Kapitel 3: RFID. Inhalt 1. Einführung in RFID-Systeme 2. HF-RFID 3. HF-Standard ISO/IEC Kurze Einführung ins EPC Gen2 UHF-RFID-System

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1 Kapitel 3: RFID NTM2, RFID, 1 Inhalt 1. Einführung in RFID-Systeme 2. HF-RFID 3. HF-Standard ISO/IEC Kurze Einführung ins EPC Gen2 UHF-RFID-System Referenzen [1] Klaus Finkenzeller, RFID-Handbuch, 5. Auflage, Hanser, [2] M. Lampe, Ch. Flörkemeier, St. Haller, Einführung in die RFID-Technologie, => Text-Skript (freiwillig) [3] [4] R. Küng, M. Rupf, RFID-Blockkurs, ergänzende MSE-Veranstaltung, ZHAW, 2009.

2 1. Einführung in RFID-Systeme NTM2, RFID, Barcode-Identifikationssysteme sind oft nicht mehr ausreichend u.a. wegen geringer Speicherfähigkeit, fehlender Programmierbarkeit, starker Beeinflussung durch Schmutz und Nässe, Totalausfall bei optischer Abdeckung, => in vielen Gebieten setz(t)en sich RFID-Systeme durch Radio Frequency Identification (RFID) berührungsloses Lesen und Speichern von Daten auf Transponder Transponder/Tag ermöglicht automatische und schnelle Identifikation Vielzahl von RFID-Systemen in ganz verschiedenen Anwendungen Logistik (supply chain management), Zutrittskontrolle, kontaktloses Ticket im ÖV, Lastwagen-Maut, Buchausleihe, Pass, von unbedenklichen bis problematischen Anwendungen (Datenschutz)

3 1. Bestandteile eines RFID-Systems NTM2, RFID, 3 typisch wenige cm bis wenige Meter Applikation RFID- Reader Koppelelement (Spule, Antenne) lesen Daten Energie,Takt schreiben, speichern Transponder meist mit Chip Kopplung mit Spule für Frequenzen 125/134 khz und MHz induktiv im Nahfeld grosse Mehrheit der heute verkauften Systeme Schreib- und Lesereichweiten einige cm bis 1 m Kopplung mit Antenne für Frequenzen bei 868 MHz, 2.4 GHz und 5.8 GHz elektromagnetisch im Fernfeld Schreib- und Lesereichweiten bis 3-8 m

4 1. Frequenzbänder NTM2, RFID, 4 27 MHz Eurobalise DSRC Mautsysteme

5 1. Verschiedene Tag-Bauformen NTM2, RFID, 5 Spulen (induktiv, Nahfeld- Kopplung) gefaltete Dipol- Antennen (elektromagnetisch, Fernfeld-Kopplung)

6 1. Verschiedene HF-RFID-Tags NTM2, RFID, MHz smart label disc / coin

7 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 7

8 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 8 Reader => Tag ASK-Modulation (Hüllkurven- Detektor)

9 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 9

10 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 10 Aktiv-RFID bezeichnet mehr eine Applikation als eine Technologie es gibt WiFi-Tags (z.b. von Ekahau), Bluetooth-Low-Energy-Tags, usw.

11 1. Speicherkapazität NTM2, RFID, 11 1-Bit-Transponder (chipless) Transponder im Feld bzw. nicht im Feld Read-only-Transponder kostengünstig sendet im Reader-Bereich permanent ID (unidirektional) Einsatzbeispiel: Industrieautomation mit zentraler Datenführung EEPROM-Speicher (oder FRAM: Ferroelectric RAM) typisch bei induktiv gekoppelten Systemen Speicherkapazität 16 Byte bis 8 kbyte (64 kbit) batteriegepufferte SRAM-Speicher typisch bei Mikrowellensystemen Speicherkapazität 256 Byte bis 64 kbyte Speicherkapazität beeinflusst Chipgrösse bzw. Preis

