Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme

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1 Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Michael Roland Diplomarbeit am FH-Masterstudiengang Embedded Systems Design FH Oberösterreich, Campus Hagenberg Juli 2009 Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

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3 Inhalt 1 Einleitung Motivation & Zielsetzung RFID und NFC 2 Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Einsatzgebiete 3 Demonstrator Prototyp Übertragungsprotokoll 4 Ergebnisse Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

4 Inhalt Einleitung 1 Einleitung Motivation & Zielsetzung RFID und NFC 2 Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Einsatzgebiete 3 Demonstrator Prototyp Übertragungsprotokoll 4 Ergebnisse Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

5 Einleitung Motivation & Zielsetzung Motivation zunehmende Weiterentwicklung der Smartcard-Mikrochips Verbesserung der On-Chip-Speichertechnologien steigende Speicherkapazität steigende Speicherzugriffsgeschwindigkeit steigende Berechnungsgeschwindigkeit ABER: Übertragungsgeschwindigkeit noch nicht an die Weiterentwicklungen angepasst Konzepte zur Erhöhung der Datenrate waren bereits Thema mehrerer Diplomarbeiten Jetzt sollen diese Konzepte anschaulich dargestellt werden Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

6 Einleitung Motivation & Zielsetzung Zielsetzung Umsetzung der Übertragungskonzepte in einem Prototyp Aufbau einer vollständigen Übertragungsstrecke Implementierung eines Übertragungsprotokolls Übertragung einer Bilddatei Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

7 Einleitung RFID und NFC Was ist RFID? ursprünglich: kontaktlose Identifikationssysteme und Diebstahlsicherung heute: kontaktlose Datenübertragungssysteme Anwendungen Transport und Logistik Zutrittskontrolle Tieridentifikation elektronische Ticket- und Bezahlsysteme elektronischer Reisepass Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

8 Einleitung RFID und NFC Grundbestandteile jedes RFID-Systems Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

9 Einleitung Varianten von RFID-Systemen RFID und NFC kapazitiv gekoppelte Systeme hochfrequentes elektrisches Feld sehr geringe Reichweite induktiv gekoppelte Systeme hochfrequentes magnetisches Feld (Transformatorprinzip) bis zu einigen Metern Reichweite UHF-Backscatter-Systeme elektromagnetische Wellenausbreitung mehrere Meter Reichweite * In dieser Diplomarbeit werden nur induktiv gekoppelte Systeme mit einer Betriebsfrequenz von 13,56 MHz betrachtet. Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

10 Aktuelle Standards Einleitung RFID und NFC Proximity cards (ISO/IEC 14443) Distanzen bis zu 10 Zentimeter z.b. Mifare, elektronische Reisepässe FeliCa (Sony) vergleichbar mit Proximity Vicinity cards (ISO/IEC 15693) Distanzen bis zu 1,5 Meter z.b. Zutrittskontrolle, Logistik NFC (ISO/IEC ISO/IEC NFC Forum) Distanzen bis zu 10 Zentimeter kompatibel zu Proximity, FeliCa und Vicinity NFC-Geräte können Transponder und Lesegeräte emulieren NFC-Geräte können direkt miteinander kommunizieren Spezifikation von Datenformaten für verschiedene Anwendungen Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

11 Inhalt Erhöhung der Datenrate 1 Einleitung Motivation & Zielsetzung RFID und NFC 2 Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Einsatzgebiete 3 Demonstrator Prototyp Übertragungsprotokoll 4 Ergebnisse Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

12 Zielsetzung Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Maximale Datenrate bei bestehenden Standards Proximity cards: 848 kbit/s FeliCa: 212 kbit/s Vicinity cards: 27 kbit/s VHD: Very High Datarate Erhöhung der Datenrate um ein Vielfaches auf 6,78 MBit/s Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

13 Einsatzgebiete Erhöhung der Datenrate Einsatzgebiete zunehmendes Datenvolumen elektronischer Reisepass Lesedauer mindestens 3 Sekunden davon 50 Prozent für Datenübertragung NFC TCP/IP über NFC Sensoren mit NFC-Schnittstelle Mobiltelefone als grafische Benutzeroberfläche Gemeinsam genutzte Wiedergabegeräte Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

