UHF-Technologie. Vorlesung RFID Systems Benno Flecker, Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2009

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1 UHF-Technologie Vorlesung RFID Systems Benno Flecker, Michael Gebhart TU Graz, Sommersemester 2009

2 Inhalt und Termine der Vorlesung Termin (SS2009) Titel und Inhalt RFID Systems LV Juni 2009 UHF-Technologie (1) 19. Juni 2009 UHF-Technologie (2) RFID Systems LV Seite 2

3 Inhalt Anwendungen Regulativen EPCglobal Standard Reader zu Tag Kommunikation Tag zu Reader Kommunikation Protokoll Tagmemory Kommandos Tag Data Struktur RFID Systems VL Seite 3

4 Barcode Vergleich Barcode RFID Ziel schnell und sicher identifizieren Genaue Positionierung zum Scanner notwendig Direkte Sichtverbindung Scanner Barcode erforderlich Anfällig gegen Verschmutzung Nicht überschreibbar Begrenzte Kapazität RFID Genaue Positionierung nicht notwendig Keine direkte Sichtverbindung Scanner Barcode erforderlich Unempfindlich gegen Verschmutzung Überschreibbar Höhere Kapazität Lange Lebensdauer Kann durch Gehäuse geschützt werden RFID Systems Seite 4

5 Anwendungen: Fashion Airline baggage tags Item level tagging RFID Systems Seite 5

6 Regulativen RFID Systems VL Seite 6

7 Regionale Frequenzübersicht 125 khz MHz UHF* 2.45 GHz 125 khz MHz UHF* 2.45 GHz* 125 khz MHz UHF* 2.45 GHz* * Limitationen durch die Regulativen RFID Systems Seite 7

8 Definitionen der in den Regulativen verwendeten Abkürzungen: ERP: Effective radiated power. Die Effektive Strahlungsleistung (auch effektiv abgestrahlte Leistung) ist das Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung multipliziert mit deren Antennengewinn (relativ zu einem Halbwellendipol). EIRP:Equivalent isotropically radiated power (EIRP). Die äquivalente isotrope Sendeleistung ist das Produkt der in eine Sendeantenne eingespeisten Leistung multipliziert mit deren Antennengewinn (relativ zu einem Isotropstrahler). FHSS:Frequency-hopping spread spectrum (FHSS). Ist ein Frequenzspreizverfahren für die Datenübertragung. Die Sequenz des Frequenzwechsel wird durch eine Pseudozufallszahl bestimmt. LBT: Listen Before Talk. Duty cycle: Tastgrad oder Aussteuergrad RFID Systems Seite 8

9 Regulations and Future 125 khz Worldwide harmonized 100% duty cycle (d.c.) MHz Worldwide harmonized with minor local differences 100% duty cycle MHz (UHF) EN : 0.5W ERP, MHz, 1 channel, 10% duty cycle EN : 2W ERP, MHz MHz, 10 channels, LBT (-96dBm) North America: 4 W EIRP, 26 MHz Band, 100% duty cycle Japan: 4W EIRP, MHz License needed 2.45 GHz Europe: 0.5 W EIRP, 100% d.c., indoor also 4 W EIRP, 15% d.c. North America: 4 W EIRP, 100% duty cycle Japan: 10 mw up to ~ 1W EIRP RFID Systems Seite 9

10 UHF US FCC Part 15C Low Power Transmitters Unlicensed Operation Frequency: MHz (26MHz) FHSS: Min. number of hopping frequencies=50 TX Output Power: 1W (conducted) Effective Isotropic Radiated Power 4 W (36dBm) Antenna Gain: Limited to 6dBi (Output power must be reduced 1dB for every db gain over 6dBi) Random non-sequential hop pattern RFID Systems Seite 10

11 UHF Japan Frequency: 952 MHz 954 MHz (License required) Radiated Power: 4W EIRP LBT Unlicensed low power operation possible (20 mw EIRP) RFID Systems Seite 11

12 Others Singapore ; 0.5W ERP MHz; 2 W ERP Australia MHz, 4 W EIRP (license managed by GS1 Australia) New Zealand ; 4W EIRP Taiwan MHz, 1 W ERP indoor; 0.5 W ERP outdoor, FHSS RFID Systems Seite 12

13 European Regulatory Standards ECC (CEPT) TR ERC RECOMMENDATION RELATING TO THE USE OF SHORT RANGE DEVICES (SRD) EN (2009_04) SRD 25 MHz to 1 GHz power levels ranging up to 500 mw EN (2006) SRD 9 khz to 30 MHz EN (2009_03) SRD 1 GHz to 40 GHz EN (2008_08) 865 MHz to 868 MHz power levels ranging up to 2 W RFID Systems Seite 13

