RFID - Die technischen Grundlagen

Die automatisierte Identifikation (Auto-ID) hat in den vergangenen Jahrzehnten einen enormen Aufschwung erlebt. Mit ihrer Hilfe lassen sich Informationen zu Tieren, Personen und Gütern mit entsprechender Hardware automatisch bereitstellen. Auf diese Weise erfüllt die Auto-ID die vielen Anforderungen nach schneller, kostengünstiger und vor allem integrierter Datenerfassung für Verwaltung, Logistik und Handel im Sinne eines Supply-Chain-Managements (SCM). Die Anwendungsbereiche von Identifikationstechnologien reichen von der Erfassung von Warenströmen über die Zugangskontrolle bis hin zu Abrechnungssystemen.

Auf Grund dieser vielfältigen Anwendungsgebiete sind Auto-ID-Technologien seit Jahren etabliert. Hervorzuheben ist der Einsatz von

Barcode-Systemen: Insbesondere im Einzelhandel hat sich die vor 30 Jahren eingeführte Europäische Artikelnummerierung (EAN) mittels Strichcode durchgesetzt.

Klarschriftleser: Diese können mit Hilfe der Optical-Character-Recognition-Technologie (OCR) spezielle und zunehmend auch allgemeine Schriften auswerten und nahezu fehlerfrei in ein EDV-System übertragen.

biometrischen Systemen: Diese Technologie wird explizit nur im Zusammenhang mit Lebewesen eingesetzt. Dabei werden spezifische und einzigartige Merkmale wie Fingerabdruck, Augeniris oder Gesichtszüge mittels entsprechender Sensoren elektronisch erfasst, analysiert und ausgewertet.

Chipkarten: Bei dieser Anwendung dienen ein in eine Plastikkarte – meist im Kreditkartenformat – eingebauter Datenspeicher und ein kleiner Mikrocontroller als zentrale Elemente. Zum Betrieb werden Chipkarten in ein Lese-/Schreibgerät eingesteckt, das mit Kontaktfedern eine elektrische Verbindung zu den Kontaktflächen der Chipkarte herstellt und Daten austauscht.

Radio Frequency Identification (RFID): Diese Technologie ist bereits seit Jahren erfolgreich im Einsatz. Beispiele hierfür sind Ticketing (Skipässe), Tieridentifikation, Industrieautomation und Logistik sowie Zutrittskontrolle. Dennoch steht laut den IT-Experten der große Durchbruch immer noch bevor. Dieser wird – wenn er stattfindet – die Geschäftsprozesse und die private Umwelt maßgeblich beeinflussen und verändern. In diesem Beitrag stellen wir die technischen Grundlagen detailliert vor.

Was ist RFID?

Der Begriff Radio Frequency Identification (RFID) ist zunächst generisch und beschreibt allgemein die Identifikation von Objekten oder Lebewesen unter Nutzung hochfrequenter Funkwellen. Somit kann jedes funkbasierte System, das zur Identifikation eingesetzt wird, als RFID bezeichnet werden. Im strengeren Sinne werden aber vor allem Transponder-basierte Systeme als RFID verstanden. Aber auch für Transponder stehen zahlreiche und verschiedene Technologien zur Verfügung, so dass es nicht “die“ RFID-Technologie gibt.

Ein RFID-System besteht in der Regel aus einem Erfassungs- oder Lesegerät und einem Transponder, der als Tag (Etikett) an dem zu identifizierenden Objekt angebracht wird. Die Kommunikation zwischen beiden Komponenten findet mit Hilfe von elektrischen Feldern statt. Bei passiven Systemen wird die Energie für den Betrieb der Transponder ebenfalls durch das Feld übertragen. Gezeigt ist der Aufbau für einen Nur-Lese-Transponder.

Varianten von RFID-Technologien

Um bei den unzähligen Varianten von RFID-Technologien den Überblick zu behalten, sind die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale nachfolgend zusammengefasst und detailliert erläutert:

RFID-Technologien im Vergleich

Betriebsart:	FDX	HDX	SEQ
Datenmenge:	1 Bit (EAS)	> 1 Bit	> 1 Bit
Programmierbarkeit:	ja	nein, (ja)	nein, (ja)
Energieversorgung:	aktiv	passiv	passiv
Frequenzbereich (typisch):	< 30 MHz	< 135 KHz, 13,56 MHz	868 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz
Reichweite:	Close Coupling (0 bis 1 cm)	Remote Coupling (bis 1 m)	Long Range (1 bis 10 m)
Datenübertragung:	Backscatter	Lastmodulation	Puls-Verfahren
Kopplung:	magnetisch/induktiv	elektromagnetisch	elektrisch/kapazitiv

