Radio Frequency Identifier (RFID) und Nahfeldkommunikation (NFC)

Bei Radio Frequency Identification (RFID) geht es primär um Identifikation per Funk. Je nach Wellenlänge und Sendeleistung variiert die überbrückbare Distanz. Deshalb ist Near-Field Communication (NFC) ein Spezialfall von RFID, denn bei NFC sollen nur Distanzen bis 10 cm interessieren.

Durch den Einsatz von RFID lässt sich das Konzept der Auto-ID umsetzen: Jeder Mensch, jedes Tier und jeder Gegenstand lassen sich mit einem so genannten Transponder ausstatten und werden gezielt erfassbar. So lassen sich Informationen über den Aufenthaltsort, den Weg, die Anzahl und die Art der mit RFID-Transpondern versehenen Einheiten sammeln.

Bei der Warenerfassung, an der zurzeit vordringlich geforscht wird, kommt ein neuartiger Barcode-Ersatz zum Einsatz: Der Electronic Product Code (EPC) soll eine Informationsmenge von mindestens 64 Bit (maximale Ausbaustufe 256 Bit) speichern und macht somit eine weltweit eindeutige Kennzeichnung nicht nur jeder Charge, sondern jeden einzelnen hergestellten Gutes möglich.

Hierbei kommen direkt die großen Vorteile von RFID ins Spiel wie z.B. eine hohe Speicherfähigkeit, berührungsfreier Kontakt und Passivität. Die hohe Speicherfähigkeit hat die RFID-Technik von ihrer direkten Vorgängertechnik, der Speicherkarte, geerbt und verbessert. Der berührungsfreie Kontakt ist wichtig, weil zum Einen die Kontakte nicht mehr verschmutzt oder abgenutzt werden können und zum Anderen müssen nicht mehr alle Waren einzeln unmittelbar mit einem Lesegerät in Kontakt treten. Unter ’passiv’ verstehen wir die Anwendung ohne eingebauten Langzeitenergiespeicher wie z.B. eine Batterie. Das heißt, dass die RFID-Schaltung nur mit durch Radiowellen aufgenommener Energie funktioniert.

Die RFID-Technik integriert das Wissen und die spezifischen Fähigkeiten vieler sonst separat auftretender Forschungsfelder: Hochfrequenz-Technik (HF-Technik), Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Halbleitertechnik, Datenschutz, Kryptographie, Telekommunikation, Fertigungstechnik und viele andere mehr.

Das Haupteinsatzfeld von RFID ist bisher Auto-ID, aber mit der Erforschung und den sinkenden Preisen durch Massenproduktion werden schon bald andere Anwendungsfelder von RFID-Techniken übernommen werden können.

Komponenten eines RFID-Systems

Der grundlegende Aufbau eines RFID-Systems mit eingezeichneten Informations- und Energieflüssen:

Komponenten eines RFID-Systems
Abbildung 1:Komponenten eines RFID-Systems

Die eigentliche Identifikationsmarke, der Transponder, enthält u. a. ein Koppelelement wie z.B. eine Spule für induktive Kopplung oder eine Antenne für (Mikrowellen-) Übertragung. Der Transponder tauscht auf diesem Wege mit dem Lesegerät nicht nur die Daten aus, sondern er bekommt vom Lesegerät auch den (Übertragungs-) Takt vorgegeben und er erhält die Energie zum Funktionieren von dem selbigen. Das Lesegerät seinerseits verfügt ebenfalls über die gleiche Funkschnittstelle zum Transponder sowie über eine Computerschnittstelle zum Datenaustausch mit dem nachgeordneten Computer. Im Computer werden die Daten des Lesegeräts beispielsweise in einer Datenbankanwendung verwaltet und ausgewertet.

