RFID（無線周波数識別）は、自動識別およびデータ収集の分野における基盤技術です。一般的な定義とは異なり、技術的には、RFIDは非対称無線通信システムであり、電磁場または電波を使用して、質問デバイスと応答デバイス間でデータを転送します。

このドキュメントでは、物理層、変調メカニズム、アンテナ技術、信号に影響を与える環境要因、および実際の運用効率の分析について詳しく解説します。

1. 物理原理と結合メカニズム

RFIDのデータ伝送能力は、動作周波数と磁場からの距離に応じて、2つの異なる物理原理に基づいています。

誘導結合 - 近距離場

このメカニズムは、低周波LF 125 kHzおよび高周波HF/NFC 13.56 MHzシステムに適用されます。

近距離場は、距離d < λ / 2π（λは波長）で定義されます。

ファラデーの電磁誘導の法則に基づいて動作します。リーダーのアンテナは、変動する磁場を生成するコイルです。RFIDタグに含まれる二次コイルがこの磁場に入ると、誘導起電力が発生し、マイクロチップに電力を供給する電流が生成されます。

データは、負荷変動法を介してリーダーに送信されます。タグのマイクロチップは、アンテナと並列に負荷抵抗をオン/オフし、相互インピーダンスを変化させ、それによってリーダーのコイルで電圧降下を引き起こします。リーダーは、この電圧の変化をバイナリデータにデコードします。磁場は1/r³の割合で減衰するため、読み取り範囲は通常1メートル未満に制限されます。

後方散乱結合 - 遠距離場

このメカニズムは、超高周波UHF 860〜960 MHzおよびマイクロ波2.4 GHzシステムに適用されます。

レーダーの原理に基づいて動作します。リーダーは、空間を伝播する電磁波を放射します。タグのマイクロチップは、2つの状態間の入力インピーダンスを変更することにより、アンテナの反射係数またはレーダー断面積RCSを変更します。リーダーは、反射波の強度の変化を検出してデータをデコードします。

ここで、減衰は距離の2乗（d²）に比例し、最大10〜15メートル以上の動作範囲を可能にします。

2. アンテナ理論と偏波

UHF RFIDシステムのパフォーマンスは、アンテナの設計と偏波の同期に大きく依存します。

直線偏波

電磁波は、水平または垂直などの単一の平面上で振動します。

• 利点：エネルギーが集中しているため、最長の読み取り距離。
• 欠点：タグアンテナとリーダーアンテナが平行である必要があります。タグが波に対して垂直である場合、または交差偏波が発生した場合、リーダーは信号を受信しません。

円偏波

電磁波は、移動するときにらせん状に回転し、右回転または左回転が可能です。

• 利点：タグを任意の方向で読み取ることができ、商品がランダムに配置されている小売環境に適しています。
• 欠点：直線偏波と比較して約3dBの電力（エネルギーの50％）が失われるため、読み取り距離がわずかに短くなります。

利得とビーム幅

• 高利得（例：9〜12 dBi）：ビームが狭く、遠くまで届きます。倉庫のゲートやコンベヤーに適しています。
• 低利得（例：-20〜3 dBi）：ビームが広く、近距離場です。スマートシェルフまたは近隣のタグの誤読を避けるための支払いポイントに適しています。

3. アーキテクチャとタグの分類

RFIDタグは、エネルギー源とメモリ構造に基づいて技術的に分類されます。

エネルギー源による分類

• パッシブタグ：内部電源はありません。RF波のエネルギーによって動作します。低コスト、長寿命。
• セミアクティブタグ：チップとセンサーに電力を供給するバッテリーを内蔵していますが、依然として後方散乱方式を使用して情報を送信します。パッシブタグよりも感度が高くなっています（-30dBm対-18dBm）。
• アクティブタグ：バッテリーとアクティブな送信機があります。読み取り範囲は100mを超えます。