12 1. 1-Bit-Transponder NTM2, RFID, 12 Energie (Wechselfeld) f G Transmitter Rückwirkung (bei Resonanz) EAS-Label (LC-Schwingkreis) (EAS: elektronische Artikelsicherung) Sollbruchstellen Folienkondensator (Deaktivierung mit starkem Magnetfeld) Spannung an Generator-Spule Resonanzbereich LC-Schwingkreis 8.2 MHz ± 10% (Wobbelbereich) Frequenz f G

13 1. Frequenz, Reichweite, Kopplung NTM2, RFID, 13 induktiv gekoppelt Reichweite einige cm bis 1 m Reichweite Durchmesser Reader-Spule für Kreditkarten-Tags LF: typ. 125/134 khz, Tag-Koppelspule mit sehr vielen Wicklungen HF: typ MHz, Tag-Koppelspule mit nur wenigen Wicklungen kostengünstiger als LF-Tag!, typ. weniger Störungen als bei LF! Übertragung im Antennen-Nahfeld << λ/2π (noch keine EM-Welle) Beispiel: MHz => λ=22.1m => Nahfeld < 3.5m H-Feld nimmt mit 1/r 3 bzw. 60 db / Dekade ab gute Durchdringung bei Flüssigkeiten, aber Probleme bei Metall elektromagnetisch gekoppelt Reichweite 3 8 m (passiv) bzw. bis 15 m (semi-passiv) UHF: typ. 868 MHz ( MHz weltweit) Übertragung im Antennen-Fernfeld >> λ/2π EM-Feld nimmt mit 20 db pro Dekade ab (Freiraumausbreitung) Probleme bei Flüssigkeiten und bei Metall

14 1. Verschiedene Reader NTM2, RFID, 14 NFC-Handy UHF-Reader (max. 4W EIRP) Gate mit UHF-Reader Tunnel- Reader HF Reader Stick mit integrierter Antenne nur Reader-Chip kein zusätzlicher PowerAmp (max mw) UHF- Antenne

15 1. HF long range reader aus [4] NTM2, RFID, 15 FPGA/DSP Processing LAN /WLAN RF Tx (12 W) and Rx d max = 1 m SDR Architecture Price 2400 GPIO Product example: Feig Electronic

16 2. HF-RFID: Reader aus [4] NTM2, RFID, 16 TX DATA Reader => Tag ASK-Modulation C1 PA CONTROL UNIT CARRIER ENABLE RX DATA LNA R1 L1 INDUCTIVE ANTENNA Serie- Resonanz (Strom!) f r 2 1 L C 1 1

17 Spannung beim Tag-Chip 2. Generierung der Tag-Spannung NTM2, RFID, 17 nützlich für Frequenzen bis 100 MHz Last L2 C2 Resonanz Peak einfach verstimmbar (z.b. Tag nahe leitender Oberfläche) Frequenz [MHz] (2π f MHz HF-Tag mit einer Spule mit wenigen Windungen res ) LC 1 L ~1/f res & L ~ N N ~ 1/f res LF-Tag-Spule: N= Wdg => HF-Tag-Spule: N = 3-10 Wdg. (!!!)

18 2. Lesereichweite NTM2, RFID, 18 Kopplungsfaktor k ~ r r 2 R R r r T 2 T cos( ) 2 2 r x 3/ 2 R Design Regel: mache klein, Antenne r 2 gross Feldstärke (~k) verkleinert sich mit 1/x 3 RF Leistung (~k 2 ) verkleinert sich mit -60 db / Dekade Faustregel: Lesereichweite von Kreditkarten-Tags Durchmesser der Reader Antenne (vorausgesetzt Tx-Power ist gross genug)

19 2. Reader => Tag: ASK Modulation NTM2, RFID, 19 ASK-Modulation (Mod.-Tiefe %)

20 2. Tag => Reader: Lastmodulation NTM2, RFID, 20 aus [1] y(t) Rx-Signal im Reader => AM mit sehr grossem Träger z.b. data 0 (Manchester coded) z.b. f H = f c / 32 z.b. R b = f c / 512 T b t y(t) z.b. data 0 IY(f)I Info (ID) steckt in den Seitenbändern grosse Differenz (z.b. 80 db) Schwingung mit f c (nicht gezeichnet) t T b f f c -f H f c f c +f H