Aufbau einer Speicherkarte

Wie bereits erwähnt ist die RFID-Technik als direkte Nachfolge der bisherigen Speicherkarten-Technik zu sehen. Deshalb im Folgenden kurz eine Beschreibung des Aufbaus einer Speicherkarte:

Komponenten einer Speicherkarte
Abbildung 2:Komponenten einer Speicherkarte

Man kann deutlich die CPU als zentrales Element einer Speicherkarte erkennen. Eine Speicherkarte verfügt wahlweise über RAM, ROM (mit dem Betriebssystem) und/oder EEPROM, welches die Anwendung enthält. Diese Speicherkarten haben keine eigene Stromversorgung und wurden über Kontaktflächen mit dem Lesegerät in Berührung gebracht. Weiterhin sind auf der Karte auch Komponenten z.B. für die Ein-/Ausgabe (I/O) und den eigenen Prozessor- und Speichertakt vorhanden. Weil eine Speicherkarte nur bereits bei der Produktion fest eingebrannte Daten herausgeben oder verarbeiten kann und die Daten im RAM immer bei Energieverlust verloren gehen, sind Speicherkarten meist nicht echt beschreibbar.

Die bei Speicherkarten überwiegend eingesetzte Speicherbauart waren EEPROMs (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Sie wurden bei der Herstellung mit individuellen Daten ’gebrannt’. Durch Aufwendung hoher elektrischer Energie lassen sich EEPROMs auch wieder neu beschreiben – üblicherweise dürfen das nur autorisierte Institutionen. Außerdem ist die Energieaufnahme für mobile Anwendungen zu hoch und die Wiederbeschreibbarkeit ist mit nur ca. 100.000 Zyklen nicht für die ständige Nutzung sinnvoll. Andere Alternativen, die in Zukunft Einzug halten werden sind SRAM (statische RAMs), FLASH-Speicher, FRAMs (Ferroelektrische Speicher) und MRAMs (magnetoresistiver Speicher).

Speicherkarten gab und gibt es in vielen unterschiedlichen Varianten: Ganz alte Speicherkarten, z.B. die der Telekom, hatten noch nicht einmal einen Prozessor; bei ihnen lag die Logik im Lesegerät, welches nach und nach per Strom-Impuls die Speicherzellen beschädigte und somit die Telefonkarte irreparabel ’leerte’. Die modernsten Karten heutzutage sind so genannte Kryptokarten, die neben viel Speicher auch eine leistungsfähige CPU mitbringen und ihren geschützten Inhalt nur mit Autorisation und verschlüsselt nach außen weitergeben.

Funkkopplung

Das erste Problem, das sich bei Verwendung von lediglich funkgekoppelten Einheiten ohne eigene Stromversorgung ergibt, ist die Energieübertragung von der Datensenke zur batterielosen Datenquelle. Bei RFID nimmt die Datenquelle, der Transponder, Energie aus dem ständigen Radiowellenfeld des Lesegeräts auf, reflektiert sie sozusagen zurück. Dabei unterscheidet man mehrere Verfahren zur Datenübertragung via ’Reflexion’:

Daten werden übertragen durch Lastmodulation, d.h. durch modulierte Belastung des Senderfeldes kann der Transponder Energie abziehen, deren Entnahme vom Lesegerät ausgewertet werden kann.

Die Rückübertragung findet auf einem Hilfsträger, einer so genannten Anharmonischen, d.h. unabhängigen zweiten Frequenz, statt.

Oder die Rückübertragung wird auf einer Harmonischen (ein n-faches der Frequenz des Senders) oder auf einer Subharmonischen (ein 1/n-faches der ursprünglichen Sendefrequenz) ausgeführt.

Durch den Einsatz aktiver Transponder, die über eine (Stütz-)Batterie oder einen Kondensator zur (kurzzeitigen) Energiespeicherung verfügen, lässt sich das Problem auch lösen. Die Datenübertragung findet dann sequenziell statt: Hierbei wird periodisch das Sendeenergiefeld angestellt, während der aktive Transponder lauscht und seine Energie auffüllt, und abgestellt, so dass der Transponder auf der gleichen Frequenz antworten kann, während das Lesegerät empfängt.