Betriebsart: Bei der Betriebsart sind zwei grundsätzliche Verfahren zu unterscheiden: Bei dem Voll- und dem Halbduplexverfahren (FDX beziehungsweise HDX) wird die Antwort des Transponders bei eingeschaltetem HF-Feld des Lesegeräts übertragen, während bei dem sequenziellen Verfahren (SEQ) das Feld vom Lesegerät während der Antwort vom Transponder abgeschaltet wird.

Datenmenge: Die Datenmenge kann von einem Bit bis zu mehreren KBytes reichen. Ein-Bit-Transponder werden im Einzelhandel schon seit Jahren zur elektronischen Artikelüberwachung (Electronic Article Surveillance, EAS) eingesetzt. Hierzu wird beim Verlassen des Kaufhauses lediglich das Vorhandensein eines Transponders überprüft, um nicht bezahlte Waren zu identifizieren.

Beschreibbarkeit: Bei sehr einfachen Systemen wird der Datensatz des Transponders schon während der Chipherstellung integriert. Dagegen werden die spezifischen Informationen programmierbarer Transponder zu einem späteren Zeitpunkt in den Speicher des „Tags“ mit einem entsprechenden Gerät geschrieben. Diese größere Flexibilität des Verfahrens geht aber meist einher mit höheren Kosten und höherem Energiebedarf. Als Speicher in RFID-Tags kommen meist EEPROM-Speicher zum Einsatz. Dieser nicht flüchtige Speicher lässt sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung mehrmals löschen und programmieren. Mehr technische Vorteile gegenüber EEPROMs bieten FRAM-basierte Systeme. Dieser ferroelektrische Speicher kommt mit geringerem Stromverbrauch aus und kann Daten schneller speichern und lesen. Allerdings konnte sich die FRAM-Technologie bedingt durch hohe Kosten bislang nicht durchsetzen.

Details zu RFID-Technologien

Energieversorgung: Passive Transponder besitzen keine eigene Energieversorgung. Ihr gesamter Energiebedarf muss deshalb aus dem elektrischen Feld des Lesegeräts übernommen werden. Im Gegensatz dazu enthalten aktive Transponder eine eigene Energiequelle. Hierbei handelt es sich meist um eine im Tag integrierte Mini-Trockenbatterie. Zunehmend kommen aber auch Energiewandler wie zum Beispiel Solarzellen oder Bewegungsgeneratoren zum Einsatz.

Frequenzbereich: Je nach Anwendung können RFID-Systeme in verschiedenen festgelegten Frequenzbereichen arbeiten. Zusammen mit den damit verbundenen physikalischen und elektrischen Restriktionen wie Größe des Transponders oder Sendereichweite haben diese RFID-Systeme unterschiedliche Eigenschaften und werden deshalb entsprechend eingesetzt.

Es stehen verschiedene Frequenzen zur Nutzung von RFID-Systemen zur Verfügung. Im Frequenzbereich über 135 KHz werden bevorzugt die lizenzfreien, so genannten Industrial-Scientific-Medical (ISM)-Bänder verwendet, die auch für andere Anwendungen zum Einsatz kommen. Insbesondere das 2,4-GHz-Band wird auch von anderen Technologien wie Bluetooth oder WLAN eingesetzt.

RFID-Frequenzbereiche

RFID-Frequenz	Erläuterung	Übertragungsart
< 135 KHz	Weltweit verfügbar; wird vor allem in kostengünstigen passiven Transpondern zur Identifikation von Tieren eingesetzt.	induktive Kopplung
6,78 MHz	Weltweite ISM-Frequenz laut ITU-Frequenzplan, die Zulassung darf nicht weltweit genutzt werden.	induktive Kopplung
13,56 MHz	Weltweit verfügbar; wird vor allem in kostengünstigen passiven Transpondern zur Identifikation von einzelnen Objekten und Artikeln eingesetzt.	induktive Kopplung
27,125 MHz	Nur für Sonderanwendungen	induktive Kopplung
400 MHz	Einsatz zum Beispiel bei den Zentralverriegelungssystemen im Auto	elektromagnetische Wellen
868 MHz	Europäisches Frequenzband, das für aktive und passive Transponder in der Logistik Einsatz findet.	elektromagnetische Wellen
915 MHz	US-amerikanisches Frequenzband, das für aktive und passive Transponder in der Logistik Einsatz findet.	elektromagnetische Wellen
2,45 GHz	Weltweit verfügbar; wird für die verschiedenartigsten RFID-Systeme mit aktiven Transpondern eingesetzt.	elektromagnetische Wellen

