RFID - Protokolle. Vorlesung RFID Systems Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2011

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1 RFID - Protokolle Vorlesung Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2011

2 Inhalt ISO/IEC14443 (Typ A) FeliCa ISO/IEC15693 LF-Standards ISO/IEC11784 /11785 ISO/IEC14223 ISO/IEC Allgemeine Zusammenhänge Seite 2

3 ISO/IEC Proximity Standard Seite 3

4 ISO/IEC14443 (Proximity) (ehemals Philips, Motorola, Infineon,...) Trägerfrequenz: 13,56 MHz (+/- 7 khz) H-Feldstärke: 1,5-7,5 A/m(rms) Distanz: ~ < 10 cm (je nach Reader / Transponder, nicht spezifiziert) Datentransport: Datenrahmen (Startbit und Stoppzeichen) Protokoll-Prinzip: Reader Talks First Antikollision: Zwingend implementiert. UID und Binary Search Tree. Daten-Schnittstelle: Typ A (Linzenz Philips) Typ B (Lizenz Novatron u.a.) Datenflussrichtung Reader => Transponder (Reader unterstützt beide Schnittstellen) Modulation ASK, 100 % (106), < 60 % höhere Raten ASK, 10 % (8-14 %) Codierung Modified Miller NRZ Datenrate ~ 106 kbit/s (fc/128), 212, 424, 848 kbit/s Datenflussrichtung Transponder => Reader (Reader unterstützt beide Schnittstellen) Hilfsträger 847,5 khz (fc/16) 847,5 khz Modulation Lastmodulation (externe AM/PM) Codierung Manchester (106), BPSK ( ) NRZ-L (106), BPSK ( ) Datenrate ~ 106 kbit/s, 212, 424, 848 kbit/s Seite 4

5 Codierung von ISO/IEC Type A Short-Frame Reader => Transponder Seite 5

6 Short Frame Kommando Codes Type A Short Frame -Kommandos bestehen aus 2 Ziffern in hexadezimaler Darstellung (Wertigkeit 1...F). Dies entspricht in binärer Darstellung 8 Stellen. Von 8 binären Stellen wird die höchstwertigste jedoch gestrichen und nur 7 Stellen übertragen, sodass insgesamt 2 7 = 128 unterschiedliche Kommandos möglich sind. Command hexadecimal Code binary Code Request A (REQA) Wake up A (WUPA) Optional Time Slot Method Proprietäre Kommandos 40 4F x x x x Proprietäre Kommandos F x x x Reserved for future use (RFU) all other Least significant bit (LSB) Referenz: ISO/IEC Most significant bit (MSB) Seite 6

7 Short Frame Daten-Rahmen Die Kommandos werden in einem Datenrahmen übertragen, begrenzt durch Startbit und Stoppzeichen. Das niederwertigste bit wird zuerst übertragen. Beim Short Frame kommt also zuerst das Startbit, anschließend die Stelle 2 0, usw. (2 7 wird nicht übertragen) und schließlich das Stoppzeichen. Referenz: ISO/IEC Seite 7

8 Bitdauer und Kanalcodierung Die Basis-Datenrate beträgt 105,9375 kbit/s ~ 106 kbit/s, das ist die Trägerfrequenz geteilt durch den Faktor 128. Die Bit-Dauer beträgt damit 128 Träger-Perioden. Als Kanalcodierung wird modifizierte Miller-Codierung eingesetzt. Dazu werden die folgenden Sequenzen definiert: τ bit Sequenz X: Nach der halben Bitdauer folgt ein Puls time Sequenz Y: Kein Puls während der gesamte Bit-Dauer Sequenz Z: Am Beginn der Bitdauer folgt ein Puls τ bit time time Referenz: ISO/IEC Seite 8

9 Bitdauer und Kanalcodierung Die Bit-Information wird mit den Sequenzen X, Y und Z folgendermaßen codiert: Startbit: Z logisch 1 : X logisch 0 : Y mit den folgenden beiden Ausnahmen: - wenn 2 oder mehrere Nullen aufeinander folgen, wird Z ab der zweiten Null verwendet, und - wenn das erste Bit nach dem Startbit logisch 0 ist, wird Z für dieses Bit und für alle weiteren direkt nachfolgenden 0 eingesetzt. Stoppzeichen: logisch 0, gefolgt von Y keine Information: Wenigstens zwei aufeinanderfolgende Y. Referenz: ISO/IEC Seite 9

10 Beispiel für Type A Shortframe-Kommando Das definierte REQA-Kommando ist 26 Umrechnen in Dezimalzahl liefert 2 x x 16 0 = = 38 dec Umrechnen in Binärzahl liefert dec. 26 hex. 38 : 2 7 = 0, Rest : 2 6 = 0, Rest : 2 5 = 1 Rest : 2 4 = 0 Rest : 2 3 = 0 Rest : 2 2 = 1 Rest : 2 1 = 1 Rest : 2 0 = 0 Rest Ergebnis ist S E time Z Z X X Y Z X Y Z Seite 10

11 Modulation auf 13,56 MHz HF-Träger Kommandos werden mit nominell 100 % Modulationsgrad als Pulse übertragen. Die Eigenschaften des Modulations-Pulses (Pulsdauer, fallende und steigende Flanken, Modulationsgrad) sind an der Luftschnittstelle definiert. Überschwingungen < 10 % sind zulässig (zwischen 90 und 110 % der Anfangsamplitude) Ein Hump (Vorgang einer Schwebungsfrequenz) als nicht-monotoner Abfall der Amplitude ist zulässig. Referenz: ISO/IEC Seite 11