Der Begriff Betriebsfrequenz wird im Folgenden als Synonym für die Sendefrequenz des Lesegeräts verwendet. Wird Lastmodulation bzw. Backscatter verwendet, ist die Betriebsfrequenz gleich der Sendefrequenz des Transponders. Üblicherweise liegt die Sendeleistung des Transponders allerdings einige Zehnerpotenzen unter der des Lesegeräts.

Erste Grundlage bei der Nutzung unterschiedlicher Frequenzen und Frequenzbereiche ist, dass die Reichweite eines Funksystems von der verwendeten Frequenz abhängt:

Je langwelliger die Schwingung, d.h. je niedriger die Frequenz, desto höher die Reichweite. Außerdem verhalten sich die elektromagnetischen Wellen mit steigender Frequenz immer geradliniger; bereits im uns interessierenden Radio- und Fernsehwellenbereich findet ihre Ausbreitung quasi-optisch statt.

Man unterteilt außerdem die Distanzen in folgende Klassen:

Close-Coupling:                     0 … 1 cm

Remote-Coupling:                  0 … 1 m

Longe-Range Systeme:          > 1 m

1-Bit-Transponder ohne Chip

1-Bit Transponder (ohne Chip) arbeiten meist auf Radiofrequenzen. Die bekannteste Verbreitung finden sie in EAS-Systemen (Electronic Article Surveillance) zur Diebstahlsicherung von Waren. 1 Bit reicht dabei gerade für die Information „Transponder nicht im Feld des Lesegerätes“ oder eben „Transponder im Feld des Lesegerätes“, woraufhin ein Alarm als Reaktion erfolgt. Damit man ungehindert den Laden verlassen kann, erfolgt die Deaktivierung an der Kasse durch ein sehr starkes Energiefeld, so dass der passive Schaltkreis zerstört wird.

1-Bit-Transponder (Hartetiketten)

Im Unterschied zum eben vorgestellten 1-Bit-Transponder haben die Hartetiketten eine feste Verschaltung und im Fußpunkt eine Kapazitätsdiode. Man findet diese häufig an Jeans in Ladengeschäften. Die Kapazitätsdiode im Dipol erzeugt in der Strahlungskeule des Senders eine Harmonische der Grundwelle (2-3 fQ), auf welche das Lesegerät anspringt. Eine Harmonische ist ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz. Die Unterscheidung von Stör- und Nutzsignalen erfolgt durch ASK/FSK. ASK steht dabei für Amplitude Shift Keying (Amplitudenumtastung) und FSK für Frequency Shift Keying (Frequenzumtastung).

1-Bit-Transponder mit Chip

1-Bit Transponder (mit Chip) sind dann der nächste Schritt. Ihre Arbeitsfrequenz liegt im Langwellenbereich (100kHz – 135,5kHz). Derartige Sicherungsetiketten enthalten eine Schwingkreisspule aus gewickeltem Kupferlack und eine Halbleiterschaltung, mit welcher unter anderem die (Sub-)Harmonische festgelegt werden kann.

Diese Art von Transponder kommt häufig in Form von Haftetiketten vor, die beim Zahlen entfernt werden.

Elektronische Datenträger

Die elektronischen Datenträger bilden im Unterschied zu den bisher dargestellten Anwendungen eine Gruppe von Transpondern mit integriertem Mikrochip als Datenträger. Die Datenmenge liegt bei bis zu einigen kByte. Zum Auslesen und Schreiben kommen zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: Duplexverfahren im Halb- oder Vollduplexmodus und sequenzielle Übertragung. Für die Duplexverfahren greift man auf induktive Kopplung, Mikrowellen oder Close-Coupling zurück. Sequenzielle Verfahren setzen entweder auf die induktive Kopplung oder auf Oberflächenwellentransponder.

