ規格のものと同一である。

（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈによる後方散乱）
Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信では、送信されるコードワードに応じて２つの周波数ｆ_１とｆ_０との間で搬送波信号周波数を変化させることにより、情報を変調する。データ１を送信するため、無線通信では、周波数ｆ_１で正弦波を送る。データ０を送信するため、無線通信では、周波数ｆ_０で正弦波を送る。本発明によると、タグは、その情報を埋め込むため、以下の式（６）中に使用される式を使用する。データ１を送信するとき、タグは、周波数△ｆでそのＲＦトランジスタをトグルすることにより、後方散乱信号内の追加周波数オフセット△ｆを生成する。データ０を送信するとき、タグは、追加周波数オフセットを生成しない。△ｆを慎重に選択すれば、Ｂ（ｔ）が依然として有効なＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号であって、民間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信で復号可能となることが保証される。

Ｂ（ｔ）が有効なＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号を維持することを保証するために、１つの可能な選択肢として、｜ｆ_１−ｆ_０｜で規定される△ｆを選択することが挙げられる。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信によって周波数ｆ_１のデータ１を送信するとする。タグはデータ
１を送信するために、後方散乱されたコードワードが

となるように、信号を△ｆ相当分、移行させる。これは、周波数ｆ_０の正弦波であるため、有効なＢｌｕｅｔｏｏｔｈＦＳＫコードワードである。しかしながら、民間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信は、１でなく０としてこれを復号するであろう。逆に、タグは、データゼロを符号化するために、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ信号の周波数切替を行わない。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信が代わりに周波数ｆ_０でデータ０を送信するとき、このケースは対称となる。従って、本発明の実施形態によると、タグは、データ１を送信するために、周波数ｆ_１のＢｌｕｅｔｏｏｔｈコードワードを周波数ｆ_０の後方散乱コードワードに変換し、周波数ｆ０のＢｌｕｅｔｏｏｔｈコードワードを周波数ｆ１の後方散乱コードワードに変換する。タグは、データ０を送信するために、当初のＢｌｕｅｔｏｏｔｈコードワードと同一の周波数で後方散乱コードワードを生成する。従って、本発明の一実施形態によると、タグは、上述の△ｆを選択することにより、送信するために探すデータを埋め込みつつ、有効なＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号である後方散乱信号を生成する。

（アクティブな無線通信からの干渉回避）
タグが後方散乱信号を受信機に送信する場合、後方散乱信号と励起信号との双方が同一のチャンネルを共有するため、受信機には、励起信号からの深刻な干渉が見られることがある。このような干渉を回避するため、タグは、本発明の実施形態によると、後方散乱信号の周波数を移行して、励起信号に占有されたものとは異なる周波数チャンネルを占有することを保証する。このような周波数移行技術については、例えば、非特許文献２、又は、非特許文献３に記載されている。

このような周波数切替は、例えば、所望の周波数オフセットでＲＦトランジスタをトグルすることによって達成されてもよい。例えば、励起信号から２０ＭＨｚ離れて後方散乱信号を切り替える場合、ＲＦトランジスタは２０ＭＨｚでトグルされる。一例において、ＷｉＦｉ信号を後方散乱するとき、タグは、後方散乱信号が、例えば、２．４ＧＨｚのＩＳＭ帯域で最も使われることのないチャンネルであるチャンネル１３に調節されるように、周波数を切り替える。このようなチャンネル割り当てにより、他のアクティブな無線通信との間の干渉を低減する。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ又はＺｉｇＢｅｅを後方散乱するとき、タグは、２．４８ＧＨｚ付近のチャンネルがＷｉＦｉ信号からの干渉が少ないため、これらのチャンネルに調節されるように後方散乱信号の周波数を切り替える。

（ＭＡＣプロトコル）
複数のタグ間での無線媒体の効果的共有を促進するため、本発明の実施形態によると、メディアアクセス（ＭＡＣ）方式が展開される。ＭＡＣプロトコルは、２つの目的を果たすものであり、すなわち、タグにいずれの信号で後方散乱を行うかということを通知し、さらに以下に詳述する通り、複数のタグにサポートを提供する。

（調整タグ）
後方散乱をいつ行うかを判定することは重要である。誤った信号が後方散乱された場合、データを復旧することはできない。タグは、信号の後方散乱の開始時期を区別する手段を必要とする。タグが適切なときに後方散乱を開始するように、送信機（例えば、図１の送信機１０）は、以下に詳述の通り、０及び１の所定のシーケンスを含むプリアンブルを送る。タグは、受信したビットの円形バッファを維持する。バッファの開始がプリアンブルと合致する場合、タグは、バッファが、ランダムなパケットでなく、送信機からのコマンドで開始される後方散乱データを含むことを認識する。