12 Zusammenfassung Type A Short-Frame Prinzip: Reader talks first Datenrate: ~ 106 kbit/s Datenformat: Datenrahmen mit Start- und Stoppbit, 7 Datenbits Fehlerschutz: Transparent (keine Paritätsbits) Bit-Anordnung: LSB first (niederwertigstes bit wird zuerst übertragen) Kanalcodierung: Modified Miller Modulation: ASK (Amplitude Shift Keying, Amplitudenumtastung) mit 100 % Modulationsgrad Seite 12

13 Codierung von ISO/IEC Type A Standard-Frame Reader => Transponder Seite 13

14 Aufbau von Standard Frame Kommandos Type A Standard Frame -Kommandos bestehen aus mehreren (n) Bytes (8 bit) mit einem Paritätsbit (ungerade Parität, d.h. die Anzahl von logisch 1 der 9 Stellen ist ungerade). Ein Byte entspricht 2 Ziffern in hexadezimaler Darstellung (Wertigkeit 1...F). Die Daten-Bytes werden wieder mit Startbit und Stoppbit in einem Rahmen übertragen. Referenz: ISO/IEC Seite 14

15 Beispiel für Standard Frame Kommando Das Halt A (HLTA) Kommando besteht aus zwei Datenbytes und einem zugehörigen Cyclic Redundance Check (CRC_A). Der CRC_A wird über alle Datenbits des Rahmen gerechnet, ausgenommen Paritätsbit, Start- und Stoppbit und die CRC-bits selbst (n x 8 bit). CRC_A besteht aus 2 Bytes. Die Berechnung erfolgt über ein zyklisches 16 bit Schieberegister mit Rückkopplungen, das mit dem Startwert 6363 gefüllt ist (genau definiert in ISO/IEC13239). Referenz: ISO/IEC und ISO/IEC13239 Seite 15

16 Zustände und Zustandsübergänge Durch die Reader-Kommandos wird der Transponder von einem Zustand in einen anderen Zustand gebracht. Wesentliche Zustände sind: Power off: Transponder ist bedingt durch Energiemangel ausgeschaltet und resetiert. Idle: Transponder wird durch Träger-H-Feld mit Energie versorgt. Er wartet auf Reader- Kommandos REQA oder WUPA. Ready: In diesem Zustand folgt das Antikollisionsverfahren. Active: Transponder ist im Betriebssystem und wartet auf anwendungsspezifische Kommandos. Halt: Der Transponder antwortet nur auf das Wake up A (WUPA) Kommando. Bei mehreren Transpondern im Feld kann der Reader alle bis auf einen in HALT setzen und so sequentiell mit mehreren Transpondern kommunizieren. Ready* und Active* sind ähnlich zu Ready und Active, starten jedoch aus Halt, nicht Idle. Referenz: ISO/IEC Seite 16

17 Zustandsdiagramm Referenz: ISO/IEC Seite 17

18 Höhere Datenraten Der Standard-Frame kann in Basisdatenrate (~ 106 kbit/s) übertragen werden, dies geschieht etwa immer beim Start der Kommunikation und der darauffolgenden Antikollision. Hinweis: Short-Frames werden immer in Basisdatenrate übertragen! Danach ist es jedoch auch möglich, auf höhere Datenraten zu schalten, nämlich auf 212 kbit/s (64 Trägerperioden je bit), 424 kbit/s (32 Trägerperioden je bit) und 848 kbit/s (16 Trägerperioden je bit). Referenz: ISO/IEC AM2 Seite 18

19 Höhere Datenraten. Envelope of Carrier Amplitude H/H INITIAL Es ändert sich dabei die Definition der Parameter des Modulationspulses. Wegen der kürzeren Pulsdauer und der Zeitkonstante der Sendeantenne ist zudem (bei höherer Güte) kaum noch 100% Modulationsgrad erreichbar. Man definiert daher den Restträger a, sowie die drei Zeitparameter t1, t2 und t3. 1,1-0,1a 1 0,9+0,1a (1+a)/2 a 0 a t (1+a)/2 0,9+0,1a 1 1,1-0,1a t 2 t 3 t 1. Timing parameter Bit rate fc/64 fc/32 fc/16 Min Max Min Max Min Max t 1 15/fc 20/fc 8/fc 10/fc 4/fc 5/fc Referenz: ISO/IEC AM2 t 2 8/fc t 1 4/fc t 1 2/fc t 1 t /fc 0 10/fc 0 8/fc Seite 19

20 Zusammenfassung Type A Standard-Frame Prinzip: Datenraten: Datenformat: Länge: Fehlerschutz: Bit-Anordnung: Reader talks first; Start mit Short-Frame in Basisdatenrate, Antikollision und optional Hochschalten auf höhere Datenrate ~106 kbit/s (Basisdatenrate) ~ 212, 424 und 848 kbit/s (optional höhere Datenraten) Datenrahmen mit Startbit und Stoppzeichen min. 1 Byte Paritätsbit (ungerade Parität) nach jedem Byte LSB first (niederwertigstes bit wird zuerst übertragen) Byte-Anordnung: LSB first (niederwertigstes Byte wird zuerst übertragen) Kanalcodierung: Modified Miller Modulation: ASK (amplitude shift keying, Amplitudenumtastung) Seite 20

21 Codierung von ISO/IEC Type A Transponder => Reader Seite 21

22 Codierung der Rückmodulation in Basisdatenrate Basis-Datenrate ist wieder ~ 106 kbit/s, ein bit dauert 128 Perioden der Trägerfrequenz. Daten werden in Rahmen der Größe n Bytes übertragen. Als Kanalcodierung wird bei Basisdatenrate die Manchester-Codierung (Biphase- Codierung) verwendet. Damit wird eine Hilfsträgerfrequenz von fc/16 (847,5 khz Rechteckschwingung) moduliert. Ein Bit dauert also 8 Hilfsträger-Perioden lang. Es gibt 3 Sequenzen: Sequenz D: Erste Bit-Hälfte wird mit Hilfsträger moduliert. Sequenz E: Zweite Bit-Hälfte wird mit Hilfsträger moduliert. Sequenz F: Keine Modulation während der gesamten Bit-Dauer. Referenz: ISO/IEC Seite 22