14 Inhalt Demonstrator 1 Einleitung Motivation & Zielsetzung RFID und NFC 2 Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Einsatzgebiete 3 Demonstrator Prototyp Übertragungsprotokoll 4 Ergebnisse Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

15 Demonstrator Prototyp Übertragungsstrecke fehlerfreie Übertragung einer Datei von einem PC zu einem anderen 1 Datei mit PC 1 auf Transponder speichern 2 Datei über VHD-Schnittstelle an Lesegerät/PC 2 senden 3 Datei am Bildschirm anzeigen Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

16 Demonstrator Prototyp Blockschaltbild der VHD-Hardware Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

17 Transponder Demonstrator Prototyp Verarbeitungslogik des Transponders Auslesen des Speichers Verpacken in Frames des Übertragungsprotokolls Manchestercodierung manchestercodiertes Signal ist Schaltsignal für die Modulationstransistoren Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

18 Lesegerät Demonstrator Prototyp Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

19 Demonstrator Prototyp Warum gibt es zwei Decodierungspfade? Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

20 Demonstrator Übertragungsprotokoll Anforderungen an das Übertragungsprotokoll Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät ohne Rückkanal Transpondererkennung Synchronisation/Auswahl des Manchesterdecodierungspfads Fehlererkennung Fehlerkorrektur Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

21 Demonstrator Übertragungsprotokoll Aufbau des Übertragungsprotokolls Trennung in zwei Schichten: Zugriffskontrollschicht Transpondererkennung Synchronisation Datensicherungsschicht Fehlererkennung Fehlerkorrektur Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

22 Zugriffskontrollschicht Demonstrator Übertragungsprotokoll Frameaufbau: LSB MSB LSB MSB LSB LSB MSB... SYN SYN Datenteil SYN... SYN Synchronisationssequenz Bitmuster: Datenteil SYN darf nicht vorkommen (Bitstuffing) Länge bestimmt Dauer zur Erkennung ob ein Transponder in Reichweite ist Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

23 Demonstrator Datensicherungsschicht Übertragungsprotokoll Paketaufbau: Kennung ID Datenlänge M Paketlänge L Daten Prüfsumme (1 Byte) (2 Byte) (3 Byte) (1 Byte) (L Byte) (2 Byte) Fehlererkennung und Fehlerkorrektur: Datenkarussellverfahren Datei wird in kurze Pakete unterteilt (L Byte) Jedes Paket enthält eine eindeutige Kennung (ID). Jedes Paket enthält eine Prüfsumme (CRC). Pakete werden endlos gesendet: Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

24 Inhalt Ergebnisse 1 Einleitung Motivation & Zielsetzung RFID und NFC 2 Erhöhung der Datenrate Zielsetzung Einsatzgebiete 3 Demonstrator Prototyp Übertragungsprotokoll 4 Ergebnisse Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

25 Ergebnisse Messung der Bitfehlerrate 0,1 Bitfehlerrate [Fehler/Bit] 0,01 0,001 0, Abstand [mm] bis 1 Zentimeter Abstand: zwischen 10 4 und 10 3 Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

26 Ergebnisse Messung der Paketfehlerrate Messung bei 1 Zentimeter Abstand zwischen Transponder- und Leseantenne Paketfehlerrate verläuft in etwa linear mit der Paketgröße Paketfehlerrate [Fehler/Paket] 0,3 0,2 0, Paketgröße [Bit] Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

27 Ergebnisse Effektive Datenübertragungsrate Ohne Berücksichtigung der Vollständigkeit der empfangenen Datei Messung bei 1 Zentimeter Abstand Paketgröße [Bit] Framegröße [Bit] Optimum bei maximaler Framegröße und einer Paketgröße von 1024 Bit Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

28 Ergebnisse Effektive Datenübertragungsrate Effektive Datenübertragungsrate zur Übertragung der vollständigen Datei effektive Datenrate [MBit/s] 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 0, Abstand [mm] Reichweite bis 15 Millimeter möglich Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28

29 Ergebnisse Gesamtsystem Michael Roland Demonstrator für hochratige RFID- und NFC-Systeme Juli / 28