21 2. Tag => Reader: Lastmodulation NTM2, RFID, 21 Tag-response in baseband T b t 0 f Tag-response subcarrier-modulated T b t -f sub 0 f sub f reader envelope t T b f c -f sub f c f c +f sub f

22 Teil von NFC (Near-Field-Communication) 2. Einige LF- und HF-RFID-Standards NTM2, RFID, 22 Ziel Readers und Tags von verschiedenen Herstellern sind kompatibel typischerweise ist der Tx standardisiert, nicht aber der Rx => Wettbewerb! LF ISO/IEC 11784/5 RFID of animals (1996) HF ISO/IEC Identification Cards Proximity Cards (2001) Reichweite bis 10 cm, Datenrate bis 106 kb/s Mifare-Produkt Variante ISO/IEC Identification Cards Vicinity Cards (2001) Reichweite bis 1 m, Datenrate bis 26 kb/s auch ISO/IEC mode 1 ISO/IEC mode 3 (item management standard) HF-Version von EPC Gen2 UHF, höhere Daten- und Leserate

23 2. NFC-Standard NTM2, RFID, 23 NFC-Device e.g. Google Galaxy Nexus, Samsung S3/S4 NFC-initiator transmits alternatively NFC-target (active receiver used) Peer-to-Peer-mode ASK-modulation max. 424 kb/s, max cm e.g. to exchange business card info transmits alternatively market driver pay-app / e-ticketing Sony FeliCa-Card (ISO 15693) load modulation (not always supported) aus [1] load modulation

24 3. HF-Standard ISO NTM2, RFID, 24 Norm für kontaktlose Chip-Karten Basis für viele andere smart-label-produkte MHz, Reichweite < 1 m (vicinity coupling) Standard von 2001 mit 3 Teilen ISO :2000: Physical Characteristics CHF ISO :2006: Air Interface and Initialization CHF ISO :2009: Anticollision and transmission protocol CHF Begriffe VCD: vicinity coupling device ( reader ) VICC: vicinity card ( tag )

25 3. ISO Luftschnittstelle NTM2, RFID, 25 Modulations- und Kodierverfahren Reader (VCD) -> Karte (VICC) 10% und 100% ASK, 2 PPM-Kodierverfahren, Framing (SOF/EOF) 1 aus 256 Pulspositionen (long distance mode) SOF (start of frame) ms 1 aus 4 Pulspositionen (fast mode) EOF (end of frame) 1.65 kb/s SOF (start of frame) μs EOF (end of frame) kb/s

26 3. ISO Luftschnittstelle NTM2, RFID, 26 Lastmodulation Karte -> Reader Datenrate 1 Hilfsträger (ASK) 2 Hilfsträger (FSK) khz khz / khz low 6.62 kb/s (f c /2048) 6.67 kb/s (f c /2032) high kb/s (f c /512) kb/s (f c /508) μs μs Betragsspektrum - 3 db Q zu gross BP-Charakteristik der Leser-Antenne (Q = f c / B 3dB < 20) f c khz f c MHz f c khz f

27 3. ISO Protokoll NTM2, RFID, 27 Unique Identifier (UID, 64 Bit lang) 0xE0 (8 Bits) Hersteller-Code (8 Bits) Serienummer des IC-Herstellers (48 Bits) Speicherorganisation max. 256 Datenblöcke à je max. 256 Bits, d.h. max. 8 kbyte (64 kbit) Speicher Schreib-/Lese-Zugriff auf einen oder mehrere Blöcke Protokoll-Konzept Reader Karte Request vorgeschriebene Befehle: inventory, optionale Befehle: read/write single/multiple blocks, kundenspezifische und proprietäre Befehle Response aus [5] Zeit aus [5]

28 3. ISO Protokoll NTM2, RFID, 28 Inventory mit 1 Slot (Abfrage einzelne UID) oder 16 Slots (Antikollision) Reader slot 0 (success) slot 1 (idle) slot 2 (collision) slots 3-15 (oder Abbruch) SOF Inventory EOF EOF EOF EOF EOF Karten antworten, wenn [Slot-Nummer, Maske] mit [LSBs der UID] übereinstimmt UID1 UID3 Vergleich zwischen Maske, slot-nummer und UID ohne Maske: Tag antwortet in Slot-Nummer = UID modulo 16 Leserate ca Tags / s