Reichweite: Hier unterscheidet man zwischen Close Coupling für Abstände zwischen 0 und 1 cm, Remote Coupling für Distanzen bis zu einem Meter und Long-Range-Systeme für größere Entfernungen von ein bis zehn Metern.

Datenübertragung: Die Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät kann durch Reflexion (Backscatter) oder durch Lastmodulation erfolgen. Bei der Reflexion kann das Verhältnis der Frequenz der reflektierten Welle zur Frequenz der gesendeten Welle 1:1, 1:n (Subharmonische) oder n:1 (Oberwelle) betragen. Es stehen aber noch weitere Verfahren zur Verfügung.

Kopplung: Der weitaus größte Teil heute verkaufter RFID-Systeme arbeitet nach dem Prinzip der induktiven Kopplung. Elektromagnetische Wellen werden bei RFID-Systemen bei Frequenzen von über 30 MHz eingesetzt. Eine kapazitive Kopplung über elektrische Felder wird nur in Close-Coupling-Systemen eingesetzt und spielt eine untergeordnete Rolle.

Normen und Gremien

Für RFID-Systeme sind weltweit zahlreiche Aktivitäten im Gange, die fast so vielfältig sind wie die technischen Varianten. So beschreibt eine Vielzahl von Normen (siehe nachfolgende Tabelle) die Rahmenbedingungen bei der Nutzung von RFID. Diese sind von den weltweiten Gremien der International Organization for Standardization (ISO) ausgearbeitet worden. Darüber hinaus muss man im Zusammenhang mit RFID auch das “Netzwerk“ der EPCglobal Inc. nennen.

ISO- und EPCglobal-Standards (Quelle: Bitkom)

Standard	Gegenstand des Standards	Frequenzen
Auto-ID Class 0	Parameter für die Air Interface Communication	860 – 930 MHz
Auto-ID Class 1	Parameter für die Air Interface Communication	860 – 930 MHz
EPCglobal Gen 2	Parameter für die Air Interface Communication, Ablösung für Class 0 und 1 vorgesehen, wurde Anfang 2005 bei ISO eingereicht.	860 – 930 MHz
ISO 14443	Air Interface und Initialisierung für Identifikationskarten, Kundenkarten	13,56 MHz
ISO 15693	Regelung für eindeutige Ident-Nummern („Unique Identifier“) für Transponder beziehungsweise Tags	13,56 MHz
ISO 18000	RFID Air Interface Standard
ISO 18000-1	Allgemeine, global geltende Parameter für Air Interfaces	alle
ISO 18000-2	Allgemeine Parameter für Air Interfaces	125; <134 KHz
ISO 18000-3	Allgemeine, global geltende Parameter für Air Interfaces, Reichweite maximal 5 m, Nachfolger der ISO 15693	13,56 MHz
ISO 18000-4	Allgemeine, global geltende Parameter für Air Interfaces	2,45 GHz
ISO 18000-5	Annulliert	5,8 GHz
ISO 18000-6	EPCglobal Generation 2 Tags (in der Entwicklung)	860 – 930 MHz

EPCglobal ist aus dem Zusammenschluss der EAN International (European Article Numbering Association) und des Universal Code Council (UCC) entstanden. Die technischen Grundlagen haben sich aus dem Auto-ID Center des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston entwickelt, das zu Gunsten von EPCglobal im Jahr 2003 aufgelöst wurde. Dieses hat ein Netzwerk und eine Infrastruktur definiert und aufgebaut, die in weiten Teilen den Strukturen des Internets entsprechen, wie die folgende Tabelle zeigt:

Struktur des EPCglobal-Netzwerks im Vergleich zum Web (Quelle: Bitkom)

World Wide Web	EPCglobal-Netzwerk
DNS Zentrales System, das die Abfrage von Webseiten und E-Mails steuert.	ONS Zentrales Verzeichnis der bei EPC registrierten Hersteller, das Anfragen nach Produktinformationen steuert.
Websites Ort (Ressource), an dem sich Informationen zu einem bestimmten Thema befinden.	EPC Information Services Ort (Ressource), an dem sich Informationen über ein Produkt befinden.
Search Engines Instrument für das Auffinden von Webseiten	EPC Discovery Services Instrument für das Auffinden von EPC-Informationen
SSL Sicherheitsstandard für Webseiten	EPC Security Services Instrument für den sicheren Zugang in Anhängigkeit von Rechten.