14 UHF Regulations in Europe EN MHz MHz 10 channels (200kHz) 2W ERP (3.28W EIRP) LBT 2W) EN MHz MHz 1 channel (250kHz) 0.5W ERP (0.82W EIRP) 10% duty cycle RFID Systems Seite 14

15 ETSI EN European Standard (Telecommunications series) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM) Funkfrequenz Identifikationsgeräte zum Betrieb von 865 MHz bis 868 MHz mit Leistungspegel bis 2W; Part 1: Technische Vorraussetzungen und Messmethoden Part 2: Harmonisierte EN nach Artikel 3.2 der R&TTE (Radio & Telecom Terminal Equipment) Richtlinie Messstandard für RFID Systeme unter CEPT Annex 1 RFID Systems Seite 15

16 ETSI EN ETSI EN European Standard (Telecommunications series) Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Radio Equipment verwendet im 25 MHz bis 1000 MHz Frequenzbereich mit Leistungsleveln bis zu 500 mw; Part 1: Technische Charakteristik und Messmethoden Part 2: Harmonisierte EN nach Artikel 3.2 der R&TTE (Radio & Telecom Terminal Equipment) Richtlinie Messstandard für RFID Systeme unter CEPT Annex 1 RFID Systems Seite 16

17 ISO RFID Systems VL Seite 17

18 ISO Internationale Organisation für Normung Internationale Normen in allen Bereichen ausser Elektrik und Elektonik Gegründet 1947 Über 150 Länder Arten von Normen Technische Klassifikatorische Verfahrensstandards Je Mitgliedsland eine Organisation Verabschiedete Standards ISO/IEC (Version 2004; Luftschnittstelle) ISO/IEC 15961(Version 2004; Datenaustausch RFID system item management) RFID Systems Seite 18

19 Standard EPC Global RFID Systems VL Seite 19

20 EPCglobal wurde von GS1(Global Standards One für die Vergabe von EAN Codes zuständig; früherer Name EAN International) und GS1 US (früher Uniform Code Council) gegründet. Die Non Profit Organisation wurde von der Wirtschaft beauftragt den EPC -Electronic Product Codeals globalen Standard zur raschen, automatischen und fehlerfreien Identifikation jedes Artikelsin jeder Supply Chain von jedem Unternehmen, jedes Industriezweiges weltweit zu etablieren und zu unterstützen. GS1 Austria vertritt offiziell EPCglobal in Österreich. Das Ziel ist die Verbesserung des Supply Chain Managements und anderere Geschäftstransaktionen, um einerseits Kosten zu reduzieren und andererseits die Wertschöpfung für Güter und Dienstleistungen erhöhen. RFID Systems Seite 20

21 Abkürzungen EAN Code: International (European) Article Number und ist eine Produktkennzeichnung für Handelsartikel; Die EAN ist eine Zahl und besteht aus 13 oder 8 Ziffern. Seit 2009 neuer Name GTIN (Globale Artikelidentnummer) GLN: Globale Locationsnummer indentifiziert international die Betriebsbezeichnung. Früher Bezeichnung ILN (International Locationsnummer) RFID Systems Seite 21

22 Produktkennzeichnung für Handelsartikel EAN-8 besteht aus der EAN Ländernummer Artikelnummer Prüfziffer EAN-8 mit Startziffer 0 oder 2 können lizenzfrei verwendet werden, sind aber nicht weltweit eindeutig. EAN-13 besteht aus GLN (7 Stellen) EAN - Ländernummer Betriebsnummer Artikelnummer (5 Stellen) Prüfziffer (1 Stelle) RFID Systems Seite 22

23 Der Ursprung: Das Konzept des EPCglobal Netzwerkes wurde vom AUTO-ID Center als akademisches Forschungsprojekt am M.I.T. (Massachusetts Institute of Technology) in Zusammenarbeit mit 5 Laboratorien an verschiedenen Forschungsuniversitäten entwickelt. RFID Systems Seite 23

24 EPC Global Neue, anwendergetriebene Organisation Joint Venture von EAN und UCC Nachfolgeorganisation des Auto-ID Centers Mitgliedschaft: Zur Zeit über 400 Firmen weltweit Non-Profit-Organisation Zielsetzung Definition eines weltweit gültigen Standards, um die Nutzung von EPC (Electronic Product Code) und RFID durchzusetzen Verabschiedete Standards Tag Data Standard (Kennzeichnung, Datenstruktur, Dateninhalte) Tag Data Standard v. 1.4 UHF Air Interface Protocol Class 1 Generation 2 (Luftschnittstelle) UHF Class 1 Gen 2 Standard v RFID Systems Seite 24