29 3. ISO Protokoll NTM2, RFID, 29 Read Single Block unadressiert 8 bits 8 bits 64 bits 8 bits 16 bits Reader SOF Flags Com UID (optional) Block CRC16 EOF 8 bits typ. 32 bits 16 bits Karte SOF Flags Daten CRC16 EOF schnellster Zugriff auf vorbeifahrende Tags z.b. auf Förderband single block enthält ID Beispiel Tag (z.b. auf Förderband) 0.1 m Reader-Feld 3 m/s Verweildauer im Feld: 33 ms ca. 100 Bit mit ca. 26 kb/s übertragen: 4 ms => Tag kann ca. 6-8 mal gelesen werden nur 1 Tag im Lesefeld erlaubt!

30 4. Kurze Einführung in EPC Gen2 UHF-RFID-System NTM2, RFID, 30 EPCglobal (http://www.epcglobalinc.org/home) develops industry-driven standards for the Electronic Product Code (EPC, 96 bits) to support the use of (UHF) RFID in today s trading networks. subscriber-driven organisation that creates global standards for the EPCglobal Network trys to increase visibility and efficiency throughout the supply chain and higher quality information flow between companies and key trading partners History formed in 2003 to take over the activities of the Auto-ID Center from the MIT 2nd-generation RFID-standard ( Gen2 ) became publicly available in 2005 International Standards Organization (ISO) adopted the EPC Gen2 UHF-RFID- Standard as part of the ISO series of item management RFID-standards, as ISO C.

31 MHz MHz 4. EPC Gen2 UHF-RFID-System NTM2, RFID, 31 Gen2 tags can be used world wide support the UHF-range MHz support different data rates R=>T: kb/s ASK-modulation T=>R: kb/s, modulated backscattering Gen2 readers are compliant with regional/national regulation Europe MHz (4 channels of BW=200 khz, max. 2W ERP [3.3W EIRP]) North-America MHz (50 channels of BW=500 khz, 2.5 hop/s, max. 4W EIRP)

32 4. EPC Gen2 UHF-RFID-System NTM2, RFID, 32 Reading range is power limited optimistic link budget ( no multipath environment) L free [db] = log 10 (f [GHz]) + 20 log 10 (d[m]) d = 10 ( ) / 20 = 7.8 m - 16 dbm (25 μw) received at tag + 33 dbm Path Loss 49 8 m Loss 3 10dB - 68 dbm Path Loss 49 8 m interference < -78 dbm such that SNR > 10 db -19 dbm strongest possible backscatter signal

33 4. Gen2 Q-Anticollision-Algorithm NTM2, RFID, 33 the reader initiates an inventory round with 2 Q -slots the tags randomly select a slot in the interval [0,2 Q -1] to reply Example with K=7 tags and Q=3 K=7 tags and their selected slot numbers Q slots (I: idle, S: success, C: collision): I I S C S S I C here, tags 0, 5 and 6 are successful in slots 4, 2 and 5 respectively and do not attend the next inventory round any more the reader modifies Q, i.e. # of slots of the next inventory round depending on the # of idles, successes and collisions e.g. Q is increased if there were too many collisions in the last inventory round tags that were successfully identified do not attend new inventory rounds the reader continues initiating new inventory rounds until Q=0 and the corresponding slot is idle

34 4. Gen2 Q-Anticollision-Algorithm NTM2, RFID, 34 Performance is controlled by the Q parameter from slotted Aloha theory: max. success rate 37% Q is too large => too many idles Q is too small => too many collisions resulting EPC Gen2 reading rate tag/s (compared to tag/s for ISO 15693) Q is optimal when the # of slots of an inventory round # of unidentified tags But: How can the # of unidentified tags be estimated? => NO solution in the standard! => simplest answer: # of unidentified tags 2 times # of collisions!

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