School of Engineering Kapitel 3: RFID NTM2, RFID, 1 Inhalt 1.Einführung in RFID-Systeme 2.HF-RFID 3.HF-Standard ISO/IEC Kurze Einführung ins EPC Gen2 UHF-RFID-System Referenzen [1]Klaus Finkenzeller, „RFID-Handbuch“, 5. Auflage, Hanser, [2] M. Lampe, Ch. Flörkemeier, St. Haller, „Einführung in die RFID-Technologie“, => Text-Skript (freiwillig) [3] [4]R. Küng, M. Rupf, „RFID-Blockkurs“, ergänzende MSE-Veranstaltung, ZHAW, 2009.

School of Engineering Barcode-Identifikationssysteme sind oft nicht mehr ausreichend u.a. wegen geringer Speicherfähigkeit, fehlender Programmierbarkeit, starker Beeinflussung durch Schmutz und Nässe, Totalausfall bei optischer Abdeckung, => in vielen Gebieten setz(t)en sich RFID-Systeme durch Radio Frequency Identification (RFID) berührungsloses Lesen und Speichern von Daten auf Transponder Transponder/Tag ermöglicht automatische und schnelle Identifikation Vielzahl von RFID-Systemen in ganz verschiedenen Anwendungen Logistik (supply chain management), Zutrittskontrolle, kontaktloses Ticket im ÖV, Lastwagen-Maut, Buchausleihe, Pass, … von unbedenklichen bis problematischen Anwendungen (Datenschutz) 1. Einführung in RFID-Systeme NTM2, RFID, 2

School of Engineering 1. Bestandteile eines RFID-Systems RFID- Reader Applikation Transponder Daten Koppelelement (Spule, Antenne) Energie,Takt meist mit Chip Kopplung mit Spule für Frequenzen 125/134 kHz und MHz induktiv im Nahfeld grosse Mehrheit der heute verkauften Systeme Schreib- und Lesereichweiten einige cm bis 1 m Kopplung mit Antenne für Frequenzen bei 868 MHz, 2.4 GHz und 5.8 GHz elektromagnetisch im Fernfeld Schreib- und Lesereichweiten bis m typisch wenige cm bis wenige Meter lesen schreiben, speichern NTM2, RFID, 3

School of Engineering 1. Frequenzbänder 27 MHz EurobaliseDSRC Mautsysteme NTM2, RFID, 4

School of Engineering Spulen (induktiv, Nahfeld- Kopplung) gefaltete Dipol- Antennen (elektromagnetisch, Fernfeld-Kopplung) 1. Verschiedene Tag-Bauformen NTM2, RFID, 5

School of Engineering 1. Verschiedene HF-RFID-Tags MHz smart label disc / coin NTM2, RFID, 6

School of Engineering 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 7

School of Engineering 1. Funktionsweise RFID-Datenträger Reader => Tag ASK-Modulation (Hüllkurven- Detektor) NTM2, RFID, 8

School of Engineering 1. Funktionsweise RFID-Datenträger NTM2, RFID, 9

School of Engineering 1. Funktionsweise RFID-Datenträger Aktiv-RFID bezeichnet mehr eine Applikation als eine Technologie es gibt WiFi-Tags (z.B. von Ekahau), Bluetooth-Low-Energy-Tags, usw. NTM2, RFID, 10

School of Engineering 1. Speicherkapazität 1-Bit-Transponder (chipless) Transponder im Feld bzw. nicht im Feld Read-only-Transponder kostengünstig sendet im Reader-Bereich permanent ID (unidirektional) Einsatzbeispiel: Industrieautomation mit zentraler Datenführung EEPROM-Speicher (oder FRAM: Ferroelectric RAM) typisch bei induktiv gekoppelten Systemen Speicherkapazität 16 Byte bis 8 kByte (64 kBit) batteriegepufferte SRAM-Speicher typisch bei Mikrowellensystemen Speicherkapazität 256 Byte bis 64 kByte Speicherkapazität beeinflusst Chipgrösse bzw. Preis NTM2, RFID, 11