Das EPC wird in Deutschland durch die Kölner GS1 Germany GmbH vertreten. EPC steht hierbei für Electronic Product Code, dessen Datenstruktur beispielhaft wie folgt aufgebaut ist:

Beispiel und Struktur einer EPC-Nummer (Quelle: Bitkom)

Feldname	Länge (Bytes)	Kommentar
Datenkopf	2	Für interne Steuerungszwecke des Netzwerks, Versionsbezeichnungen, Formatangaben
Hersteller (EPC Manager)	7 - 9	Nummer wird in Deutschland von GS1 vergeben.
Teilenummer (Objektklasse)	6	Produzent- und Teilenummer entsprechen der EAN aus dem EAN.UCC-System; pro EPC besteht eine Kapazität für 1 Million Artikel.
Seriennummer	9	Diese Nummer dient der ein-eindeutigen Bezeichnung individueller Teile; Kapazität pro Hersteller: 100 Milliarden Artikel

Funktionsweise der induktiven Kopplung

Im Folgenden wird die Funktionsweise der induktiven Kopplung der RFID-Technologie erläutert. Erstens finden Systeme auf der Grundlage der induktiven Kopplung die größte Verbreitung. Zweitens unterscheiden sich Systeme unter Nutzung elektromagnetischer Wellen praktisch nicht von anderen Funksystemen wie Bluetooth, WLAN oder ZigBee. Und drittens erschließt sich die Funktionsweise der induktiven Kopplung nicht sofort, sondern setzt ein wenig physikalisches Verständnis voraus.

Grundlegend für die induktive Kopplung ist die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einer im Magnetfeld befindlichen Spule. Diese lässt sich durch die beiden Maxwell’schen Gesetze beschreiben.

Das erste Gesetz, das auch als Durchflutungsgesetz bezeichnet wird, besagt, dass jedes sich zeitlich ändernde elektrische Feld ein magnetisches Wirbelfeld erzeugt.

Das zweite Gesetz (Induktionsgesetz) besagt, dass jedes sich zeitlich ändernde Magnetfeld ein elektrisches Wirbelfeld erzeugt.

Auf diesen beiden physikalischen Gesetzen beruht die RFID-Technologie, die die induktive Kopplung als Basis benutzt.

RFID im Detail

Die Wechselwirkung von Magnetfeld und Spule durch die Maxwell’schen Gesetze kann bei RFID-Systemen in Bezug auf folgende Sachverhalte ausgenutzt werden.

Erstens kann ein zeitlich veränderliches Magnetfeld eine Spannung in einer Spule induzieren. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise einen Transponder durch das von einem Lesegerät erzeugte Magnetfeld zu aktivieren oder diesen mit Energie zu versorgen.

Zweitens ist der Einfluss des Transponders auf das erzeugte Magnetfeld auswertbar. Dies geschieht durch die so genannte Gegeninduktivität. Diese erreicht ein Maximum, wenn die Frequenz des Magnetfelds gleich der Resonanzfrequenz des Schwingkreises im Transponder ist.

Auf diese Weise kann ein entsprechendes Gerät recht einfach die Anwesenheit eines Transponders im Feld detektieren. Um auch möglichst einfache und kostengünstige Transponder-Schwingkreise mit recht geringer Güte einsetzen zu können, wird bei solchen Systemen ein größerer Frequenzbereich durchlaufen („durchgewobbelt“). Falls sich dann bei einer Frequenz eine signifikante Veränderung des Felds ergibt, ist dies als Indiz für das Vorhandensein eines Transponders im System zu werten. Im Falle eines elektronischen Artikelsicherungssystems (EAS) würde ein Alarm das Verkaufspersonal über diese Tatsache informieren.

Es besteht auch die Möglichkeit, Daten vom Transponder auf das Lesegerät zu übertragen. Hierzu schaltet die integrierte Elektronik die Eigenschaften des Transponder-Schwingkreises so um, dass sich der Betrag und die Phase der transformierten Transponder-Impedanz verändern. Diese Änderungen werten geeignete Schaltungen im Lesegerät aus. Bei der normalen Lastmodulation schaltet die Geräteelektronik im Lesetakt einen Widerstand zu, bei der kapazitiven Lastmodulation wird ein Kondensator verwendet.