Im Halbduplexverfahren (HDX) wird zeitlich versetzt zur Abstrahlung des Senders reagiert. Das Übertragungsverfahren arbeitet bei unter 30 MHz oder über 100 MHz. Bei <30 MHz wird Lastmodulation verwendet, bei >100 MHz der Rückstrahlquerschnitt (Radar).

Die Verfahren beeinflussen unmittelbar das Abstrahlfeld des Lesegeräts. Daher fallen sie in die „harmonischen“ Verfahren.

Das Vollduplexverfahren (FDX) reagiert zeitgleich zur Abstrahlung des Senders. Die Daten des Transponders werden auf Teilfrequenzen (Subharmonische) oder auf völlig unabhängigen Frequenzen (Anharmonische) des Lesegeräts übermittelt.

Sowohl bei HDX als auch bei FDX ist die Energieübertragung vom Lesegerät zum Transponder kontinuierlich.

Die Übertragung bei sequentiellen Verfahren erfolgt in den Pausen zwischen der Energieversorgung des Transponders durch den Sender. Das Senden des Transponders findet immer nur für eine begrenzte Zeitspanne (Pulsbetrieb) in den Pausen der Energieversorgung durch das Lesegerät statt.

Antennen

Die Art und Bauform – also die Beschaffenheit der Antenne – beeinflusst entscheidend die überbrückbare Entfernung zwischen Lesegerät und Transponder. Hinzu kommt zwischen Lesegerät und Transponder die Feldstärke, welche die Qualität des Signals bestimmt.

Als Daumenregel kann man annehmen: Die beste Lesereichweite vom Lesegerät liegt in etwa im Radius der Sendeantenne.

Um einen passiven Transponder ohne eine eigene Stromversorgung mit der zum Betrieb notwendigen Spannung zu versorgen, muss er durch ein ausreichend starkes magnetisches Feld (Hmin) angeregt werden. Diese Feldstärke wird auch als Ansprechfeldstärke bezeichnet.

Diese minimale Feldstärke, auch Ansprechfeldstärke, lässt sich auf relativ einfache Art berechnen. Dafür muss man einige Faktoren beachten: So hat man nach dem Energieerhaltungssatz (in der Ausprägung des Lenzschen Gesetzes) zum ersten mit der Induktivität L der Spulen L1 und L2 von Sender und Transponder zu rechnen. Zwischen diesen beiden Spulen ergibt sich im Nahfeld dann auch noch die Gegeninduktivität M – auch wieder bedingt durch den Energieerhaltungssatz.

Während die Gegeninduktivität M zwischen den Spulen eine quantitative Beschreibung der Flusskopplung zweier Leiterschleifen ist, ist der Kopplungsfaktor k unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Leiterschleifen eine qualitative Aussage über die Verkopplung. Weitere Faktoren sind der Eigenwiderstand der Leiterbahnen des Transponders und die notwendige Spannung für den Betrieb des Transponders.  Zusammenfassend: Unter der Ansprechfeldstärke (Hmin) versteht man die minimale Feldstärke (bei maximaler Entfernung x zwischen Transponder und Lesegerät), bei der eine zum Betrieb des Datenträgers gerade noch ausreichende Versorgungsspannung zur Verfügung steht.

Die von den Antennen ausgestrahlten Wellen werden in den Nahfeldbereich und den Fernfeldbereich geteilt.

Das Nahfeld besteht aus dem Magnetfeld der Antenne – vorausgesetzt es handelt sich um eine magnetische Antenne. Dies bedeutet, dass man sich noch in dem Bereich befindet, in dem sich die magnetischen Wellen um den Leiter schwingen und sich nicht abgehend getrennt haben. In der Verbildlichung sind dies die so genannten induzierten elektrischen Feldlinien. Erst in einer Entfernung von λ/2π (mit λ = c/f) lösen sich die elektrischen Feldlinien von der Antenne ab und wandern als elektromagnetische Welle durch den Raum. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt die Ausbreitung quasi-optisch, da der induktive Widerstand der Antenne überwunden ist und die Welle nur noch der Freiraumausbreitungsdämpfung unterliegt.