（複数のタグによる通信）
タグは搬送波センシングを実施するのに十分な電力を有していないため、ＦｒａｍｅｄＳｌｏｔｔｅｄＡｌｏｈａプロトコルに基づくランダムアクセス方式が使用される。このプロトコルによると、送信機は、非特許文献４に記載のものと同一の方法により、中央調節装置として動作する。通信は、ラウンド当たりのスロット数が固定のラウンドで実施される。各ラウンドにおいて、タグは、送信を行うランダムなスロットを選択する。２つのタグが同一のスロットを選択した場合、衝突が生じ、データ送信は成功しない。ラウンド終了時、送信機は、タグからのデータを処理し、次のラウンドに移行する前に、スロットの数を調整する。

確率的に割り当てられた時間分割方式と比較すると、ランダムアクセスによると、特定の関連付プロセスを伴うことなく、多数のタグを成長及び収縮することができる。スロットの数は、受信するパケットの数と、起こりうる衝突の数とから、受信機によって示される。受信機は、この情報を送信機（例えば、図１の送信機１０）引き渡す。送信機が多くの衝突を観察した場合、スロット数を増やす。衝突数が所期の値より下回った場合、送信機はスロットの数を減らす。同一チャンネル上での他のユーザとの衝突を回避するため、図１に示される送信機１０等の送信機は、メッセージをタグに送るのに先立って、搬送波センシングを使用する。各ラウンドは、次のラウンドに先立って任意の遅延量を有し得る。これにより、後方散乱システムがチャンネルを独占することが無いようにする。ラウンドを使用することで、後方散乱システムとチャンネルの他のユーザとの間とで公平となるようにする。後方散乱システム内のスロットの使用により、タグ間で公平となるようにする。

図３は、講義ホールで収集されたチャンネル６上の３０００万個のパケットの期間を示している。図３に示されるバイモーダル分布において、パケットのうちの約７８％が５００μｓ未満継続し、パケットの約１８％が１５００μｓ〜２７００μｓ継続した。パルス幅エラー限界が２５μｓであれば、周囲パケットが本発明の一実施形態に係るパケットと同一長を有する確率は、約０．０３％であった。

本発明の一態様によると、送信機からタグへの通信は、比較的電力消費が少なく、タグがパケットを復号するニーズを伴わない技術を使用して実施される。これを達成するために、一実施形態によると、エンベロープ検出器を使用して送信機とタグとの間の通信を有効化する。低出力エンベロープ検出器は、通常、１μＷ未満を消費する。このようなエンベロープ検出器は、以下に詳述の通り、例えば、汎用のハードウェアを使用した送信機にて、容易に測定及び変調可能なパラメータを測定するように構成される。

（パケット長変調）
本発明の一実施形態によると、パケット長変調（ＰＬＭ）を使用して、送信機からタグへの通信を成立させる。パケット期間は、送信機で比較的容易に制御され、距離の範囲においてよく動作し、周囲のネットワークの存在に対してロバストである。本発明の一実施形態において使用されるＰＬＭ方式では、０ビットがパケット期間Ｌ_０で表され、１ビットが、パケット期間Ｌ_１で表される。パケット長を制御するため、送信機は、事前規定期間Ｌ_０及びＬ_１のパケットを送る。タグは、エンベロープ検出器を使用して、パケットの存在及び期間を特定する。パケット期間がＬ_０又はＬ_１に等しい場合（事前規定のエラー範囲内である）、ビットがデータバッファに記録される。パケットがＬ_０又はＬ_１とは異なる期間を有する場合（事前規定の範囲を考慮）、パケットは、ノイズとして取り扱われて廃棄されることで、他の送信があってもビット受信を成功させることができるようにする。

一実施形態によると、本発明に係る後方散乱タグは、ＷｉＦｉ８０２．１１ｇ／ｎ規格を使用して動作するものであるが、約５００ｂｐｓで動作し、これは、ＭＡＣ層の動作に十分である。

スケジューリングメッセージを送信するため、送信機は、ダミーパケットを生成してもよい。或いは、送信機は、ネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）への送信に先立って、既存のトラフィックをバッファした後、再順序付け又は再パケット化を行い、Ｌ_０及びＬ_１のシーケンスを形成してもよい。従って、ネットワークがビジーである限り、後方散乱メッセージはチャンネルの残り部分に対して僅かなオーバーヘッドを課す。

図４は、距離の関数としての復号成功率を示している。オフィスビル内の長い通路内にて、図４に関連付けられた実験を実施した。参照電圧１．８Ｖでは、タグが送信機から４ｍ未満離間しているとき、このシステムは、７０％を超える制度でスケジューリングメッセージの復号に成功可能であることが観察される。このシステムは、５０ｍの距離にて約５０％でプリアンブルの復号に成功することが観察される。ＳＮＲが増加するため、コンパレータ内の参照電圧を挙げることにより、近傍でより高い精度を得ることができる。プロトタイプシステムは、以下に詳述の通り、いつでも入手可能な汎用の８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈの送受信機とカスタムメイドの後方散乱タグとを使用して構築した。