23 Kanalcodierung in Basisdatenrate Im Übertragungs-Rahmen mit Manchester-Codierung werden die folgenden Zustände dargestellt: Startbit: Sequenz D logisch 1 : Sequenz D logisch 0 : Sequenz E Stoppbit: Sequenz F keine Information: Sequenz F Die Länge der Antwort ist größer gleich 1 Byte und ist nicht begrenzt (n Bytes). Die Daten werden von dieser Schicht transparent übertragen (mit Paritätsbit, jedoch kein CRC, Start- und Stoppbit (F)). Referenz: ISO/IEC Seite 23

24 Zusammenfassung Type A Rückmodulation in Basisdatenrate Prinzip: Datenrate: Datenformat: Länge: Fehlerschutz: Bit-Anordnung: Reader talks first; Transponder gibt Antwort auf Kommando, zeitlich in synchronem Bitraster ~ 106 kbit/s Datenrahmen (Start- und Stoppbit) min. 1 Byte Paritätsbit LSB first (niederwertigstes bit wird zuerst übertragen) Byte-Anordnung: Niederwertigstes Byte wird zuerst übertragen Kanalcodierung: Manchester Modulation: On-Off-Keying (OOK) auf 847,5 khz Hilfsträger Seite 24

25 Zusammenfassung Type A Rückmodulation bei höheren Datenraten Prinzip: Datenraten: Datenformat: Länge: Fehlerschutz: Bit-Anordnung: Reader talks first; Start in Basisdatenrate, Hochlauf und Umschalten auf höhere Datenraten ~ 212, 424 und 848 kbit/s Datenrahmen mit Startbit (Stoppbit = Sequenz F, ohne Modulation), Präambel (Burst aus 32 Hilfsträger-Perioden logisch 1) min. 1 Byte Paritätsbit LSB first (niederwertigstes bit wird zuerst übertragen) Byte-Anordnung: LSB first (niederwertigstes Byte wird zuerst übertragen) Kanalcodierung: NRZ-L (non return to zero, ) Modulation: BPSK (binary phase shift keying, Zweiphasenumtastung) auf 847,5 khz Hilfsträger Seite 25

26 Zeitlicher Ablauf der Kommunikation Seite 26

27 Sequentielle Kommunikation Reader Talks First: Die Kommunikation verläuft immer sequentiell (Halbduplex), wobei der Reader zuerst ein Kommando sendet, das vom Transponder beantwortet wird. Der Transponder antwortet dabei streng synchron in einem Bitraster, das durch das Kommando der Readers bestimmt ist. Speziell beim definierten Startpunkt der Kommunikation, dem REQA und der nachfolgenden Antikollision erfolgt die Antwort aller Transponder im Ansprechbereich des Readers gleichzeitig. Darauf beruht die logische Antikollision bei ISO/IEC14443A. Die Frame Delay Time (FDT) Reader => Transponder ist damit eindeutig definiert. Für nachfolgende Kommandos der Anwendung ist nur noch das Bitraster vorgegeben, die Antwort kann jedoch zu einem Vielfachen der vorgegeben Zeit kommen. Referenz: ISO/IEC Seite 27

28 Frame Delay Time Reader => Transponder Zeiteinheit für den Transponder sind Trägerperioden 1/fc ~ 73 ns. Die FDT wird vom Ende des letzten Pulses aus dem Reader-Kommando bis zum Beginn der Antwort des Transponders gemessen. Je nach Sequenz des Stopp-bits gibt es zwei mögliche Zeiten: letztes Kommando-bit 1 : FDT = (n x )/fc (~ 91,15 µs für n = 9) letztes Kommando-bit 0 : FDT = (n x )/fc (~ 86,43 µs für n = 9) Referenz: ISO/IEC Seite 28

29 Frame Delay Time Transponder => Reader Auch der Reader darf erst nach einer bestimmten mindesten Zeit nach Antwort des Transponders das nächste Kommando senden. Die FDT Transponder => Reader wird von der letzten Flanke der Rückmodulation bis zur ersten Flanke des Reader-Kommandos gemessen. Diese Zeit beträgt mindestens 1172/fc ~ 86,43 µs. Der Reader darf jedoch auch länger warten, ohne Grenze nach oben. Zwei aufeinander folgende REQA-Kommandos müssen aber mindestens durch eine Wartezeit von 7000/fc ~ 0,5 ms getrennt sein (Request Guard Time). Referenz: ISO/IEC Seite 29

30 Mechanismus zur logischen Auflösung einer Kollision (mehrere Transponder im Feld) Seite 30

31 Antikollisions-Mechanismus (I) Vor dem Start der eigentlichen Anwendung wird immer ein logisches Antikollisions- Verfahren durchlaufen. Sind mehrere Transponder des Protokolls im Operating Volume (Ansprechbereich) des Readers, werden zunächst alle stillgelegt, anschließend der Reihe nach selektiert und die jeweiligen Anwendungen abgearbeitet. Die wesentlichen Kommandos dabei sind REQA Short Frame (26h) WUPA Short Frame (52h) ANTICOLLISION Bit-orientierte Antikollision (spezielles Rahmenformat) SELECT Standard Frame (93h = Level 1, 95h = Level 2, 97h = Level 3) HLTA Standard Frame (50 00h) Referenz: ISO/IEC Seite 31