EPC Gen 2メモリアーキテクチャ

ISO/IEC 18000-63規格は、4つのメモリパーティションを規定しています。

1. セキュリティパーティション（バンク00）：32ビットのアクセスパスワードと32ビットのタグ削除パスワードが含まれています。
2. EPCパーティション（バンク01）：96ビットから496ビットの電子製品コードが含まれています。これは識別するための主要なキーです。プロトコル制御ビットとCRC-16エラーチェックコードも含まれています。
3. TIDパーティション（バンク10）：トランスポンダ識別コード。メーカーコードとチップの固有シリアル番号が含まれています。このデータは通常、偽造防止のために工場から書き込まれています。
4. ユーザーパーティション（バンク11）：ユーザー向けのカスタマイズ可能なメモリ（512ビット-8 Kバイト）。ネットワーク接続がない場合に追加情報を保存するために使用されます。

4. 無線インターフェースと信号変調

リーダーからタグへ

振幅変調を使用します。データはパルス間隔符号化技術を使用してエンコードされます。この技術では、値「0」は短いパルスであり、「1」は長いパルスです。重要な特徴は、ビットサイクルの大部分で常に高い波エネルギーを維持し、タグがデータを受信しているときに電力が失われないようにすることです。

タグからリーダーへ

タグは反射係数を変更することにより、わずかに応答します。エンコードにはFM0またはミラーサブキャリアが使用されます。

• FM0：最高速度ですが、ノイズの影響を受けやすいです。
• ミラー（M=2、4、8）：速度は遅くなりますが、耐ノイズ性は非常に優れています。金属が多い環境または電波干渉がある環境では、リーダーはタグにミラーM=4またはM=8モードに切り替えるように要求します。

5. 衝突防止アルゴリズム

数百のタグが同時に応答すると、信号の衝突が発生します。UHF Gen 2システムは、ランダムなスロット付きALOHAアルゴリズム、別名Qアルゴリズムを使用します。

1. リーダーは、パラメーターQを含むQueryコマンドを発行します（例：Q=4、これは2^4 = 16タイムスロットに相当します）。
2. 各タグは、範囲[0、2^Q-1]で16ビットの乱数を自己生成します。
3. 番号0を取得したタグはすぐに応答します。
4. リーダーは、その乱数を含む確認信号を送信します。
5. タグは完全なEPCコードを返送します。
6. 衝突が発生した場合（複数のタグが同じ番号0を取得した場合）、リーダーはタグに別の番号を選択するように要求するコマンドを送信します。

6. 環境要因と減衰

実際のRFIDの展開は、環境の物理現象により、理論よりも複雑です。

• マルチパスフェージング効果：UHF波は、壁、床、金属を介して反射し、アンテナへの複数の伝送パスを作成します。これらの波は互いに破壊的に干渉し、読み取り領域にデッドスポットを作成する可能性があります。これが、タグがアンテナの非常に近くにあるにもかかわらず、読み取れない場合がある理由です。
• エネルギー吸収：水および極性液体は、UHF波エネルギーを強く吸収します。人体も大きな信号減衰を引き起こします。
• 周波数シフト：RFIDタグを金属表面に近づけすぎると、寄生容量がタグアンテナの共振周波数を変化させ、リーダーの915 MHz波をキャプチャできなくなります。絶縁層を備えた特殊なタグを使用する必要があります。

7. セキュリティとGen 2 V2規格

盗聴や偽造の危険に対抗するために、Gen 2バージョン2規格にはセキュリティ機能が追加されました。

• 暗号認証：タグとリーダーは、AES-128アルゴリズムを使用したチャレンジレスポンスメカニズムを介してIDを証明する必要があります。タグの偽造を防ぎます。
• 匿名性機能：タグがメモリの一部または全部を非表示にしたり、ランダムな応答を変更して、タグを運ぶ人の位置の追跡を防ぐことができます。
• ユーザーメモリロック：特定のメモリ領域を永続的にロックして、不正なデータの上書きを防ぎます。

8. ミドルウェアとエッジ処理

リーダーからの生データは、アプリケーションレイヤーイベント規格に従ってミドルウェア層を介してフィルタリングする必要があります。

1. フィルタリング：重複を削除します。タグは1秒あたり50回読み取られる可能性がありますが、システムは「タグAが表示されました」と報告するだけで済みます。
2. スムージング：タグのちらつき、つまり、正常に読み取られているときにノイズによって信号が突然失われ、再び信号が戻ってくる現象を処理します。
3. ロジックマッピング：EPCコード（例：303405...）をビジネス情報（例：Mサイズのシャツ、出荷123）に変換します。