図５は、本発明の一実施形態に係る後方散乱タグ１００の高レベル簡易化ブロック図である。後方散乱タグ１００は、部分的に、マルチプレクサ１１０、コードワード翻訳機１０５、位相モジュレータ１１５、周波数モジュレータ１２０、周波数シフタ１２５、及びアンテナ１３０を備えるものとして示されている。受信データの種別と使用される通信プロトコルに応じて、コードワード翻訳機は、位相モジュレータ１１５又は周波数モジュレータ１２０のいずれかの出力を使用する。以上に詳述した通り、位相モジュレータ１１５は、受信したパケットの位相を変調し、周波数モジュレータは、受信したパケットの周波数を変調する。マルチプレクサ１１０の出力は、アンテナ１３０による送信に先立って周波数シフタ１２５によって切り替えられた周波数である。

（ハードウェアプラットフォーム）
８０２．１１ｇ／ｎ送受信機：８０２．１１ａ／ｎ／ｇ／ｎ／ａｃをサポートするＢｒａｏａｄｃｏｍＢＣＭ４３ｘｘのＷｉＦｉカードを備えたＭａｃＢｏｏｋＰｒｏラップトップに配された８０２．１１ｇ／ｎ受信機を使用した。ＷｉＦｉカードは、誤ったチェックサムを有するパケットを報告するためのモニターモードに設定した。パケットの受信後、ｔｃｐｄｕｍｐ（周知のソフトウェア）を使用して、パケットの解析を行い、タグビットを抽出した。

ＩｎｔｅｌＮＵＣ上のＩｎｔｅｌ５３００ＷｉＦｉカードも、１５ｄＢｍで送信を行う標準８０２．１１ｇ／ｎＯＦＤＭ送信機として使用した。使用したファームウェアは、非特許文献５に記載のものであった。

ＺｉｇＢｅｅ送受信機：この無線通信に許容される最大出力である５ｄＭｂに送信出力のセットされたＺｉｇＢｅｅ送受信機として、ＴＩＣＣ２６５０無線通信（非特許文献６）を使用した。ＣＣ２６５０無線通信展開基板ＣＣ２６５０ＥＭ−７１Ｄは、２種類のアンテナをサポートするものであり、ＰＣＢオンボードアンテナ及びＳＭＡインタフェースを備えたアンテナである。実験では、ＶＥＲＴ２４５０アンテナがより幅広いビームを有するため、これを使用した。非特許文献７に記載の通り、ＳＭＡインタフェースにこれを搭載した。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ送受信機：Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ送受信機としてＴＩＣＣ２５４１無線通信（非特許文献８）を使用した。この無線通信では、２５０ＫｈＺの周波数偏差と１ＭＨｚの帯域幅のＦＳＫ変調を使用して、１Ｍｂｐｓ及び０ｄＢｍで送信を行う。使用した変調指標は０．５±０．０１である。

タグ：使用したタグは、２つのＶＥＲＴ２４５０アンテナを有する。すなわち、１つは受信用であり、１つは送信用である（非特許文献７）。受信アンテナは、ＬＴ５５３４エンベロープ検出器に接続したが、これは、到来する信号の開始時を測定するものである。励起信号の開始時点とエンベロープ検出器からのインジケータ信号との間に０．３５μｓの遅延を測定した。換言すると、励起信号の到達後０．３５μｓに、エンベロープ検出器は、励起信号が開始した旨をプロセッサに通知した。評価において、０．３５μｓの遅延経験時の性能は低下していない。

もう一方のアンテナは、ＡＤＧ９０２ＲＦスイッチで制御されるものであるが、これは、励起信号の後方散乱をいつ、どのように行うかを決定するものである。コードワード翻訳変調は、低出力ＦＰＧＡＡＧＬＮ２５０で実施する。出力管理モジュールは、１．５Ｖを提供し、システムの他の部分に３．３Ｖを提供するタグに使用した。タグプラットフォームのソースコードは、非特許文献９より入手可能である。

（実施上の課題）
各無線通信は、独自の物理層を特定のチャンネルコードセット、インタリーブ技術、スクランブルアルゴリズムとともに重ね合わせて到来するものであり、これらはすべてコードワード翻訳に干渉し、これを無効化し得る。このような課題の存在下においてコードワード翻訳をいかに有効化するかについて、以下に説明を行う。

（後方散乱ＯＦＤＭＷｉＦｉ信号における課題）
図６は、８０２．１１ｇ／ｎの送受信ブロックを示す種々のブロック図である。後方散乱されたＷｉＦｉ信号の復号時に困難を生じ得る３つの因子が有る。すなわち、スクランブラ、畳み込みチャンネルエンコーダ、及びインタリーブである。スクランブラは、入力データを取り、これに疑似乱数シーケンスでＸＯＲを施すデータ白化エンジンである。スクランブラにより、送信データがすべて０又は１となって不良なピーク−平均間比率を生じないようにする。チャンネルエンコーダは、無線送信を通じて自らのロバスト性を向上するために、畳み込み符号化を使用する。インタリーブエンジンは、無線チャンネル上のバーストエラーでさえ受信データ上に連続エラーのバーストを生じることのないように、送信されたビットシーケンスの再順序付けを行う。これら３つのモジュールは、８０２．１１ｇ／ｎ送信機のモジュラーに先立って設置されるため、以下に説明する。このような設置により、後方散乱復号の失敗を生じ得る理由についても後述する。