32 Antikollisions-Mechanismus (II) Der Unique Identifier (UID), die Seriennummer eines Type A Transponders, kann aus 4, 7 oder 10 Bytes bestehen. Entsprechend dieser Single, Double oder Triple UID wird der Antikollisionsprozess in bis zu drei Stufen abgewickelt, Cascade Level 1, 2 und 3. Die Größe der UID gibt der Transponder in seiner Answer to Request A (ATQA) an. Referenz: ISO/IEC Seite 32

33 Antikollisions-Mechanismus (III) Die UID ist eine fest einprogrammierte oder eine durch Zufallsgenerator produzierte Nummer. Das erste Byte gibt den Inhalt der folgenden n x 3 Bytes der UID an. Für Single- UID sind für das erste Byte folgende Möglichkeiten definiert: Für zweifache oder dreifache UIDs (2 x 3 Byte oder 3 x 3 Bytes) sind für das erste Byte folgende Möglichkeiten definiert: Referenz: ISO/IEC Seite 33

34 Antikollisions-Mechanismus (IV) Die erste Antwort des Transponders (ATQA) enthält die Information, ob single, dual oder triple UID verwendet wird. Entsprechend wird die Antikollision in Cascade Level 1 (immer), 2 oder 3 durchlaufen. Referenz: ISO/IEC Seite 34

35 Antikollisions-Mechanismus (V) Die Transponder beginnen ihre Antwort zeitgleich in einem genau eingehaltenen Bit-Raster. Eine Kollision kann vom Reader erkannt werden, wenn an einer bit-stelle der UID zugleich logisch 0 und 1 empfangen wird. Dies passiert an irgendeiner Stelle durch unterschiedliche UIDs zweier Transponder. Die folgenden Methoden können auch - bei Vorhandensein - auf jedem Cascade-Level angewendet werden. Der Reader hat 2 Methoden, die Kollision zu lösen: Full Byte und Split Byte. Referenz: ISO/IEC Seite 35

36 Full-Byte Methode Wird verwendet, wenn die Kollision an der ersten Stelle eines Bytes auftritt. Nach detektierter Kollision überträgt der Reader einen vollständigen Standard-Frame bis inklusive dem letzten korrekt empfangenen Byte, inklusive Paritätsbit. Es antwortet nur jener Transponder mit logisch 1 an der Stelle der Kollision. Er überträgt die fehlenden Teile der UID, beginnend mit dem ersten vollständigen Byte. Referenz: ISO/IEC Seite 36

37 FeliCa - Proximity-Standard aus Japan Seite 37

38 FeliCa (ehemals Sony, Panasonic, ) Trägerfrequenz: 13,56 MHz H-Feldstärke: ~ 0,15 A/m A/m(rms) (nach Reader-Infrastruktur, nicht spezifiziert!) Distanz: ~ < 15 cm (nicht spezifiziert!) Datentransport: Datenpakete (Präambel, Sync., Länge, Dateninhalt, CRC) Antikollision: Zwingend implementiert. Polling und Antwort mit UID in Time-Slots Protokoll-Prinzip: Reader Talks First Datenflussrichtung Reader => Transponder Modulation ASK, 10 % (8-14 %) Codierung Manchester (jede Polarität erlaubt) Datenrate 212 kbit/s, 424 kbit/s Datenflussrichtung Transponder => Reader Hilfsträger Nein. Modulation Lastmodulation (externe AM/PM) Codierung Manchester (jede Polarität erlaubt) Datenrate 212 kbit/s, 424 kbit/s Seite 38

39 Bit-Dauer und Kanalcodierung Als Kanalcodierung wird differentielle Manchester-Codierung verwendet (jede Polarität erlaubt). Es werden die Datenraten 212 und 424 kbit/s verwendet. Ein übertragenes Zeichen hat also den Informationsgehalt von 1 bit und eine Dauer von 4,72 bzw. 2,36 µs. Bit-Codierung obverse. Bit-Codierung reverse. Die Auswahl, ob obverse oder reverse Zuordnung verwendet wird, trifft der Reader. Er sendet am Beginn seines ersten Kommandos ein unverselles, bekanntes SYNC-Byte, welches dem Transponder mitteilt, in welcher Codierung er seine Daten übertragen muss. Besonderes Kennzeichen von FeliCa ist, dass die Datenübertragung in beide Richtungen gleich aussieht. Manchester Codierung wird also auch für Transponder => Reader verwendet. Referenz: Seite 39

40 Modulation auf 13,56 MHz Träger Die Modulation des HF-Trägers erfolgt beim Reader durch Amplitudenmodulation, beim Transponder durch Lastmodulation (welche sich als AM / PM Mischprodukt abbildet). Die minimale Dauer eines Pulses entspricht somit der halben Dauer eines Bits, bei 212 kbit/s ~ 4,72 µs. 10 % Modulationsgrad Es ist AM mit nominell 10 % Modulationsgrad erlaubt, Anstiegs- und Abfallzeiten sowie Überschwingen sind wie folgt definiert: Referenz: Seite 40

41 Datenrahmen Daten werden in Form von Rahmen übertragen. Jeder Datenrahmen enthält 3 wesentliche Felder: Header, bestehend aus Präambel (zum Einsynchronisieren, und Sync Code), Informationsfeld, bestehend aus 1 Byte zur Angabe der Länge ( Bytes) und Nutzdaten, End-Feld, enthält den Fehlerschutz (Cyclic Redundance Check Sum). Präambel: 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 Sync: 0xB2 0x4D LEN: min. Wert 0x02, max. Wert 0xFD EDC: enthält CRC mit Startwert 0000 und Generatorpolynom Die Nutzdaten werden in Form von Bytes übertragen. Das einzelne Byte sieht so aus: MSB first Seite 41

