RFID-Handbuch HANSER. Klaus Finkenzeller. Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten

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1 Klaus Finkenzeller RFID-Handbuch Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten 4., aktualisierte und erweiterte Auflage HANSER

2 V Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 4. Auflage XV 1 Einführung Automatische Identifikationssysteme Barcode-Systeme Optical Character Rccognition Biometrische Verfahren Sprachidentifizierung Fingerabdruckverfahren (Daktyloskopie) Chipkarten Speicherkarten Mikroprozessorkarten RFID-Systeme Vergleich verschiedener ID-Systeme Bestandteile eines RFID-Systems 7 2 Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen Grundsätzliche Unterscheidungsmerkmale Bauformen von Transpondern Disks und Münzen Glasgehäuse Plastikgehäuse Werkzeug- und Gasflaschenädentifikation Schlüssel und Schlüsselanhänger Uhren Bauform ID-1, komaktlose Chipkarten Smart Label Coil-on-Chip Weitere Bauformen Frequenz, Reichweite und Kopplung Aktive und passive Transponder Informationsverarbeitung im Transponder Auswahlkriterien für RFID-Systeme Arbeitsfrequenz Reichweite Sicherheitsanforderungen Speicherkapazität 30 3 Grundlegende Funktionsweise bit-Transponder Radiofrequenz Mikrowelle 35

3 VI Inhaltsverzeichnis Frequenzteiler Elektra-Magnctisch Akustomagnctisch Voll- und Halbduplexvcrfahren Induktive Kopplung Energieversorgung passiver Transponder Datenübertragung Transponder > Leser Elektromagnetische Backscatter-Kopplung Energieversorgung der Transponder Datenübertragung Transponder > Leser Close Coupling Energieversorgung der Transponder Datenübertragung Transponder > Leser Datenübertragung Leser > Transponder Elektrische Kopplung Energieversorgung passiver Transponder Datenübertragung Transponder > Lesegerät Sequentielle Verfahren Induktive Kopplung Spannungsversorgung des Transponders Vergleich zwischen FDX-/HDX- und SEQ-Systemcn Datenübertragung Transponder > Leser Obcrflächenwellen-Transponder 61 4 Physikalische Grundlagen für RFID-Systeine Magnetisches Feld Magnetische Feldstärke H Feldstärkevcrlauf H(x) bei Leiterschleifen Optimierter Antennendurchmesser Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Induktivität L 71 4,1.3.1 Induktivität einer Leiterschi eile Gegeninduktivität M Kopplungsfaktor k Induktionsgesetz Resonanz Praktischer Betrieb des Transponders Spannungsversorgung des Transponders Spannungsregelung Ansprechfeldstärke Hmin 85 4.!.9.1 Energiereichweite" von Transpondcrsystemen Ansprechbereich von Lesegeräten 90

4 Inhaltsverzeichnis VII Gesamtsystem Transponder-Lesegerät Transformierte Transponderimpedanz ZT' Einflussgrößen von ZT' Lastmodulation Messung von Systemparametern Messung des Kopplungsfaktors k Messung von Transponderresonanzlrequcnz und Gütefaktor Magnetische Werkstoffe Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und Ferrite Ferritantennen in LF-Transpondern Ferritabschirmung in metallischer Umgebung Einbau von Transpondern in Metall 1 IS 4.2 Elektromagnetische Wellen Entstehung elektromagnetischer Wellen Übergang vom Nah- zum Fernfeld bei Leiterschleifen Strahlungsdichte S Feldwellenwiderstand und Feldstärke E Polarisation elektromagnetischer Wellen Reflexion elektromagnetischer Wellen Antennen Gewinn und Richtwirkung EIRPundERP Eingangsimpedanz Wirksame Fläche und Rückstreuquerschnitt Effektive Länge Dipolantenne Yagi-Uda-Antenne Patch- oder Mikrostripantennen Schlitzantennen Praktischer Betrieb von Mikrowellentranspondern Ersatzschaltbilder des Transponders SpannungsVersorgung passiver Transponder Spannungs Versorgung aktiver Transponder Reflexion und Auslöschung Ansprechempfindlichkeit des Transponders Modulierter Rückstreuquerschnitt Lesereichweite Oberflächen wellen Entstehung einer Oberflächenwelle Reflexion einer Oberflächenwelle 159

