RFID-Handbuch HANSER. Klaus Finkenzeller. Grundlagen und praktische Anwendungen von Transpondern, kontaktlosen Chipkarten undnfc

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1 Klaus Finkenzeller RFID-Handbuch Grundlagen und praktische Anwendungen von Transpondern, kontaktlosen Chipkarten undnfc 5., aktualisierte und erweiterte Auflage HANSER

2 Vorwort zur 5. Auflage Verwendete Abkürzungen XV XVII 1 Einführung Automatische Identifikationssysteme Barcode-Systeme Optical Character Recognition 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 Gasflaschenidentifikation Schlüssel und Schlüsselanhänger Uhren Bauform ID-1, kontaktlose 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 Sicherheitsanforderimgen Speicherkapazität ; 30

3 VI Inhaltsverzeichnis 3 Grundlegende Funktionsweise l-bit-transponder Radiofrequenz Mikrowelle ' Frequenzteiler Elektro-Magnetisch Akustomagnetisch Voll- und Halbduplexverfahren 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-Systemen Datenübertragung Transponder > Leser Oberflächenwellen-Transponder Near Field Communication (NFC) Active Mode Passive Mode 67 4 Physikalische Grundlagen für RFID-Systeme Magnetisches Feld Magnetische Feldstärke H Feldstärkeverlauf H(x) bei Leiterschleifen Optimierter Antennendurchmesser Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte Induktivität L Induktivität einer Leiterschleife Gegeninduktivität M ;.? Kopplungsfaktor k Induktionsgesetz Resonanz 82

4 VII Praktischer Betrieb des Transponders Spannungsversorgung des Transponders Spannungsregelung Ansprechfeldstärke Hmin Energiereichweite" von Transpondersystemen Ansprechbereich von Lesegeräten Gesamtsystem Transponder - Lesegerät.' Transformierte Transponderimpedanz ZT Einflussgrößen von ZT' Lastmodulation Messung von Systemparametern Messung des Kopplungsfaktors k Messung von Transponderresonanzfrequenz und Gütefaktor Magnetische Werkstoffe Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und Ferrite Ferritantennen in LF-Transpondern Ferritabschirmung in metallischer Umgebung Einbau von Transpondern in Metall 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 EIRP und ERP Eingangsimpedanz.' Wirksame Fläche und Rückstreuquerschnitt Effektive Länge 1 - : Dipolantenne Yagi-Uda-Antenne Patch- oder Mikrostripantennen Schlitzantennen Praktischer Betrieb von Mikrowellentranspondern Ersatzschaltbilder des Transponders Spannungsversorgung passiver Transponder Spannungsversorgung aktiver Transponder : Reflexion und Auslöschung Ansprechempfindlichkeit des Transponders Modulierter Rückstreuquerschnitt Lesereichweite 158

5 VIII Inhaltsverzeichnis 4.3 Oberflächenwellen Entstehung einer Oberflächenwelle Reflexion einer Oberflächenwelle Funktionsschema von OFW-Transpondern Der Sensoreffekt 166 ' 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 199

6 IX 5.6 Vergleich nationaler Regulierungsvorschriften Umrechnung bei 13,56 MHz Umrechnung auf UHF Codierung und Modulation Codierung im Basisband Digitale Modulationsverfahren Amplitudentastung (ASK) FSK PSK Modulationsverfahren mit Hilfsträger Datenintegrität Prüfsummen verfahren,,, Paritätsprüfung LRC-Verfahren CRC-Verfahren Vielfachzugriffsverfahren - Antikollision Raummultiplex - SDMA Frequenzmultiplex - FDMA Zeitmultiplex - TDMA : Beispiele für Antikollisionsverfahren ALOHA-Verfahren, Slotted-ALOHA-V erfahren Binary-Search-Algorithmus., Sicherheit von RFID-Systemen Angriffe auf RFID-Systeme Angriffe auf den Transponder Dauerhaftes Zerstören des Transponders..; '2 Abschirmen oder Verstimmen des Transponders Emulieren und Klonen eines Transponders Angriffe über das HF-Interface Abhören der Kommunikation Störsender ' Lesen mit vergrößerter Lesereichweite Denial of Service-Angriff durch Blocker Tags Relay-Attack.' Abwehr durch kryptografische Maßnahmen Gegenseitige symmetrische Authentifizierung Authentifizierung mit abgeleiteten Schlüsseln Verschlüsselte Datenübertragung Streamcipher 261