42 Antikollisionsmechanismus Der Reader sendet zunächst ein REQUEST-Kommando aus, in dem er eine Anzahl von Zeitschlitzen für die Antwort festlegt. Ein FeliCa-Transponder antwortet darauf in einem der Zeitschlitze (vorgegeben durch die ersten Stellen seiner UID). Seite 42

43 ISO/IEC15693 Seite 43

44 ISO/IEC15693 (Vicinity) (ehemals Philips Semiconductors & Texas Instruments) Trägerfrequenz: 13,56 MHz (+/- 7 khz) H-Feldstärke: 150 ma/m - 5 A/m(rms) Distanz: ~ < 150 cm (je nach Reader / Transponder, nicht spezifiziert!) Datentransport: Antikollision: Protokoll-Prinzip: Datenrahmen (Start- und Stoppbit) Zwingend implementiert. Polling und Antwort mit UID in Time-Slots Reader Talks First, auf Reader-Kommando folgt Transponder-Antwort. Datenflussrichtung Reader => Transponder (Transponder unterstützt beide Schnittstellen) Modulation ASK, 10 % oder 100 % Codierung Datenrate 256PPM, 4PPM (Puls Positions Modulation), Pulse in 2. Bit-Hälfte ~ 1,65 kbit/s, ~ 26,48 kbit/s Datenflussrichtung Transponder => Reader (Transponder unterstützt beide Schnittstellen) Hilfsträger 423,75 khz (fc/32) sowie 424 / 484 khz Modulation Lastmodulation (externe AM/PM) Codierung Manchester (single Subcarrier) FSK (dual Subcarrier) Datenrate 6,62 kbit/s, 26,48 kbit/s sowie 6,67 kbit/s und 26,69 kbit/s Seite 44

45 Codierung von ISO/IEC Reader => Transponder Seite 45

46 Bitdauer und Basisbandcodierung (niedere Rate) Als Kanalcodierung wird 256 Puls-Positions-Modulation (256PPM) eingesetzt. Zeichen mit dem Informationsgehalt von 1 Byte = 8 bit werden durch einen einzigen, kurzen Puls in einem von 256 Zeitschlitzen dargestellt. Ein Zeitschlitz ist mit 256 Träger-Periodendauern festgelegt (~18,88 µs). Die Dauer zur Übertragung eines Bytes beträgt ~ 4,883 ms bzw. 8 x 256 x 256 Träger-Perioden. Die Basis-Datenrate beträgt ~ 1,65 kbit/s, das ist die Trägerfrequenz geteilt durch den Faktor Im gezeigten Beispiel wird die Information E1(hex) = (bin) = 225(dec) übertragen. Referenz: ISO/IEC Seite 46

47 Bitdauer und Kanalcodierung (hohe Rate) Alternativ wird als Kanalcodierung 4 Puls-Positions-Modulation (4PPM) eingesetzt. Zeichen mit dem Informationsgehalt von 2 bit werden durch einen kurzen Puls in einem von 4 Zeitschlitzen dargestellt. Ein Zeitschlitz ist wieder mit 256 Träger- Periodendauern festgelegt. Die Datenrate beträgt hier ~ 26,48 kbit/s, das ist die Trägerfrequenz geteilt durch den Faktor 512. Ein Byte wird somit als Folge von 4 Zeichen mit Informationsgehalt 4 bit übertragen. Referenz: ISO/IEC Seite 47

48 Modulation auf 13,56 MHz Träger Die Modulation des HF-Trägers erfolgt mit Pulsen, welche in der 2. Bit-Hälfte gesendet werden. Die maximale Puls-Dauer entspricht somit der halben Dauer eines Zeitschlitzes, ~ 9,44 µs. Es ist AM mit nominell 100 % und nominell 10 % Modulationsgrad erlaubt, nach der folgenden Spezifikation: 100 % Modulationsgrad 10 % Modulationsgrad Referenz: ISO/IEC Seite 48

49 Datenrahmen Daten werden in Rahmen übertragen, deren Beginn durch SOF (Start of Frame) und Ende durch EOF (End of Frame) Zeichen gekennzeichnet sind. Mit dem SOF-Zeichen wird zugleich die Datenrate (256PPM oder 4 PPM) gekennzeichnet. SOF-Zeichen für 256PPM: SOF-Zeichen für 4PPM: Das EOF-Zeichen ist gleich für jede Datenrate (256PPM, 4PPM) und sieht so aus: Referenz: ISO/IEC Seite 49

50 Codierung von ISO/IEC Transponder => Reader Seite 50

51 Bitdauer, Codierung und Modulation (hohe( Rate) 1 Hilfsträger Lastmodulation unter Einsatz eines Hilfsträgers der Frequenz ~ 424 khz (32 Periodendauern) mit Manchester-Codierung (nur eine Bit-Hälfte mit Hilfsträger moduliert). 1 bit = 16 Hilfsträger-Perioden. Hohe Datenrate verwendet ~ 26,48 kbit/s (512 Träger-Perioden) zur Darstellung von 1 bit. logisch 0 - erste Hälfte moduliert logisch 1 - zweite Hälfte moduliert 2 Hilfsträger Lastmodulation mit 2 Hilfsträgern verwendet die Frequenzen 423,75 khz (32 τ) und 484,28 khz (28 τ) Hohe Datenrate verwendet ~ 26,69 kbit/s (480 Träger-Perioden) zur Darstellung von 1 bit. logisch 0 - erste Hälfte 424 khz logisch 1 - zweite Hälfte 424 khz Referenz: ISO/IEC Bei niederer Datenrate werden alle Zeiten x 4 genommen. Seite 51