任意の入力シーケンスｂ_０、ｂ_１、…ｂ_ｎについて、送信信号Ｓ（ｔ）は、

の式で表すことができ、式中、

は、スクランブラ、チャンネルエンコーダ、インタリーバ、及びモジュレータで導入される動作を表す。受信機内の対応するデモジュレータ、デインタリーバ、チャンネルデコーダ、及びスクランブラは、逆演
算

を提供するものであり、受信機は、送信されたシーケンスを復号及び出力することができる。

しかしながら、タグが存在し、タグビットｔ_０、ｔ_１、…、ｔ_ｎを使用して信号ｇ（ｂ_０、ｂ_１、…、ｂ_ｔ）を生成するとき、後方散乱信号Ｂ（ｔ）は、タグ信号と励起信号との間の時間ドメイン生成物となる。このことに関してさらに理解を助けるために、以下の式７に示されるバイナリのケースについて説明する。信号は、タグビットを備えた励起信号
にＸＯＲを施すことにより生成され、

を通過するようには見受けられない。従って、タグビットを復号することが難しくなる。

この問題に対して採り得るソリューションには、冗長性、すなわち、１つのタグビットを複数の８０２．１１ｇ／ｎビットにマップすることが挙げられる。ｔ_０、ｔ_１、…ｔ_ｎを直接送信する代わりに、タグは、タグが次のものに切り替えを行うのに先立って、複数回、各ビットを反復するシーケンスを送信する。以下は、このような冗長性が本問題の解決を助ける理由の説明である。

インタリーブモジュールは、各サブキャリアに割り当てられたデータをインタリーブするように構成される。インタリーブは、ＯＦＤＭシンボル毎に行われる。換言すると、インタリーブモジュールは、ＯＦＤＭシンボルに属するデータをインタリーブしない。従って、タグビット期間がＯＦＤＭシンボルより長い限り、インタリーブモジュールは問題を生じることはない。

スクランブル及びチャンネルエンコーダのモジュールは、変調器に伝達されたデータの決定構造を生成及び維持する。スクランブラは、図７に示される構造を使用して、データ白化を行う。入力がすべて０であっても、送信される実際のデータは、非ゼロシーケンスである。このようなデータ白化は、ＲＦフロントエンドにおけるピーク−平均間の出力比率を低減する。スクランブラの数式が式８に示されている。

チャンネルエンコーダは、以下に示される式９を使用して、６Ｍｂｐｓでデータの符号化を行うが、式中、ｂ（ｋ）は、入力ビットであり、Ｃ_１（ｋ）及びＣ_２（ｋ）は、１／２符号化レートを使用して生成されたコードワードである。

他のビットレートについては、チャンネルエンコーダが異なる。タグによって投入されたデータは、２つのモジュールによって生成された構造を破損することがあり、後方散乱復号化を困難にすることがある。このような課題を克服するため、これら２つのモジュールには、Ｍａｔｌａｂを使用してシミュレーションを行い、タグが４つのＯＦＤＭシンボル（６Ｍｂｐｓのデータレートにおいて９６ＷｉＦｉビット）に対して１つのビットタグデータを投入する限り、約１ｅ^−３のエラービットレートが得られることがある。これは
、２つのモジュールＣ（ｋ）又は

の入力シーケンスｂ（ｋ）と出力との間の１対１マッピングがあるためである。

式８及９は、

のシーケンスが

及び

を生成し得ることを示している。従って、タグがコードワード翻訳を行い、Ｃ（ｋ）と｛Ｃ_１［ｋ］，Ｃ_２［ｋ］｝から

と、

の変換を行うとき、受信機の対応モジュールは、

を出力するはずである。この結果は、実験によるＭａｔｌａｂシミュレーションと後方散乱デコーダとしてのＭａｃＢｏｏｋＰｒｏラップトップによる実システム実装によって証明されている。

後方散乱復号に影響を与える可能性のある最終的因子は、パイロットトーンである。ＯＦＤＭシンボルにおけるパイロットトーンは、位相エラーの補正に使用される。このような位相エラー補正により、タグによって導入された追加位相オフセットを除去し、誤って復号されたタグデータのレンダリングを行うことができる。しかしながら、位相エラー補正にパイロットトーンを使用せず、後方散乱されたタグデータを正しく復号できるＢｒｏａｄｃｏｍのＢＭＣ４３ｘｘ等のＷｉＦｉチップも多数有る。