5 VIII Inhaltsverzeichnis Funktionsschema von OFW-Transpondern Der Sensoret't'ekt Reflektive Verzögerungsleitung Resonante Sensoren Impedanzsensoren Geschaltete Sensoren Frequenzbereiche und Funkzulassungsvorschriften Verwendete Frequenzbereiche Frequenzbereich khz Frequenzbereich 6,78 MHz (ISM) Frequenzbereich 13,56 MHz (ISM, SRD) Frequenzbereich 27,125 MHz (ISM) Frequenzbereich 40,680 MHz (ISM) Frequenzbereich 433,920 MHz (ISM) UHF-Frequenzbereich Frequenzbereich 865,0 MHz (SRD) Frequenzbereich 915,0 MHz Frequenzbereich 2,45 GHz (ISM, SRD) Frequenzbereich 5,8 GHz (ISM, SRD) Frequenzbereich 24,125 GHz (ISM) Auswahl der Frequenz für induktiv gekoppelte RFID-Systeme Internationale Fernmeldeunion (ITU) Europäische Zulassungsvorschriften CEPT/ERC REC Annex 1: Non-specific Short Range Devices Annex 4: Railway applications Annex 5: Road Transport & Traffic Telematics Annex 9: Inductive applications Annex 11: RFID applications Standardisierte Messverfahren Übergreifende Standards Anwendungsspezifische Messvorschriften Nationale Zulassungsvorschriften in Europa Bundesrepublik Deutschland Induktive Funkanwendungen RFID-Systeme im UHF-Bereich Nationale ZulassungsVorschriften USA Vergleich nationaler Regulierungsvorschriften Umrechnung bei 13,56 MHz Umrechnung auf UHF 198

6 Inhaltsverzeichnis IX 6 Codierung und Modulation Codierung im Basisband Digitale Modulationsverfahren Ampliludentastung (ASK) FSK PSK Modul ations verfahren mit Hilfsträger Datenintegrität Prüfsummenverfahren Paritätsprüfung LRC-Verfahren CRC-Verfahren Vielfachzugriffsverfahren- Antikollision Raummultiplex - SDMA Frequenzmultiplex - FDMA Zeitmultiplex - TDMA Beispiele für Antikollisionsverfahren ALOHA-Verfahren Slotted-ALOHA-Verfahren Binary-Search-Algorithmus Sicherheit von RFID-Systemen Angriffe auf RFID-Systeme Angriffe auf den Transponder Dauerhaftes Zerstören des Transponders Abschirmen oder Verstimmendes Transponders Emulieren und Klonen eines Transponders Angriffe über das HF-Interface Abhören der Kommunikation Störsender Lesen mit vergrößerter Lesereichweite Denial of Service-Angriff durch BlockerTags Relay-Attack Abwehr durch kiyptographische Maßnahmen Gegenseitige symmetrische Authentifizierung Authentifizierung mit abgeleiteten Schlüsseln Verschlüsselte Datenübertragung Streamcipher 256

7 X Inhaltsverzeichnis 9 Normung Ticridentifikation ISO/1EC Codestruktur ISO/1EC Technisches Konzept Anforderungen Voll-/Halbduplex-System Sequentielles System ISO/IEC Advanced Transponders Teil 1 - Air Interface Teil 2 - Code and Command Structure Kontaktlose Chipkarten ISO/IEC Close-coupling-Chipkarten Part 1 - Physical characteristies Part 2- Dimensions and locations of coupling areas Part 3 - Electronic Signals and reset procedures Part 4 - Answer to reset and transmission protocols ISO/IEC Proximity-coupling-Chipkarten Part I - Physical characteristies Part 2- Radio frequency interface Part 3 - Initialization and anticollision Part 4 - Transmission protocols ISO/IEC Vicinity-coupling-Chipkarten Part I - Physical characteristies Part 2 - Air interface and initialization ISO/IEC Prüfmethoden für Chipkarten Part 4 - Testverfahren für Close-coupling-Chipkarten Part 6 - Testverfahren für Proximity-coupling-Chipkarten Part 7 - Testverfahren für Vicinity-coupling-Chipkarten ISO/IEC Datenträger für Werk- und Spanzeuge ISO/IEC Containeridentifikation VDI Warensicherungssysteme Teil 1 - Kundenabnabmerichtlinien für Schleusen-Systeme Ermittlung der Fehlalarmquote Ermittlung der Detektionsrate Formblätter in VDI Teil 2- Kundenabnahmerichtlinien für Deaktivierungsanlagen Güter- und Warenwirtschaft ISO/IEC Reihe ISO/IEC und GTAG Initiative GTAG-Transportschicht (physical layer) GTAG Leitungs- und Anwendungsschicht 307