52 Datenrahmen Daten werden in Rahmen übertragen, deren Beginn durch SOF (Start of Frame) und Ende durch EOF (End of Frame) Zeichen gekennzeichnet sind. Die beiden Zeichen verursachen eine bewußte Code- Verletzung. SOF-Zeichen für Betriebsart mit 1 Hilfsträger: SOF-Zeichen für Betriebsart mit 2 Hilfsträgern: unmoduliert, 424 khz (24 Perioden), logisch 1 EOF-Zeichen für Betriebsart mit 1 Hilfsträger: ~484 khz, ~424 khz, logisch 1 (9 Perioden Beginn) EOF-Zeichen für Betriebsart mit 2 Hilfsträgern: logisch 0, ~ 424 khz (24 Perioden), unmoduliert logisch 0, ~ 424 khz, 484 khz (27 τ) Der Transponder muss binnen 1 ms nach Power-on empfangsbereit sein. Der Transponder muss 300 µs nach dem Senden einer Antwort an den Reader wieder empfangsbereit sein. Referenz: ISO/IEC Seite 52

53 LF-Standards ISO/IEC11784 & ISO/IEC14223 ISO/IEC Seite 53

54 LF-Standards Überblick ISO/IEC & definieren die RFID-Daten von Nutztieren ISO/IEC spezifiziert die Struktur des RFID-Datenwortes für Tiere ISO/IEC spezifiziert Aktivierung und Datentransfer der Übertragung ISO/IEC ist eine Erweiterung zu ISO11784 & Der Produktstandard beschreibt die Luftschnittstelle zwischen Reader und Transponder. ISO/IEC beschreibt Parameter für die Luftschnittstelle unter 135 khz (LF-RFID). Seite 54

55 ISO/IEC 11784/85 Seite 55

56 Struktur des Reader-Kommando Kommando-Wortes 128 bit TTF Datenwort, besteht aus folgenden Teilen: 11 bit Header ( ) Teil 1: 64 bit Identifikationscode nach ISO/IEC11784 Teil 2: 16 bit Cyclic Reduncance Check (CRC), Teil 3: 24 bit Trailer Es wird Bit Stuffing verwendet; jedes 9. bit (beginnend mit Teil 1) muss fest auf 1 gesetzt werden. Niederwertigstes bit (LSB) wird zuerst übertragen. Seite 56

57 Inhalt des Identifikationscodes (64 bit) Bit Number Information Flag animal non animal application Retagging Counter, for lost eartags User Information Field Reserved Flag indicating advanced transponder Flag indicating data block ISO 3166 numeric 3 country code National identification code Description set to 1 indicating that it is animal application This counter shall be used only, if a retagging with the same identification number is decided by the specific country (bits 17-26). This counter shall be zero for the first assign of a transponder to an animal. If further assigns of new transponders because of loss or malfunction to the same animal are necessary, than the identification number shall be the same, but this counter is incremented by one. The content of this field is informative. It is defined by the country as coded in the country code field. The meaning of these bits remains unchanged. The value of these bits shall be set to 0. set to 1 indicating that it is an advanced transponder set to 1 indicating that the transponder contains additional data (trailer bits) Country codes from 900 to 998 may be used to refer to infidual manufacturers of transponder. Country code 999 is used for test transponder. Unique number within a country Seite 57

58 ISO/IEC ISO/IEC standardisiert die Luftschnittstelle zwischen Reader und Transponder, voll aufwärtskompatibel zu / 85. ISO/IEC spezifiziert Codierung und Kommandostruktur des RFID-Systems zur Nutztier-Identifikation. ISO/IEC spezifiziert die Anwendungen des RFID-Systems zur Nutztier- Identifikation. Seite 58

59 Allgemeine Anforderungen Die so bezeichneten Advanced Transponder sind voll aufwärtskompatibel zu ISO/IEC (In den Ansprechbereich des Readers gebracht, verhalten sie sich wie ISI/IEC11785 Transponder). Um die Transponder in den Advanced Mode zu bringen, sendet der Reader ein Request oder SOF. Der Transponder setzt bit 15 des ISO/IEC Datenrahmens auf 1, um sich als Advanced Transponder erkennbar zu machen. Der Transponder setzt bit 16 des ISO/IEC Datenrahmens auf 1, um anzuzeigen, dass er zusätzliche Daten gespeichert hat. Umgekehrt fällt der Transponder in den ISO/IEC Betrieb zurück, wenn er nicht mehr im Ansprechbereich des Readers ist (Reset), er die advanced -Betriebsart beendet hat, und das Reader-Feld für min. 5 ms unterbrochen wurde (Reset). Die Datenübertragung Reader => Transponder sendet immer das niederwertigste bit zuerst (LSB first). Befinden sich mehrere Advanced Transponder im Ansprechbereich des Readers, wird die Antikollisionsprozedur gestartet. Seite 59

60 Kommunikation Transponder => Reader ISO ISO FDX-ADV ISO ms min 5 ms ms A B C D D E A B A Transceiver field Transponder response ISO HDX ADV FDX ADV #1 #2 ISO Phase A: Reader erkennt die ISO11785 Datenantwort des Transponders. Durch bit 15 & 16 erkennt der Reader den Advanced Transponder. Phase B: Reader schaltet H-Feld für > 5 ms ab, um ein HF-Reset beim Transponder auszulösen. Phase C: Reader sendet entweder SOF am Beginn eines zulässigen Requests, oder das Umschalte- Kommando zum Transponder, um diesen in den Advanced Mode zu bringen. Phase D: Lese-/Schreiboperation oder Inventory-Operation im Advanced Mode. Phase E: Nach dem Ende aller Operationen, falls der Transponder im Ansprechbereich des Readers verbleibt, schaltet dieser das H-Feld für > 5 ms ab, um erneut die Suche (Polling) nach neu hinzugekommenen Transpondern im ISO/IEC11785-Mode zu beginnen. Time t Seite 60