（後方散乱ＺｉｇＢｅｅにおける課題）
ＺｉｇＢｅｅでは、ＯＱＰＳＫ変調を使用するが、この場合、位相信号と直交信号との間に一定の時間ドメインオフセット（ハーフビット）がある。このようなオフセットは、隣接するビット間での１８位相推移を回避することにより、信号のピーク−平均出力比率（ＰＡＰＲ）を低減するために導入される。タグが後方散乱ＺｉｇＢｅｅの隣接するビット間に１８０°の位相推移を導入する場合、ＯＱＰＳＫ信号構造を破損することがあり、復号トラブルを生じることがある。

この問題の１つのソリューションとして、複数の（Ｎの）ＯＱＰＳＫシンボルの各々に対して１つのタグビットを埋め込むことが挙げられる。タグがデータ１を送信するとき、タグは、正弦ＯＱＰＳＫシンボルに１８０°の位相オフセットを導入する代わりに、ＮのＯＱＰＳＫシンボルに同一の１８０°の追加位相オフセットを導入する。最初にタグ修正されたＯＱＰＳＫシンボルは、上述のような潜在的なＯＱＰＳＫ信号構造違反が故に、民間のＺｉｇＢｅｅデコーダで正しく復号されないことがある。しかしながら、以下のＮ−１のタグ修正ＯＱＰＳＫシンボルは、ＯＱＰＳＫ信号の構造が維持されるため、正確に復号可能である。従って、比較的大きなＮが選択される限り、データの情報がＺｉｇＢｅｅトラフィックに組み込まれてもよい。一例によると、Ｎは８の値を有するように選択した。

（後方散乱Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈにおける課題）
後方散乱されたＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号の復号において克服すべき課題が２つあるが、
これらはすなわち、変調指標ｉとチャンネル帯域幅ｗである。変調指標ｉは、

と定義され、ＦＳＫ信号の周波数偏差と占有する帯域幅との間の比率を表す。民間のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信では、通常、変調指標０．５を使用する。本発明の実施形態によると、タグが所望の後方散乱信号を生成しつつ、△ｆでそのＲＦをトグルするとき、タグはまた、図８で示されるスペクトルの他方側に望ましくない信号も生成してしまう。この望ましくない信号は、後方散乱信号がＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号とタグ信号との間の時間ドメイン生成物であるために生成される。従って、両側波帯後方散乱信号が生成される。

本発明の一実施形態によると、望ましくない後方散乱信号は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信ではチャンネル外の信号を干渉として扱うためにこれらを排除することができるという事実を利用して排除される。従って、△ｆを選択する際には、望ましくない信号が後方散乱チャンネル外に維持されて排除されるようにするため、以下の２つの条件を満たす必要がある。

（低出力タグ設計）
低電力消費を達成するため、本発明の実施形態によると、タグは、周波数切替の達成に必要な方形波信号を生成するためにリング振動機を使用する。このような設計のうちの１つが、非特許文献１０に記載されている。６５ｎｍの技術ノードを使用して形成された１つの特定プロトコルによると、タグの総電力消費は、励起信号に応じて約３０μＷである。電力のうちの大部分（例えば、１９μＷ）は、周波数切替に必要とされる２０ＭＨｚクロックの生成で消費される。１２μＷはＲＦスイッチの動作に使用され、１〜３μＷは動作させるコードワード翻訳機の種別を判定する制御論理を動作せせるために使用された。

（実験セットアップ）
図９Ａ及び９Ｂは、各々、タグが見通し（ＬＯＳ）セットアップと非見通し（ＮＬＯＳ）セットアップにおいて展開されたときのタグの性能を試験するための実験を示している。タグは、送信機（８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉ、ＺｉｇＢｅｅ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ）から１ｍ離間して配置した。汎用の無線通信送信機にはハードウェア変更を行わなかった。そして、タグのスループット、ビットエラーレート（ＢＥＲ）、及び受信信号強度インジケータ（ＲＳＳＩ）を測定するように、受信機をタグから離間して移動させた。ＬＯＳ実験では、すべての装置を通路に設置した。ＮＬＯＳ実験では、送信機及びタグを室内に展開し、受信機を通路に展開した。ＮＬＯＳ展開では、後方散乱信号が複数の壁を通過した。

（ＬＯＳで展開された８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉによるタグの後方散乱性能）
図１０Ａは、ＬＯＳ展開におけるタグと受信機との間の距離の関数として、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示している。８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉ送信機は、１１ｄＢｍにてそのＯＦＤＭ信号を送る。受信機は、４２ｍの距離であっても後方散乱信号の復号が可能なままである。この距離は、非特許文献１１に報告された最大距離の１．４倍長く、非特許文献１２に報告される通り、ＦＳ−後方散乱によって達成された最大距離の８．４倍長い。このように通信距離が長ければ、多くのＩｎｔｅｒｎｅｔ−ｏｆ−ｔｈｉｎｇｓへの適用に十分である。