Anwendungen

Hauptanwendung für RFID ist Auto-ID, d.h. Kennzeichnung zur Verfolgung von Waren, Personen, Tieren und Autos. Speziell bei Waren kommt der neue EPC zum Einsatz, um jede hergestellte Ware weltweit eindeutig verfolgen zu können.

Eine Erweiterung der Auto-ID-Funktion ist die Verwendung als Reise- oder Universalpass. In letzter Zeit sind Verhandlungen zwischen Regierungen geführt worden, welche und wie viele biometrischen Merkmale in Zukunft in welcher Form (verschlüsselt oder unverschlüsselt) auf einem elektronischen Pass (wahrscheinlich mit RFID-Technologie) gespeichert werden sollen bzw. dürfen.

An „intelligenter Kleidung“ wird bereits viel geforscht: So soll es Kleidungsstücke geben, die per Funk auslesbar sind und so der Waschmaschine mitteilen: „Ich darf nur bis 40° Celsius im Schonwaschgang gewaschen werden und meine Farbe ist blau.“ Woraufhin die Waschmaschine dem Nutzer auf dem Display oder per Sprachausgabe erklärt: „Entfernen sie bitte dieses Kleidungsstück aus der Trommel! Wenn Sie die eingefüllte Wäsche zusammen waschen, werden Sie sonst viele hellblaue, statt weiße T-Shirts haben.“ Ein Traum! Fragt sich nur für wen und welcher Art Traum das ist.

Aber intelligente Kleidung kann sich vielleicht auch gegenseitig verständigen, womit wichtige Lebensfunktionen des Trägers überprüft werden und an den eingebauten ’wearable Computer’ weitergeleitet werden können. Träger-Identifikation für Bankautomaten wäre eine weitere Nutzungsmöglichkeit intelligenter Kleidung. Nie wieder vor dem Automaten stehen und kein Geld bekommen, weil man schon wieder die PIN vergessen hat.

RFID und NFC können in Zukunft interessant für den Datenaustausch  zwischen Fahrzeugen und Fahrzeugen oder zwischen Fahrzeugen und festen Mautstellen sein. Für die Maut-Abrechnung wird bereits seit einigen Jahren in den USA ein funkgestütztes Identifikationssystem eingesetzt – allerdings sind die Transponder und deren Anbringung noch recht teuer. Der ehemalige Aprilscherz der deutschen Computerzeitschrift c’t wurde bereits kurze Zeit später von deutschen Behörden aufgegriffen und ernsthaft diskutiert: Ein Überwachungssystem für PKWs durch Nutzung versteckter RFID-Etiketten. Möglich ist auch die gegenseitige Überwachung von Fahrzeugen durch Überprüfung einer eingebauten RFID-Kennung der Autos während der Fahrt oder auf dem Parkplatz.

Unter Umständen wird auch die Sensornetzwerk-Technologie von der RFID-Technologie profitieren und bald sinnvolle Anwendungen für die Nutzung von Funknetzwerken zwischen PKWs ermöglichen.

Sensornetzwerke könnten auch teilweise per RFID-Technologie realisiert werden: Nicht jeder Sensorknoten hat eine eigene Energieversorgung; man unterscheidet z.B. Energieverteiler-Master- und Slave-Knoten. So könnte ein Energieverteiler-Master-Knoten mit einem großen Solarzellenfeld die benötigte Energie zentral sammeln und per Radiowellen an die verstreut herum liegenden Slave-Knoten verteilen. Diese nehmen die Energie für ihre Datenaufnahmetätigkeit auf und übertragen ihre Informationen per Lastmodulation an den Master, der auch als Router fungiert.