25 Vorteile des globalen Protokolls Hohe Leistungsfähigkeit Mehrere hundert tags/sec können gelesen werden Verlässlich Robuste RFID Technologie Erstes RFID Protokoll für weltweiten Einsatz Reader Angebot erfasst alle regionalen Bedürfnisse Sicher 32-bit Kill Passwort Sichere Reader Tag Kommunikation Reader überträgt nicht die EPC RFID Systems Seite 25

26 Protokoll - Die Entwicklung Parameter Class 0 Class 1 Gen 2 Read Rate US: 800 tags/sec EU: 200 tags/sec US: 200 tags/sec EU: 50 tags/sec US: 1600 tags/sec EU: 600 tags/sec Rewriteability Read Only Write Once Fully Rewritable Privacy 24-bit Password 8-bit Password bit Password Security -- Reader broadcasts OID, or -- Anonymous modes with reduced throughput Reader broadcasts partial OID -- Reader does not transmit EPC -- has encryption Regulatory Compliance North America Worldwide Worldwide Multi-Reader Environment -- Reader transmissions are spectrally separated from tag backscatter -- Reader transmissions interfere with tag backscatter -- Reader transmissions are spectrally separated from tag backscatter -- Guard bands prevent reader-on-tag collisions RFID Systems Seite 26

27 Reader zu Tag Kommunikation RFID Systems VL Seite 27

28 Reader Tag: PIE Encoding Tari = Referenzzeit (Dauer von Data-0) transmitted CW attenuated CW Data rate: 6.25µs = 160kbps 12.5µs = 80kbps 25µs = 40kbps RFID Systems Seite 28

29 Preamble & Resync Preamble: vor einem Query Kommando Start einer Inventory Runde Alle anderen Signale beginnen mit einem frame-sync. RFID Systems Seite 29

30 Preamble & Resync Der Tag interpretiert nachfolgend die Interrogator Symbole kürzer als pivot bedeutet Data-0 länger als pivot bedeutet Data-1 RTcal = 0 LENGTH + 1 LENGTH pivot = RTcal/2 Ein Interrogator spezifiziert die Tag backscatter Linkfrequenz (seine FM0 Datenrate oder die Frequenz seiner Miller subcarrier) mit Hilfe des TRcal und dem Teilungsverhältnis (DR) in der Preamble. RFID Systems Seite 30

31 Übertragungsmaske in der Multireaderumgebung zusätzlich zu den lokalen Regulativen RFID Systems Seite 31

32 FCC: Subcarrier Spectral Allocation Region US Link Forward Backscatter Rates / Format Tari=25µs PR-ASK 64 kbps at 256 khz subcarrier RFID Systems Seite 32

33 CEPT: Subcarrier Spectral Allocation Region Europe Link Forward Backscatter Rates / Format Tari=25µs DSB-ASK 20 kbps at 80 khz subcarrier RFID Systems Seite 33

34 CEPT: Subcarrier Spectral Allocation Region Europe Link Forward Backscatter Rates / Format Tari=25µs SSB-ASK 53.3 kbps at khz subcarrier RFID Systems Seite 34

35 Tag zu Reader Kommunikation RFID Systems VL Seite 35

36 Tag Reader: Backscatter Tags sollen die zurückgesendeten Daten entweder als FM0 Baseband oder Miller Modulation eines Subcarriers bei der Datenrate kodieren. RFID Systems Seite 36

37 Tag Reader : FM0 baseband FM0 (Biphase space) Linear Modulation Kollisionerkennung FM0 Symbols FM0 Sequences RFID Systems Seite 37

38 Baseband Miller invertiert seine Phase zwischen zwei Data 0 Symbolen oder in der Mitte eines Data 1 Symbols. Miller-encoded subcarrier vervielfacht die Basisband Datenform. M Wert ist spezifiziert im Query Kommando. T R: Miller encoded Subcarrier RFID Systems Seite 38

39 Protokoll RFID Systems VL Seite 39

40 Kommunikation mit einem Tag Select: EPC masking, Tag Bestand gemäss Benutzerkriterium einschränken Query: Read session, Tag sendet 16 Bit Zufallszahl (slotted Aloha) Ack: Zufallszahl gültig (keine Kollision), jetzt Tag EPC schicken QueryRep.: EPC gültig, Wiederholung Query RFID Systems Seite 40