本発明の一実施形態に係るタグは、受信機がタグから１８ｍ未満離間したとき、約６０ｋｂｐｓのデータレートを達成する。受信機がタグから約２６ｍ〜３６ｍの範囲内でさらに遠くに移動されると、スループットは約１５ｋｂｐｓまで低下する。これは、ＯＦＤＭシンボルがＤＳＳＳシンボルにくらべて期間的に長いため、比較的低いデータレートである。図１０Ｃに示される通り、ＲＳＳＩは距離に応じて低下するのにも関わらず、図１０Ｂに示される通り、ビットエラーレートは距離が長くなっても低いままであることが見受けられる。例えば、受信機がタグから４０ｍ離間して配置されたとき、１ｅ^−３のビットエラーレートが達成される。従って、距離が長くなれば、後方散乱パケットが受信機に到達すれば、タグが低いＢＥＲでビットを抽出できる可能性が非常に高い。ヘッダ自体が復号されなければ、パケット損失が増加し、スループットが低下する。

（ＮＬＯＳで展開された８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉによるタグの後方散乱性能）
ＮＬＯＳ実験において、８０２．１１ｇ／ｎ送信機及びタグを室内に設置し、受信機を離間させて通路に移動させた。図１１Ａは、このセットアップにおけるシステムのスループットを示している。受信機は、タグから２２ｍ離間したとき、後方散乱パケットを受信することができる。ＬＯＳ展開と同様に、受信機がタグから１４ｍ未満離間したとき、約６０ｋｂｐｓのデータレートが達成される。距離がより長くなると、後方散乱のスループットは約２０ｋｂｐｓまで低下する。図１１Ｂは、ＮＬＯＳ展開におけるシステムのＢＥＲを示している。ＬＯＳ展開と同様に、低いＢＥＲが種々の距離に亘って達成される。しかしながら、図１１Ｃに示される通り、−８４ｄＢｍが２２ｍで達成されるにも関わらず、後方散乱通信は、２２ｍで停止するように見受けられる。受信機がタグから２２ｍを超えて離間すると、図９Ｂに示される通り、後方散乱信号は、受信機への到達に先立ってもう１つの壁を通過する必要がある。結果として、信号は、過剰に微弱となり、パケットヘッダが検出されなくなる。

（ＺｉｇＢｅｅによる後方散乱）
図１２Ａは、ＺｉｇＢｅｅ受信機がタグから離間して移動する際の、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示している。受信機は、約２２ｍ離間したところから後方散乱パケットを受信する。図１２Ｂは、ＺｉｇＢｅｅ受信機がタグから離間して移動する際の、本発明の一実施形態に係るタグのＢＥＲ(ビットエラーレート)を示している。図１２Ｃは、受信信号強度がＺｉｇＢｅｅ無線通信のノイズフロアに近い２２ｍで−９７ｄＢｍまで下がる様子を示している。従って、より長い距離で後方散乱パケットを受信することが難しくなる。受信機がタグから１２ｍ未満離間するとき、約１４ｋｂｐｓの後方散乱データレートが達成される。さらに距離が遠くなると、スループットの低下が深刻でなくなる。２０ｍの距離で１２ｋｂｐｓのデータレートが達成される。すべての距離に亘って、達成されるビットエラーレートは約５ｅ^−２であり、励起信号が８０２．１１ｇ／ｎである場合より高い。

（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈによる後方散乱）
図１３Ａは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機がタグから離れて移動する際の、本発明の一実施形態に係るタグのスループットを示している。受信機は、後方散乱パケットを１２ｍまで復号することが見て取れる。図１３Ｂは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ受信機がタグから離れて移動する際の、本発明の一実施形態に係るタグのＢＥＲを示す。図１３Ｃは、後方散乱信号が、ノイズフロアに近い、１２ｍにおいて−１００ｄＢｍの強度を有することを示している。従って、さらに遠い距離で後方散乱パケットを復号することが難しくなる。受信機がタグから１０ｍ未満の距離で離間するとき、約５０ｋｂｐｓのデータレートが達成される。スループットは１２ｍで１９ｋｂｐｓまで下がり、ＢＥＲが０．２３まで増加する。

（送信機とタグとの間の距離の影響）
この影響を測定するため、タグと送信機との間の距離を後方散乱通信が維持可能な地点まで変動させた。図１４は、この実験の結果を示している。送信機−タグ間距離が４ｍにて８０２．１１ｇ／ｎ信号を後方散乱したとき、最大の受信機−タグ間の距離を測定したところ、８ｍであった。これは、送信機−タグ間距離が１ｍであるときに達成可能な４２ｍより短い。受信機−タグ間の通信距離が短くなると、達成可能な送信機−タグ間距離が僅かに増加する。タグシステムの動作形態が図１４の領域２１０に示されている。

ＺｉｇＢｅｅ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信が使用されるとき、送信機−タグ間距離及び受信機−タグ間距離の双方がより短くなる。ＺｉｇＢｅｅ及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈについての最大の送信機−タグ間距離は、各々、２ｍ及び１．５ｍであり、タグシステムの対応動作形態は、各々、２２０及び２３０でマークされている。双方の形態において、ＺｉｇＢｅｅ及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信の送信電力がより少なくなるため（５ｄＢｍ及び０ｄＢｍ対１５ｄＢｍ）、８０２．１１ｇ／ｎ信号が使用されるときに比較して小さくなっている。