Zurzeit wird geforscht, ob sich NFC zur Kopplung von Handys in der Praxis eignet. Ein Datenaustausch per Bluetooth ist bisher ohne große Probleme möglich – nur bis man zum eigentlichen Austausch kommt, muss man einen mühsamen Einstellungsprozess durchgehen. Mit NFC sollen die Handys zukünftig nur noch direkt nebeneinander gehalten werden und handeln automatisch die passenden Bluetooth-Parameter miteinander aus, um anschließend ein Pico-Netzwerk für Datenaustausch auch über mehrere Meter Distanz aufzubauen.

Weiterhin lässt sich die Funkvernetzung zwischen Haushaltsgeräten via RFID und/oder NFC sicher auch sinnvoll einsetzen: Der Kühlschrank erkennt die (nicht an der Kasse zerstörten) RFID-Tags der Nahrungsmittel und führt somit Buch über die Haltbarkeitsdaten und der eventuell nötigen Nachbestellung von Waren. Der Staubsauger teilt dem Kühlschrank ebenfalls mit: „Mein Beutel ist zu 85 % voll!“, woraufhin der Kühlschrank an den Haushaltsschrank mangels Zuständigkeit übergibt und dieser schaut, ob noch passende leere Staubsaugerbeutel im Schrank sind.

Anwendung – Verkehrsüberwachung und -beeinflussung auf US-Highways

Die Federal Highway Administration hat die Firmen Mark IV Industries, Raytheon, SIRIT und TransCore beauftragt, ein Dedicated Short Range Communications System (DSRC) zu entwickeln. Hierbei handelt es sich um die Überwachung von Verkehrsströmen durch an den Fahrzeugen angebrachte RFID-Tags, die im Frequenzband um 5,9 GHz senden und bis zu 25 MBit/s über eine Distanz von bis zu einem Kilometer übertragen sollen. Das Ziel soll ein Peer-to-Peer-Netzwerk zwischen Fahrzeugen und stationären Sendern sein, um eine noch nie da gewesene Unfallprävention zu ermöglichen.

Anwendung – Maschinenlesbare Ausweisdokumente mit biometrischen Merkmalen

Die Kommission für Technikfolgenabschätzung (TAB) beim Deutschen Bundestag hat bereits den zweiten Sachstandsbericht zum Thema „Biometrie und Ausweisdokumente“ vorgelegt. Sollte es zur Einführung kommen, so wäre dies ein erster „gigantischer Labortest“ – man kenne die Folgen noch gar nicht, so die Kommission.

Maschinenlesbare Ausweisdokumente dürfen nach Ansicht von Datenschützern nur verschlüsselte Daten enthalten, die von autorisierter Seite entschlüsselt werden können. Für die Speicherung und Übertragung der Daten kommt u. a. RFID in Frage. Die Internationale Organisation für Zivilen Luftverkehr (ICAO) schlägt für diese Pässe einen Ausleseradius von 10 cm vor, was exakt der NFC-Technik entspräche.

Dabei entstehende Probleme wie Nutzungs-Legitimierung, Erfassung der biometrischen Merkmale, verschlüsselte Zugriffsverfahren, Sicherheit des gesamten Verfahrens und die bisher unbekannten Kosten können noch nicht überblickt werden; es fehlt die nötige Diskussion und Akzeptanz in der Bevölkerung.  So sagt Thomas Petermann (TAB): „Das Spannungsfeld zwischen dem Ziel Sicherheit sowie den Zielen Schutz der Privatsphäre und Begrenzung des Missbrauchspotenzials solle offen diskutiert und durch technische und rechtliche Maßnahmen reduziert werden. Angesichts der internationalen Standardisierung gebe es aber kaum noch Wahlmöglichkeiten. Entschieden werde in Technical Advisory Committees der ICAO“.

 

Mehr zum Thema:

Heise-News zu NFC

Heise-News zu RFID

Basierend auf der Ausarbeitung zum Vortrag RFID und NFC im Seminar ’Cross Media’ von Ritter und Herms 2004.

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