8 Inhaltsverzeichnis XI EPCglobal Network Generation Normen und Spezifikationen Der Electronic Product Code (EPC) 31 I Transponderklassen Einführung in das EPC-Netzwerk Architektur elektronischer Datenträger Transponder mit Speieherfunktion HF-Interface Schaltungsbeispiel - Lastmodulation mit Hiltsträger Schaltungsbeispiel - HF-Interface für ISO Transponder Adress- und Sicherheitslogik State-Maehine Speicherarchitektur Read-only-Transponder Beschreibbare Transponder Transponder mit Kryptofunküon Segmentierte Speicher MIFARE -Applikationsverzeichnis Dual-port-EEPROM Mikroprozessoren Dual Interface Karte MIFAREplus Moderne Konzepte für die Dual Interface Card Speichertechnologie RAM EEPROM FRAM Leistungsvergleich FRAM - EEPROM Messung physikalischer Größen Transponder mit Sensorfünktionen Messungen mit Mikrowellentranspondern Sensoreffekt bei Oberflächenwellen-Transpondern Lesegeräte Datenfluss in einer Applikation Komponenten eines Lesegerätes HF-Interface Induktiv gekoppeltes System, FDX/HDX Mikrowellen-System - Halbduplex Sequentielle Systeme - SEQ Mikrowellen-System für OFW-Transponder Steuerung 362

9 Xfl Inhaltsverzeichnis 11.3 Low-cost-Aufbau - Leser-IC U2270B Anschluss von Antennen für induktiv gekoppelte Systeme Anschaltung mit Stromanpassung Speisung über Koaxialkabel Einfluss des Gütefaktors Q Ausführungsformen von Lesegeräten OEM-Lesegeräte Lesegeräte für industriellen Einsatz Portable Lesegeräte Herstellung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten Glas- und Plastiktransponder Modul Herstellung Transponderhalbzeug Komplettierung Kontaktlose Chipkarten Sputenherstellung Verbindungstechnik Laminieren Anwendungsbeispiele, Kontaktlose Chipkarten ÖPNV Ausgangssituation 39] Anforderungen Transaktionszeit Witterungsbeständigkeit, Lebensdauer, Bedienkomfort Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systetnen Tarifmodelle mit elektronischer Abrechnung Marktpotenzial Projektbeispiele Korea-Seoul Deutschland - Lüneburg, Oldenburg EU-Projekte - ICARE" und CALYPSO" Elektronischer Reisepass Ski-Ticketing Zutrittskontrolle Online-Systeme Offline-Systeme Transponder Verkehrssysteme Eurobalise S Internationaler Containerverkehr 413

10 Inhaltsverzeichnis XIII 13.7 Tieridentifikation Rinderhaltung Brieftauben-Preisflug Elektronische Wegfahrsperre Funktionsweise der Wegfahrsperre Kurze Erfolgsgeschichte Zukunftsaussichten Behälteridentifikation Gasflaschen und Chemikalienbehälter Abfallentsorgung Sportliche Veranstaltungen Industrieautomation Werkzeugidentifikation Industrielle Fertigung Zentrale Steuerung Dezentrale Steuerung Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen Auswahl geeigneter RFID-Systeme Projektbeispiele Medizinische Anwendungen Anhang Kontaktadressen, Verbände und Fachzeitschnften Industrieverbände Fachzeitschriften RFID im Internet Relevante Normen und Vorschriften Normungsgremien Normenliste Bezugsquellen für Normen und Vorschriften Literatur Platinenlayouts Testkarte nach ISO Feldgeneratorspule Resister 479