61 Transponder-Zustände RF-OFF. Der Transponder ist in diesem Zustand, wenn er nicht im Bereich des Reader-H-Feldes ist. Wait-Zustand. Ein Übergangszustand, in dem der Transponder in den Advanced Mode geschaltet werden kann. Wird erreicht, sobald der Transponder im (ausreichend starken) H-Feld eines Readers ist. ISO Zustand. Der Zustand, in dem das ISO/IEC Protokoll ausgeführt wird. Ready-Zustand. Transponder geht in diesen Zustand, wenn er ein zulässiges Request empfangen hat. Auf diese Weise wird er in den Advanced Mode gebracht. Quiet Zustand. Nachdem der Transponder das Stay Quiet Kommando empfangen hat, geht er in diesen Zustand über. Er verarbeitet und reagiert jedoch auf jedes Request, in dem das ADR-Flag gesetzt ist. Der Transponder geht ebenfalls in den Quiet Zustand, wenn er im Selected-Zustand ein an einen anderen Transponder adressiertes Select-Kommando empfängt. Selected-Zustand. Ein Transponder geht in den Selected-Zustand, wenn er ein Select-Kommando mit seiner UID empfängt. In diesem Zustand sind Kommandos mit SEL-Flag = 1 nur für diesen Transponder gültig. Generell soll immer nur ein Transponder im Reader-Ansprechbereich im Selected-Zustand sein. Daher definiert das Protokoll, dass ein erster, selektierter Transponder von selbst in den Quiet-Zustand übergeht, wenn er detektiert, dass ein zweiter Transponder vom Reader selektiert wird. Seite 61

62 Transponder-Zustände Out of field or RF off RF on RF off ISO FDX-B ISO HDX No Request and RF on Valid Request WAIT for time-out RF on Invalid Request (reset time-out) Out of field or RF off RF Off Out of field or RF off Read UID or any other Request with SEL flag not set READY Inventory Select (UID) Reset To Ready Stay Quiet (UID) Reset To Ready RF-off: Go to RF-off state QUIET Select (UID) SELECTED Stay Quiet or Select (non -matching UID) Any other Request with ADR flag set Any other Request with ADR flag set or SEL flag set Seite 62

63 Antikollisionsmechanismus Der Reader steuert die Kommunikation mit einem oder mehreren Transpondern (Master - Slave). Er beginnt die Antikollisions-Sequenz durch Aussendung des INVENTORY-Kommandos. Im Kommando zeigt ein Flag an, ob 1 oder 16 Zeitschlitze verwendet werden. Maskenlänge und Maskenwert folgen dem Kommandofeld. Maskenlänge n bestimmt die Anzahl der signifikanten Bit-Stellen des Maskenwertes. Werte zwischen 0 und 44 bits sind zulässig für Betrieb mit 16 Zeitschlitzen, und für 1 Zeitschlitz. Antikollision mit 1 Zeitschlitz Der Transponder empfängt einen oder mehrere INVENTORY-Kommandos mit Flag 0. Immer wenn ein Teil oder die gesamte UID des Transponders dem Maskenwert des Reader-Request entspricht, antwortet er mit den verbleibenden Stellen der UID ohne Maskenwert. Antikollision mit 16 Zeitschlitzen Der Transponder empfängt mehrere INVENTORY-Kommandos mit Flag 1, welches die Betriebsart mit 16 Zeitschlitzen definiert. Im Kommando wird auch der Masken-Wert mit übertragen (LSB first). Ist der Maskenwert 0, dann werden die 4 höchstwertigen Stellen der Transponder-UID als Startwert für den Zeitschlitz-Zähler des Transponders verwendet (Transponder antwortet im jeweiligen Zeitschlitz). Ist der Maskenwert ungleich 0, wird der Teil der Maske mit der UID verglichen. Wenn er passt, wird der Startwert für den Zeitschlitz-Zähler daraus berechnet. Der Reader beginnt dann den Antikollisions-Algorithmus. Jedesmal, wenn der Tag ein EOF (Puls des Readers) empfängt, erhöht er den Zeitschlitz-Zähler. Wenn Masken-Wert und Zeitschlitz-Zähler gleich sind, antwortet der Transponder mit seiner restlichen UID, ohne Maskenwert, aber mit Schlitz-Numer. Bei Kollision in einem Zeitschlitz ändert der Reader den Maskenwert und startet den Algorithmus neu. Seite 63

64 ISO/IEC Part 2 - Parameter für Luftschnittstelle unter 135 khz Status des Standards (01/2009): FCD Resolution Read/Write - Reader Talks First Antikollision: 1 und 16 Zeitschlitze Luftschnittstelle hat 2 Teile, so wie in der Nutztieridentifikation A: FDX 125 khz B: HDX 134 khz Reader müssen Teil A und Teil B unterstützen, Transponder können A oder B unterstützen Es existiert kein Listening Window und es existiert kein TTF Mode. Seite 64