7 9 Normung Tieridentifikation'. : ISO/IEC Codestruktur ISO/IEC 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 characteristics ' Part 2-Dimensions and locations of coupling areas Part 3 -Electronic signals and reset procedures k Part 4 - Answer to reset and transmission protocols ISO/IEC Proximity coupling Chipkarten Part 1 - Physical characteristics Part 2 - Radio frequency interface Part 3 - Initialization and anticollision Part 4 - Transmission protocols ISO/IEC Vicinity coupling Chipkarten Part 1 - Physical characteristics 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 VD Warensicherungssysteme Teil 1 - Kundenabnahmerichtlinien für Schleusensysteme Ermittlung der Fehlalarmquote Ermittlung der Detektionsrate Formblätter in VDI 4470, Teil 2 - Kundenabnahmerichtlinien für Deaktivierungsanlagen Güter- und Warenwirtschaft ISO/IEC Reihe : ISO/IEC und GTAG Initiative GTAG-Transportschicht (physical layer) GTAG Leitungs- und Anwendungsschicht 313

8 XI EPCglobal Network Generation Normen und Spezifikationen Der Electronic Product Code (EPC) Transponderklassen Einführung in das EPC-Netzwerk Architektur elektronischer Datenträger Transponder mit Speicherfunktion HF-Interface : Schaltungsbeispiel -Lastmodulation mit Hilfsträger Schaltungsbeispiel - HF-Interface füriso Transponder Adress-und Sicherheitslogik State-Machine Speicherarchitektur Read-only-Transponder Beschreibbare Transponder Transponder mit Kryptofunktion ' Segmentierte Speicher MIFARE -Applikationsverzeichnis Dual-port-EEPROM Mikroprozessoren Dual Interface Karte MIFARE plus Moderne Konzepte für die Dual Interface Card Speichertechnologie RAM EEPROM FRAM..j Leistungsvergleich FRAM - EEPROM.' Messung physikalischer Größen Transponder mit Sensorfunktionen 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 368

9 XII Inhaltsverzeichnis 11.3 Integrierte Leser-ICs Integriertes HF-Interface Single Chip Reader IC : 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 Near Field Communication Secure-NFC ' Single Wire Protokoll NFC Wired Interface Herstellung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten Glas- und Plastiktransponder Chipherstellung Glastransponder, Plastiktransponder Kontaktlose Chipkarten, Spulenherstellung Verbindungstechnik Laminieren Anwendungsbeispiele Kontaktlose Chipkarten Öffentlicher Nahverkehr Ausgangssituation Anforderungen : Transaktionszeit Witterungsbeständigkeit, Lebensdauer, Bedienkomfort Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen Tarifmodelle mit elektronischer Abrechnung Marktpotenzial, Projektbeispiele Korea-Seoul Deutschland - Lüneburg, Oldenburg EU-Projekte - 1CARE" und CALYPSO" Kontaktloser Zahlungsverkehr : MasterCard Pay Pass ExpressPay von American Express 427

10 XIII Visa Contactless ExxonMobil Speedpass, NFC-Anwendungen Elektronischer Reisepass Ski-Ticketing Zutritiskontrolle Online-Systeme Offline-Systeme Transponder Verkehrssysteme : Eurobalise S Internationaler Containerverkehr 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 Fachzeitschriften Industrieverbände Fachzeitschriften 48) RFID im Internet ' Relevante Normen und Vorschriften Normungsgremien Normenliste Bezugsquellen für Normen und Vorschriften 491

11 XIV Inhaltsverzeichnis 14.3 Literatur : Platinenlayouts Testkarte nach ISO Feldgeneratorspule ; Lesegerät für 13,56 MHz Register, 517