School of Engineering Frequenz f G Spannung an Generator-Spule fGfG EAS-Label (LC-Schwingkreis) (EAS: elektronische Artikelsicherung) Transmitter Energie (Wechselfeld) Rückwirkung (bei Resonanz) 8.2 MHz ± 10% (Wobbelbereich) Sollbruchstellen Folienkondensator (Deaktivierung mit starkem Magnetfeld) 1. 1-Bit-Transponder Resonanzbereich LC-Schwingkreis NTM2, RFID, 12

School of Engineering 1. Frequenz, Reichweite, Kopplung induktiv gekoppelt Reichweite einige cm bis 1 m Reichweite ≈ Durchmesser Reader-Spule für Kreditkarten-Tags LF: typ. 125/134 kHz, Tag-Koppelspule mit sehr vielen Wicklungen HF: typ MHz, Tag-Koppelspule mit nur wenigen Wicklungen kostengünstiger als LF-Tag!, typ. weniger Störungen als bei LF! Übertragung im Antennen-Nahfeld << λ/2π (noch keine EM-Welle) Beispiel: MHz => λ=22.1m => Nahfeld < 3.5m H-Feld nimmt mit 1/r 3 bzw. 60 dB / Dekade ab gute Durchdringung bei Flüssigkeiten, aber Probleme bei Metall elektromagnetisch gekoppelt Reichweite 3 – 8 m (passiv) bzw. bis 15 m (semi-passiv) UHF: typ. 868 MHz ( MHz weltweit) Übertragung im Antennen-Fernfeld >> λ/2π EM-Feld nimmt mit 20 dB pro Dekade ab (Freiraumausbreitung) Probleme bei Flüssigkeiten und bei Metall NTM2, RFID, 13

School of Engineering 1. Verschiedene Reader UHF-Reader (max. 4W EIRP) Gate mit UHF-Reader UHF- Antenne Tunnel- Reader HF Reader Stick mit integrierter Antenne nur Reader-Chip kein zusätzlicher PowerAmp (max mW) NTM2, RFID, 14 NFC-Handy

School of Engineering FPGA/DSP Processing LAN /WLAN RF Tx (12 W) and Rx GPIO SDR Architecture Price 2400 € Product example: Feig Electronic d max = 1 m aus [4] 1. HF long range reader NTM2, RFID, 15

School of Engineering PA LNA CONTROL UNIT TX DATA RX DATA CARRIER ENABLE INDUCTIVE ANTENNA L1 C1 R1 Reader => Tag ASK-Modulation Serie- Resonanz (Strom!) aus [4] 2. HF-RFID: Reader NTM2, RFID, 16

School of Engineering Spannung beim Tag-Chip Frequenz [MHz] nützlich für Frequenzen bis 100 MHz L2C2 Last MHz HF-Tag mit einer Spule mit wenigen Windungen LF-Tag-Spule: N= Wdg => HF-Tag-Spule: N = 3-10 Wdg. (!!!) Resonanz Peak einfach verstimmbar (z.B. Tag nahe leitender Oberfläche) 2. Generierung der Tag-Spannung NTM2, RFID, 17

School of Engineering RF Leistung (~k 2 ) verkleinert sich mit -60 dB / Dekade Design Regel: mache  klein, Antenne r 2 gross Faustregel: Lesereichweite von Kreditkarten-Tags ≈ Durchmesser der Reader Antenne (vorausgesetzt Tx-Power ist gross genug) Feldstärke (~k) verkleinert sich mit 1/x 3 2. Lesereichweite Kopplungsfaktor NTM2, RFID, 18

School of Engineering ASK-Modulation (Mod.-Tiefe %) 2. Reader => Tag: ASK Modulation NTM2, RFID, 19

School of Engineering t z.B. data 0 (Manchester coded) TbTb z.B. f H = f c / 32 aus [1] TbTb Schwingung mit f c (nicht gezeichnet) t z.B. data 0 Rx-Signal im Reader => AM mit sehr grossem Träger y(t) f IY(f)I f c +f H f c -f H fcfc grosse Differenz (z.B. 80 dB) Info (ID) steckt in den Seitenbändern z.B. R b = f c / Tag => Reader: Lastmodulation NTM2, RFID, 20