（ＷｉＦｉネットワークとの共存）
本発明の実施形態によると、タグが既存のＷｉＦｉネットワークと共存可能であるかどうかを判定するために、ラップトップがチャンネル６（２．４３７ＧＨｚ）を介してファイルを転送するＷｉＦｉトラフィックを生成した。その後、後方散乱を約２．４７２〜２．４８ＧＨｚ（正確な周波数は、励起信号の種別に応じて決まる）で進行した。後方散乱チャンネルがＷｉＦｉチャンネルと衝突しないとき、ＷｉＦｉトラフィック及び後方散乱が互いにいかに影響を及ぼすかを判定するために、測定を行った。

（後方散乱はＷｉＦｉに影響を及ぼすか）
図１５は、後方散乱タグが存在するとき、又は存在しないときのＷｉＦｉスループットを示している。後方散乱がないとき、ＷｉＦｉは、約３７．４Ｍｂｐｓの中央データレートで送信を行うことができる。そして後方散乱は、ＷｉＦｉ受信機から１ｍ離れて配置されて、ＷｉＦｉスループットが測定される。タグは、３つのコードワード翻訳機で連続的に進行するが、このうちの１つが後方散乱８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉのものであり、１つがＺｉｇＢｅｅであり、１つがＢｌｕｅｔｏｏｔｈのものである。測定された中央ＷｉＦｉスループットは、各々、３７Ｍｂｐｓ、３７．９Ｍｂｐｓ、及び３６．８Ｍｂｐｓであり、後方散乱タグが存在しないときのＷｉＦｉスループットに近い。このため、後方散乱タグは、既存のＷｉＦｉトラフィックに対する干渉を生じることはない。

（ＷｉＦｉは後方散乱に影響を及ぼすか）
同時発生のＷｉＦｉトラフィックが後方散乱復号に影響を及ぼすか否かを判定するために、以下の実験を行った。タグがＷｉＦｉトラフィックに占有されたチャンネル内のデータを後方散乱するとき、ＷｉＦｉトラフィックは後方散乱信号より通常約３０ｄＢ高いため、後方散乱スループットがゼロまで落ちる。従って、後方散乱は損なわれる。そこで、隣接のチャンネルにおいてＷｉＦｉトラフィックが存在する場合に後方散乱がいかに行われるかを理解するため、既存のＷｉＦｉトラフィックが後方散乱と同一のチャンネルを共有しない条件の下、実験を行った。

図１６（Ａ）は、チャンネル１３（２．４７２ＧＨｚ）においてタグ後方散乱とともに励起信号として８０２．１１ｇ／ｎＷｉＦｉが使用され、且つ、ＷｉＦｉトラフィックがチャンネル６（２．４３７ＧＨｚ）を進行するときの後方散乱スループットを示している。ＷｉＦｉトラフィックがないとき、６１．８ｋｂｐｓの中央後方散乱スループットが達成される。ＷｉＦｉトラフィックが存在するとき、後方散乱スループットは６１．８ｋｂｐｓにとどまる。しかしながら、ＷｉＦｉトラフィックがない時間の２０％については後方散乱が６８ｋｂｐｓに到達することができ、ＷｉＦｉトラフィックが存在する時間の１０％については、３５ｋｂｐｓまで悪化することが見て取れる。従って、ＷｉＦｉトラフィックの存在が後方散乱のスループットに影響を及ぼしている。この影響を最小化するために、後方散乱のためのチャンネルを保管するＲＴＳ−ＣＴＳとともに、非特許文献１３に記載のものと同様の技術を使用してもよい。

図１６（Ｂ）及び１６（Ｃ）は、タグがＺｉｇＢｅｅ信号及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈ信号を各々後方散乱するときの後方散乱のスループットを示している。双方の実験において、タグは、チャンネル２．４８ＧＨｚ上で後方散乱を行う。ＷｉＦｉトラフィック間に存在するか、存在しない後方散乱スループットの差異は、たったの１〜２ｋｂｐｓ程度であることが見て取れる。従って、ＺｉｇＢｅｅ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈの無線通信が利用されるとき、既存のＷｉＦｉトラフィックが後方散乱の性能に影響を及ぼすことはない。この理由の１つとして、このような無線通信はともに狭帯域であるため、バンド外の干渉における性能が良好となるためである。

（ＭＡＣ層性能を評価する）
多数のタグと通信する際のシステムの性能についても研究がなされている。図１７（Ａ）は、各々、４、８、１２、１６、及び２０のタグが送信機のパス内に配置されたときの総スループットを示している。総スループットは、２つの理由で単一タグより低い。すなわち、制御オーバーヘッドと、衝突である。タグの数が増えるほど、総スループットは増加する。これは、より多くの送信スロットが使用されるときに低減する制御オーバーヘッドの相対的比率によるものである。２０を超えるタグにシミュレーションを拡張すると、スループットは、約１８ｋｂｐｓまで漸近的に接近する。衝突が無い場合（すなわち、ＴＤＭ方式）、シミュレーションのスループットは、約４０ｋｂｐｓまで漸近的に接近する。