9. ビジネス要因の分析と運用効率

RFIDの適用は、技術的な問題だけでなく、コストとプロセスの最適化戦略でもあります。

サプライチェーンの最適化

• 在庫精度：（バーコードを使用した場合）平均65％から99％以上に向上します。これにより、仮想的な在庫切れとデッドストックが最小限に抑えられます。
• 在庫速度：在庫時間を90〜95％短縮します。1人の従業員が、手動の方法を使用した場合の数百製品と比較して、1時間で20,000製品をスキャンできます。
• トレーサビリティ：EPCコードは各製品ユニットを一意に識別し、工場から販売時点までの正確な追跡を可能にし、偽造防止と効率的な回収管理をサポートします。

投資収益率ROI分析

• タグコスト（変動費）：長期的に最大のコスト要素です。パッシブタグの価格は、数量に応じて4〜10米セントの範囲です。低価格の商品の場合、タグコストが利益率に影響を与える可能性があります。
• インフラストラクチャコスト（固定費）：固定リーダー、ゲートアンテナ、ハンドヘルドデバイス、およびエンコードプリンターが含まれます。
• 統合コスト：ミドルウェアと既存のERPシステムへの統合作業。
• 投資収益：企業は通常、人件費の節約、商品の損失の削減、および棚に常に商品が用意されていることによる売上高の増加により、12〜24か月後に損益分岐点に達します。

10. 典型的な実用的なアプリケーション

スマート交通：ノンストップ料金収受システム（VETC/ePass）

目的：現金支払いのための車両停止時間を排除し、料金所での渋滞を軽減し、収益の透明性を高めます。

技術構成：

• 識別タグ（E-tag）：車両のライトまたはフロントガラスに貼り付けられたUHFパッシブタグを使用します。タグは、日差しや雨の環境に耐え、取り外しを防ぐように設計されています。
• 長距離リーダー：ガントリーに取り付けられ、特定の車線にビームを集中させるために高利得（12 dBi）の直線偏波アンテナを使用します。

運用メカニズム：車両が40〜60 km/hの速度で料金車線に入ると、リーダーは6〜8メートルの距離からE-tagをアクティブにします。バックエンドシステムは、車両の識別コードを認証し、電子ウォレットの残高を確認し、0.2秒以内に自動的に料金を差し引きます。

ファッション小売：ユニクロ/デカトロンモデル

目的：支払い速度（セルフチェックアウト）を向上させ、レジ担当者の数を減らし、絶対的な在庫精度を確保します。

技術構成：

• RFID統合タグ：RFIDチップは、紙の価格タグ（ハングタグ）または布製ラベル（ケアラベル）に直接埋め込まれています。
• POS端末：受信エリアは、信号をローカライズするために電波遮蔽材（ファラデーケージ）で覆われた「コンパートメント」です。

運用メカニズム：顧客は、商品バスケット全体を端末のコンパートメントに置きます。内部のリーダーは、製品の位置や向きに関係なく、すべてのタグを同時にスキャンします（バッチ読み取り）。データはERPシステムと照合され、請求書が表示されます。

資産管理とロジスティクス

目的：フォークリフトを停止せずに、倉庫への商品の出入りを自動化します。

運用メカニズム：読み取りゲート（RFIDポータル）は、倉庫のドア（ドックドア）に取り付けられています。フォークリフトがパレットを運んで通過すると、読み取りゲートはカートンのすべてのタグとフォークリフトの識別タグをスキャンします。WMSシステムは、ステータスを自動的に「入庫」または「出庫」に更新します。

11. まとめ

最新のRFID技術は、電磁場物理学、低電力マイクロチップ技術、確率統計理論、および暗号化の組み合わせです。展開を成功させるには、周波数の選択、アンテナの設計などの技術的要素と、タグコストの制御や運用プロセスの再構築などのビジネス要素とのバランスが必要です。