School of Engineering 2. Tag => Reader: Lastmodulation NTM2, RFID, 21 Tag-response in baseband Tag-response subcarrier-modulated f sub -f sub reader f t TbTb f t TbTb TbTb t envelope f c +f sub f f c -f sub fcfc 0 0

School of Engineering Ziel Readers und Tags von verschiedenen Herstellern sind kompatibel typischerweise ist der Tx standardisiert, nicht aber der Rx => Wettbewerb! LF ISO/IEC 11784/5 RFID of animals (1996) HF ISO/IEC Identification Cards – Proximity Cards (2001) Reichweite bis 10 cm, Datenrate bis 106 kb/s Mifare-Produkt Variante ISO/IEC Identification Cards – Vicinity Cards (2001) Reichweite bis 1 m, Datenrate bis 26 kb/s auch ISO/IEC mode 1 ISO/IEC mode 3 (item management standard) HF-Version von EPC Gen2 UHF, höhere Daten- und Leserate 2. Einige LF- und HF-RFID-Standards Teil von NFC (Near-Field-Communication) NTM2, RFID, 22

School of Engineering 2. NFC-Standard NTM2, RFID, 23 aus [1] NFC-Device e.g. Google Galaxy Nexus, Samsung S3/S4 Peer-to-Peer-mode ASK-modulation max. 424 kb/s, max cm e.g. to exchange business card info Sony FeliCa-Card (ISO 15693) market driver pay-app / e-ticketing (not always supported) NFC-initiator NFC-target (active receiver used) transmits alternatively load modulation

School of Engineering 3. HF-Standard ISO Norm für kontaktlose Chip-Karten Basis für viele andere smart-label-Produkte MHz, Reichweite < 1 m (vicinity coupling) Standard von 2001 mit 3 Teilen ISO :2000: Physical Characteristics CHF ISO :2006: Air Interface and Initialization CHF ISO :2009: Anticollision and transmission protocol CHF Begriffe VCD: vicinity coupling device („reader“) VICC: vicinity card („tag“) NTM2, RFID, 24

School of Engineering 3. ISO Luftschnittstelle Modulations- und Kodierverfahren Reader (VCD) -> Karte (VICC) 10% und 100% ASK, 2 PPM-Kodierverfahren, Framing (SOF/EOF) 1 aus 256 Pulspositionen (long distance mode) 1 aus 4 Pulspositionen (fast mode) μs kb/s ms 1.65 kb/s SOF (start of frame) SOF (start of frame) EOF (end of frame) EOF (end of frame) NTM2, RFID, 25

School of Engineering 3. ISO Luftschnittstelle f Betrags- spektrum f c kHzf c MHz BP-Charakteristik der Leser-Antenne (Q = f c / B 3dB < 20) f c kHz - 3 dB Q zu gross μs μs Lastmodulation Karte -> Reader Datenrate1 Hilfsträger (ASK)2 Hilfsträger (FSK) kHz kHz / kHz low6.62 kb/s (f c /2048) 6.67 kb/s (f c /2032) high26.48 kb/s (f c /512) kb/s (f c /508) NTM2, RFID, 26

School of Engineering 3. ISO Protokoll Unique Identifier (UID, 64 Bit lang) Speicherorganisation max. 256 Datenblöcke à je max. 256 Bits, d.h. max. 8 kByte (64 kbit) Speicher Schreib-/Lese-Zugriff auf einen oder mehrere Blöcke Protokoll-Konzept vorgeschriebene Befehle: inventory, … optionale Befehle: read/write single/multiple blocks, … kundenspezifische und proprietäre Befehle Serienummer des IC-Herstellers (48 Bits) Hersteller-Code (8 Bits) 0xE0 (8 Bits) Zeit Reader Karte Request Response aus [5] NTM2, RFID, 27

School of Engineering 3. ISO Protokoll Inventory mit 1 Slot (Abfrage einzelne UID) oder 16 Slots (Antikollision) SOF EOF Inventory Reader EOF UID1 Karten antworten, wenn [Slot-Nummer, Maske] mit [LSBs der UID] übereinstimmt EOF slot 0 (success) EOF UID3 slot 1 (idle) slot 2 (collision) EOF … slots 3-15 (oder Abbruch) Vergleich zwischen Maske, slot-Nummer und UID ohne Maske: Tag antwortet in Slot-Nummer = UID modulo 16 Leserate ca Tags / s NTM2, RFID, 28