41 Kommunikation mit mehreren Tags Query: Reader beginnt Verfahren, Kollision bei Antwort (Zufallszahl) destags festgestellt QueryRep: wiederholt Query mehrmals, Zufallszahl wird gesendet (slotted Aloha) Ack: Zufallszahl ohne Kollision empfangen Aber: Tag hat Ack nicht empfangen -> QueryRep RFID Systems Seite 41

42 Kommunikationsbeispiel RFID Systems Seite 42

43 Link timing T PRI denotes either the period of an FM0 symbol or the period of a single subcarrier cycle The maximum value for T2 shall apply only to Tags in the reply or acknowledged states FT is the frequency tolerance T pri = T R link period (1/LF) RFID Systems Seite 43

44 Tag Memory RFID Systems VL Seite 44

45 Tag memory aufgeteilt in vier von einander getrennten Speicherbereichen User memory erlaubt das abspeichern von anwenderspezifischen Daten. Tag Identification memory benihaltet einen 8 Bit ISO allocation class identifier ( b für EPCglobal) [00 h -07 h ], einen 12-bit Tag mask-designer identifier [08 h -13 h ], und eine 12-bit Tag model number [14 h to 1F h ]. EPC memory beinhaltet einen CRC-16 [00h-0F h ], Protocol-Control (PC) bits [10 h -1F h ], und den EPC code ab Adresse [20 h ]. USER TID EPC RESERVED Reserved memory beinhatet das Kill und Access Passwort. Kill Passwort [00 h -1F h ] Access Passwort [20 h -3F h ] RFID Systems Seite 45

46 Tag memory Kill password 32-bit Wort, welches im Reserved memory (00 h to 1F h, MSB first) gespeichert ist. Der Standardwert ist 0. Ein Reader benutzt das Kill Passwort, um den Tag killen zu können und somit für immer ruhig zu stellen. Ein Tag soll das Kill Commando nicht ausführen, wenn das Kill Passwort 0 ist. Access password 32-bit Wort, welches im Reserved memory (20 h to 3F h, MSB first) gespeichert ist. Der Standardwert ist 0. Tags mit einem nicht null Passwort, verlangen von einem Reader dieses Passwort bevor der Tag in den Secured State wechselt. Wenn das Kill oder das Access Passwort gelockt sind kann man sie weder schreiben noch lesen. Die anderen Memorybänke kann man nach dem locken noch lesen. RFID Systems Seite 46

47 Tag memory Protocol-control (PC) bits beinhaltet physical-layer Informationen, die die Antwort eines Tags verändern, bei eines Inventory Kommando. Es handelt sich um 16 Bits, gespeichert in der EPC memory bank (10 h to 1F h ). Bits 10 h 14 h : Backscattered (PC + EPC) length, in words: b : One word (addresses 10 h to 1F h in EPC memory) b : Two words (addresses 10 h to 2F h in EPC memory) b : Three words (addresses 10 h to 3F h in EPC memory) b : 32 words (addresses 10 h to 20F h in EPC memory) Bits 15 h 16 h : RFU (00 b for Class-1 Tags) Bits 17 h 1F h : numbering system identifier (NSI) b Bit 17 h : 0 = EPC Header, 1 = AFI (ISO/IEC 15691) in Bits 18 h -1F h Der Standardwert der PC Bits ist 3000 h. Dies bedeutet der Tag antwortet RFID Systems Seite 47

48 Tag memory EPC Der Electronic Product Code identifiziert ein Opjekt an dem er angebracht ist. Der Code ist in der EPC Memorybank beginnend mit Adresse 20 h, MSB first gespeichert. Der Reader führt ein Select command austhat includes all or part of the EPC in the mask. Interrogators may issue an ACK command to cause a Tag to backscatter its PC, EPC, and CRC-16 (x 16 + x 12 + x 5 + 1, Preset: FFFF h, Residue: 1D0F h ) Finally, an Interrogator may issue a Read command to read all or part of the EPC. Memory WRITES sind in 16 Bit Wörtern (word) organisiert. RFID Systems Seite 48