データのニーズが低く、アクティブなタグの数が警告無しに増減可能な、在庫追跡等の適用には、ＦｒａｍｅｄＳｌｏｔｔｅｄＡｌｏｈａが非常に適している。本発明の実施形態によると、さらに多くのデータ集約型の適用において、時間分割方式の利益が得られるであろうし、タグにおける実施が可能であろう。以上の解析は、単一ＭＡＣ層設計に限定されるものであった。

図１７（Ｂ）は、非特許文献２に記載の通り、４、８、１２、１６、及び２０のタグが存在するときのＪａｉｎの公平性指標を示している。スケジューラは、より多くのタグが存在するとき、より多くの数のスロットを動的に割り当てるため、タグの数が増加すると、公平性指標はほぼ同一に保たれる。２０のタグが存在するとき、平均公平性指標は、０．８５であり、タグの大部分がデータ送信について依然として同様の機会を得ていることを提示している。

本発明の実施形態についての以上の説明は、例示であり、限定を意味するものでない。例えば、本発明の種々の実施形態は、信号送信に使用される通信プロトコル、８０２．１１ｇ／ｎ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ、又はその他に限定されるものでない。当業者にとって、その他の変更及びバリエーションが明らかであり、これらも、添付のクレームの範囲内であることが意図される。

Claims

後方散乱タグ通信装置であって、
複数のコードワードを規定して第１周波数を特徴とする通信プロトコルに準拠したパケットを受信するように構成された受信機と、
送信のために前記後方散乱タグを呼び出すデータに応じて、前記パケット内に配された前記複数のコードワードの少なくとも第１サブセットの各々を、前記プロトコルによって規定された前記複数のコードワードの他の１つに翻訳するように構成されたコードワード翻訳機と、
前記第１周波数とは異なる第２周波数で、前記コードワード翻訳機から供給される前記パケットを送信するように構成された送信機とを備える後方散乱タグ通信装置。
コードワードの前記翻訳は、前記コードワードの位相を変化させることによって達成される請求項１に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記通信プロトコルは、ＺｉｇＢｅｅ又はＷｉＦｉ８０２．１１（ｇ）又はＷｉＦｉ８０２．１１（ｎ）通信プロトコルのうちの１つである請求項２に記載の後方散乱タグ通信装置。
コードワードの前記翻訳は、前記コードワードの周波数を変化させることによって達成される請求項１に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記通信プロトコルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信プロトコルである請求項４に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記位相変化は、前記送信機のデータレートによって規定される請求項２に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記後方散乱タグ通信装置は、ランダムに複数のタイムスロットのうちの１つにおいて、前記コードワード翻訳機で供給されるパケットを送信する請求項１に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記複数のタイムスロットは、可変数である請求項７に記載の後方散乱タグ通信装置。
受信した前記パケットは、複数の事前規定値のうちの１つから選択された期間を有する請求項１に記載の後方散乱タグ通信装置。
前記後方散乱タグ通信装置は、受信した前記パケットの前記期間を検出するエンベロープ検出器をさらに備える請求項９に記載の後方散乱タグ通信装置。
後方散乱タグを介した通信方法であって、
複数のコードワードを規定して第１周波数を特徴とする通信プロトコルに準拠したパケットを受信することと、
送信のために前記後方散乱タグを呼び出すデータに応じて、前記パケット内に配された前記複数のコードワードの少なくとも第１サブセットの各々を、前記プロトコルによって規定された前記複数のコードワードの他の１つに翻訳することと、
前記第１周波数とは異なる第２周波数で、前記コードワード翻訳機から供給される前記パケットを送信することとを備える方法。
コードワードの前記翻訳は、前記コードワードの位相を変化させることにより達成される請求項１１に記載の方法。
前記通信プロトコルは、ＺｉｇＢｅｅ又はＷｉＦｉ８０２．１１（ｇ）又はＷｉＦｉ８０２．１１（ｎ）通信プロトコルのうちの１つである請求項１２に記載の方法。
コードワードの周波数を変化させることによって前記コードワードを翻訳することをさらに備える請求項１１に記載の方法。
前記通信プロトコルは、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信プロトコルである請求項１４に記載の方法。
前記位相変化は、前記パケットを送信する送信機のデータレートによって規定される請求項１２に記載の方法。
ランダムに複数のタイムスロットのうちの１つにおいて、翻訳された前記パケットを送信することをさらに備える請求項１に記載の方法。
前記複数のタイムスロットは、可変数である請求項１７に記載の方法。
受信した前記パケットは、複数の事前規定値のうちの１つから選択された期間を有する請求項１に記載の方法。
前記後方散乱タグは、受信した前記パケットの前記期間を検出されるように構成されたエンベロープ検出器を備える請求項１９に記載の方法。