School of Engineering 3. ISO Protokoll Read Single Block unadressiert schnellster Zugriff auf „vorbeifahrende“ Tags z.B. auf Förderband single block enthält „ID“ Beispiel SOF Flags Reader Karte EOF 8 bits Com 64 bits UID (optional) Block 8 bits CRC16 16 bits EOF Daten typ. 32 bits CRC16 16 bits Flags 8 bits SOF Reader-Feld 0.1 m 3 m/s Verweildauer im Feld: 33 ms ca. 100 Bit mit ca. 26 kb/s übertragen: 4 ms => Tag kann ca. 6-8 mal gelesen werden nur 1 Tag im Lesefeld erlaubt! Tag (z.B. auf Förderband) NTM2, RFID, 29

School of Engineering EPCglobal ( develops industry-driven standards for the Electronic Product Code™ (EPC, ≥ 96 bits) to support the use of (UHF) RFID in today‘s trading networks. subscriber-driven organisation that creates global standards for the EPCglobal Network™ trys to increase visibility and efficiency throughout the supply chain and higher quality information flow between companies and key trading partners History formed in 2003 to take over the activities of the Auto-ID Center from the MIT 2nd-generation RFID-standard (“Gen2”) became publicly available in 2005 International Standards Organization (ISO) adopted the EPC Gen2 UHF-RFID- Standard as part of the ISO series of item management RFID-standards, as ISO C. 4. Kurze Einführung in EPC Gen2 UHF-RFID-System NTM2, RFID, 30

School of Engineering Gen2 tags can be used world wide support the UHF-range MHz support different data rates R=>T: kb/s ASK-modulation T=>R: kb/s, modulated backscattering Gen2 readers are compliant with „regional/national“ regulation MHz (4 channels of BW=200 kHz, max. 2W ERP [3.3W EIRP]) MHz (50 channels of BW=500 kHz, 2.5 hop/s, max. 4W EIRP) MHz EuropeNorth-America 4. EPC Gen2 UHF-RFID-System NTM2, RFID, 31

School of Engineering 4. EPC Gen2 UHF-RFID-System Reading range is power limited optimistic link budget („no“ multipath environment) Path Loss 49 8 m - 16 dBm (25 μW) received at tag + 33 dBm Path Loss 49 8 m - 68 dBm Loss 3…10dB L free [dB] = ·log 10 (f [GHz]) + 20·log 10 (d[m]) d = 10 (49 – ) / 20 = 7.8 m -19 dBm strongest possible backscatter signal interference < -78 dBm such that SNR > 10 dB NTM2, RFID, 32

School of Engineering K=7 tags and their selected slot numbers IISCSSIC the reader initiates an inventory round with 2 Q -slots the tags randomly select a slot in the interval [0,2 Q -1] to reply Example with K=7 tags and Q=3 the reader modifies Q, i.e. # of slots of the next inventory round depending on the # of idles, successes and collisions e.g. Q is increased if there were too many collisions in the last inventory round tags that were successfully identified do not attend new inventory rounds the reader continues initiating new inventory rounds until Q=0 and the corresponding slot is idle 2 Q slots (I: idle, S: success, C: collision): here, tags 0, 5 and 6 are successful in slots 4, 2 and 5 respectively and do not attend the next inventory round any more 4. Gen2 Q-Anticollision-Algorithm NTM2, RFID, 33

School of Engineering 4. Gen2 Q-Anticollision-Algorithm Performance is controlled by the Q parameter Q is too large => too many idles Q is too small => too many collisions Q is optimal when the # of slots of an inventory round ≈ # of unidentified tags But: How can the # of unidentified tags be estimated? => NO solution in the standard! => simplest answer: # of unidentified tags ≥ 2 times # of collisions! from slotted Aloha theory: max. success rate ≈ 37% resulting EPC Gen2 reading rate ≈ tag/s (compared to tag/s for ISO 15693) NTM2, RFID, 34