65 Allgemeine Zusammenhänge Seite 65

66 Prinzip der Erzeugung der Rückmodulation Der Hilfsträger (bei ~848 khz) entsteht durch Teilung aus der Trägerfrequenz 13,56 MHz. Der Datenstrom in Kanalcodierung wird mit dem Hilfsträger logisch verknüpft. Es entsteht ein ein- / ausgetastetes 848 khz Rechteck-Signal. Die logischen Pegel dieses Signals steuern einen Schalter, der eine zusätzliche Belastung im Transponderkreis erzeugt. Über Kopplung im Nahfeld wirkt diese Lastmodulation auf die Sendeantenne und ändert deren Impedanz. Man kann das Prinzip auch als externe AM / PM auffassen (Modulationsgrad hängt von Kopplung ab!) Hilfsträger fc / 16 = 847,5 khz Datenstrom in Kanalcodierung (z.b. Manchester) modulierter (ein- / ausgetasteter) Hilfsträger HF-Träger mit fc = 13,56 MHz Frequenz (Sinus) H-Wechselfeld (13,56 MHz) mit Transponder-Rückmodulation Lastmodulation k UND Seite 66

67 Lastmodulation im Zeit- und Frequenzbereich Zeitbereich Frequenzbereich "0" "1 Datenbits Manchester- Codierung f Hilfsträger - f data f data Hilfsträger- Modulation khz khz f Last- Modulation MHz MHz f MHz Seite 67

68 Lastmodulation auf Hilfsträger im Frequenzbereich Da der Reader typisch nur eine Antenne verwendet, kann das viel schwächere Signal der Lastmodulation durch Filter im Frequenzbereich von der gesendeten Trägerfrequenz getrennt und die Information des Transponders empfangen werden Impedanz der PCD-Antenne je nach Q Trägersignal fc = 13,56 MHz, gemessen an der Antenne des Lesegerätes ZT in Ohm Q = 60 Modulationsprodukte durch Lastmodulation mit Hilfsträger 847,5 khz 40 Q = 30 Q = , ,56 14,4075 MHz Frequenz Seite 68

69 Kanalcodes NRZ-Codierung Manchester-Codierung (bi-phase) Unipolar- RZ-Codierung Differential Biphase-Codierung Miller-Codierung Modifizierte Miller-Codierung Differential- Codierung Seite 69

70 Möglichkeiten des Vielfach-Zugriffs Eigenschaften von Feld bzw. Welle Amplitude Frequenz Anfangs-Phasenlage Polarisation zeitliche Welle / Zeitverlauf räumliche Welle Shannon-Würfel (Kanalkapazität) C/N CDMA TDMA FDMA f Antikollisions- t C = B ld P SIGNAL 1 + in bit / s P NOISE verfahren Raum (SDMA) Zeit (TDMA) Frequenz (FDMA) Codierung (CDMA) Seite 70

71 Antikollisions-Prinzipien (Zeit-)Sequentielle Verfahren Readergesteuert (synchron) Transpondergesteuert (asynchron) Polling Binary Search Tree Switched Off when read Announcement Replay Auswahl- Liste Dynamic Census Preset Group Selection Dynamische Gruppen- Selektion Muting Trigger Endlos- Schleife Kontinuierliches Scrolling Seite 71

72 Antikollisionsprinzipien Readergesteuerte Verfahren Reader Talks First...basieren auf Transpondern, die durch eine eindeutige Seriennummer (UID) gekennzeichnet sind. Zur Verwaltung der Transponder im Ansprechbereich wird eine Liste aller UIDs benötigt. Polling: Die Liste wird durch sequenzielles Abfragen aller UIDs erzeugt. Eignet sich nur für kleinen UID-Adressraum. Binary Search Tree: Die Liste wird dynamisch erstellt. Entscheidend ist die Möglichkeit, die Bit-Stelle einer Kollision feststellen zu können. Nur Verzweigungen mit einer Kollision werden bei der Erstellung der Liste im folgenden Abfrage- Durchlauf weiter verfolgt. Transpondergesteuerte Verfahren Transponder Talks First...arbeiten asynchron, da keine Steuerung der Datenübertragung durch das Lesegerät erfolgt. Langsam und unflexibel. Switched off: Wurde ein Transponder vom Reader erkannt, erhält er das Kommando, sich (bis auf Weiteres) stumm zu schalten. Announcement Replay: Kontinuierliche Schleife aus Zeitschlitzen. Seite 72

73 Referenzen [1] RFID-Handbuch, Klaus Finkenzeller, Hanser-Verlag 2002, ISBN [2] ISO/IEC JTC1/SC17/WG8/TF2 xxx Seite 73

74 Trainingsfragen zur Verständniskontrolle Welche Möglichkeiten des Vielfachzugriffes sind bekannt? Welche davon sind für RFID besser geeignet und welche sind schlechter geeignet (und warum)? Erkläre wesentliche Eigenschaften der Protokolle ISO/IEC14443, FeliCa, NFC, ISO/IEC Wo liegen die Anwendungsgebiete, auf welche Weise sind die Protokolle darauf optimiert? Beschreibe für die Protokolle ISO/IEC14443A (und ISO/IEC15693), wie aus mehreren Transpondern im Reader-Feld ein Transponder selektiert wird (Antikollisions-Mechanismus). Wie kann eine Kollision erkannt werden? Beschreibe und erkläre die wesentlichen Eigenschaften der Kommunikation an der Luftschnittstelle für das Proximity-Protokoll ISO/IEC14443A. Wie sieht die Kommunikation des Readers zum Transponder aus (Modulationsgrad und Pulsparameter, Kanalcodierung, Datenraten, Datenrahmen, Fehlerschutz)? Wie sieht die Kommunikation des Transponders zum Reader aus? Beschreibe und erkläre einige wesentliche Merkmale der Kommunikation an der Luftschnittstelle für das Vicinity-Protokoll ISO/IEC Wie sieht die Kommunikation des Readers zum Transponder aus (Modulationsgrad und Pulsparameter, Kanalcodierung, Datenraten, Datenrahmen, Fehlerschutz)? Wie sieht die Kommunikation des Transponders zum Reader aus? Was läßt sich über LF-Standards sagen? Seite 74

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