49 Tag States RFID Systems VL Seite 49

50 Ready state Tag states 1 Ready can be viewed as a holding state for energized Tags that are neither killed nor currently participating in an inventory round The Tag shall remain in ready until it receives a Query command Matching Tags shall draw a Q-bit number from their RNG, load this number into their slot counter, and transition to the arbitrate state if the number is nonzero, or to the reply state if the number is zero. Arbitrate state Arbitrate can be viewed as a holding state for Tags that are participating in the current inventory round but whose slot counters (see ) hold nonzero values. A Tag in arbitrate shall decrement its slot counter every time it receives a QueryRep command and it shall transition to the reply state when its slot counter reaches 0000h. Reply state Upon entering reply a Tag shall backscatter an RN16. If the Tag receives a valid acknowledgement (ACK) it shall transition to the acknowledged state, backscattering its PC, EPC and CRC-16. RFID Systems Seite 50

51 Acknowledged state Tag states 2 A Tag in acknowledged may transition to any state except killed, depending on the received command. Valid command within T2 Open state Tags in the open state can execute all access commands except Lock. Access pwd is nonzero, after Req_RN. Secured state Tags in the secured state can execute all access commands. Tag in acknowledged state with zero access pwd. Killed state A Tag in either the open or secured states shall enter the killed state upon receiving a Kill command with a valid nonzero kill password and valid handle. Kill permanently disables a Tag. Upon entering the killed state a Tag shall notify the Interrogator that the kill operation was successful, and shall not respond to an Interrogator thereafter. RFID Systems Seite 51

52 Tag state diagram 1 RFID Systems Seite 52

53 Tag state diagram 2 RFID Systems Seite 53

54 Managing Tag populations Select Selecting a Tag population for inventory and access Inventory Process by which an Interrogator identifies Tags. An Interrogator begins an inventory round by transmitting a Query command in one of four sessions. One or more Tags may reply. The Interrogator detects a single Tag reply and requests the PC, EPC, and CRC- 16 from the Tag. Access SELECT INVENTORY ACCESS The process by which an Interrogator transacts with (reads from or writes to) individual Tags. An individual Tag must be uniquely identified prior to access. RFID Systems Seite 54

55 The Inventory Sequence Reader issues Query command Q parameter Starting inventory round Tag loads Q-bit random value into slot counter In case of zero slot counter tag backscatters RN16 Reader acknowledge tag by returning RN16 Acknowledged Tag backscatters EPC Reader issues QueryRep command Tag inverts its inventoried flag and leaves round All other tags decrease slot counter In case of zero slot counter tag backscatters RN16 Ready Arbitrate Reply Acknowledge RFID Systems Seite 55

56 Kommandos RFID Systems VL Seite 56

57 Interrogator commands RFID Systems Seite 57

58 Select command SELECT Tag response to Action parameter RFID Systems Seite 58

59 INVENTORY Query command Query adjust command Query rep command Tag reply to all Query commands RFID Systems Seite 59

60 ACK command INVENTORY Tag reply to a successful ACK command NAK command RFID Systems Seite 60

61 Req_RN command ACCESS Tag Response on a prior Req_RN command Read command Tag Reply to a successful Read command RFID Systems Seite 61

62 Write command ACCESS Tag Reply to a successful Write command Successful Write sequence RFID Systems Seite 62

63 Kill command ACCESS Tag Reply to the first Kill command Tag Reply to a successful Kill procedure RFID Systems Seite 63

64 ACCESS Lock command Tag Reply to a Lock command RFID Systems Seite 64

65 20-bit payload defined as follows: ACCESS The first 10 payload bits are Mask bit s Mask = 0: Ignore the associated Action field and retain the current lock setting Mask = 1: Implement the associated Action field and overwrite the current lock setting The last 10 payload bits are Action bits. Action = 0: Deassert lock for the associated memory location Action = 1: Assert lock or permalock for the associated memory location RFID Systems Seite 65

66 ACCESS Access command Tag Reply to an Access command RFID Systems Seite 66

67 Tag Error reply format Tag Error codes Error codes and meaning RFID Systems Seite 67

68 EPC Tag Data Structure RFID Systems VL Seite 68

69 EPC Tag Data structures Based on EPC Tag Data Standards Version 1.4 RFID Systems Seite 69

70 Anhang RFID Systems VL Seite 70

71 Referenzen [1] EPC Global Homepage [2] EPC Global Hardware Certification [3] EPC Global Frequency regulations [4] Globale Artikelnummerabfrage RFID Systems VL Seite 71

72 Trainingsfragen zur Verständniskontrolle Welche UHF Standards kennen sie? Beschreiben sie den Memoryaufbau, wie er im EPCglobal Standard definiert ist. Geben sie eine Übersicht über die verschiedenen Frequenzen die bei UHF weltweit benutzt werden. RFID Systems VL Seite 72

73 RFID Systems Seite 73