Kriterien für die Integration der RFID-Technologie

Die in diesem Beitrag beschriebenen RFID-Technologien können die Hersteller in einer extrem großen Anzahl unterschiedlicher Anwendungen einsetzen. Trotz der vielfältigen Vorteile von RFID gegenüber anderen Auto-ID-Systemen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein, um einen technisch erfolgreichen Einsatz zu gewährleisten:

• Es muss eine asymmetrische Konstellation von wenigen kosten- und energieintensiven Lesegeräten und vielen kostengünstigen Transpondern möglich sein.

• Die Produkte oder die Wertschöpfungskette der Produkte müssen so wertvoll sein, dass sich der Einsatz von RFID-Transpondern lohnt.

• Alternativ werden die Tags im Laufe ihres Lebens so oft ausgelesen, dass ein wesentlicher Prozessvorteil entsteht. Für eine einmalige Auslesung ist der Effizienzvorteil meist zu gering.

• Es muss sinnvoll möglich sein, die Objekte in recht langsamer Geschwindigkeit und in ausreichender Nähe von den Lesegeräten vorbeizuführen, um einen zuverlässigen und kollisionsfreien Lesevorgang zu ermöglichen.

RFID-Anwendungsbeispiele

Das Beispiel, das im vergangenen Jahr wahrscheinlich am meisten für Aufmerksamkeit gesorgt hat, war die probeweise Ausstattung aller Produkte in Metro- beziehungsweise WalMart-Warenhäusern mit RFID-Tags. In einem so technisch ausgestatteten Kaufhaus ist es ausreichend, den gefüllten Einkaufswagen an einer entsprechenden RFID-Kassenstation vorbeizuführen. Diese erfasst alle “markierten“ Waren im Einkaufswagen und erstellt automatisch die Rechnung.

Ein umständliches und arbeitsintensives Erfassen der Produkte über Transportband und optischen Scanner entfällt. Die Zielrichtung ist hier die kosteneffektive Abrechnung (Accounting). Diese Anwendung macht aber auch die enormen Investitionen deutlich, die vor allem bei den Zulieferern notwendig würden. Im Fall der 100 größten Lieferanten von WalMart schätzt man sie auf zirka zwei Milliarden US-Dollar.

Auch im Bereich von Leihbibliotheken finden RFID-Systeme zur Verbuchung der Ausleihen und zur zügigen und fehlerfreien Bestandskontrolle Anwendung.

Ein ebenfalls sehr bekanntes Beispiel für den Einsatz von RFID-Transpondern ist das Ticketing an Skiliften, das unbequemes Abstempeln oder Einschieben von Barcode-Karten langsam ablöst.

RFID-Transponder im Bereich des öffentlichen Nahverkehrs haben sich bislang noch nicht so stark durchgesetzt, weil die Anzahl der Einzelfahrkarten immer noch zu groß ist.

Weitere RFID-Anwendungsbeispiele

Ebenfalls seit langer Zeit bekannt ist die Zugangskontrolle in Bürogebäuden. Hierfür dienen unterschiedliche Transponder-Typen, die zum Beispiel in Schlüsselanhängern oder Chipkarten integriert sind. Sie enthalten die Daten für die Zugangsberechtigung des Mitarbeiters zu den verschiedenen sicherheitsrelevanten Abteilungen des Unternehmens.

Seit Anfang der neunziger Jahre werden RFID-Systeme auch im Automotiv-Bereich eingesetzt. Hier integrieren die Autobauer die Technologie als Wegfahrsperre in Autoschlüsseln.

Der neue biometrische Reisepass in Deutschland speichert auf einem RFID-Chip das Gesichtsbild des Passinhabers. Wahrscheinlich ab 2007 wird der Reisepass auch Fingerabdrücke der beiden Zeigefinger und einen Scan der Iris erhalten.

Aber nicht nur Menschen werden mit RFID identifiziert. Auch Tiere können mit angehängten oder implantierten Transpondern sehr viel effizienter “verwaltet“ werden. Speziell für diese Tieridentifikation wurden Glastransponder entwickelt, die direkt unter die Haut des Tieres injiziert werden. Der Transponder besteht aus einem bis zu 32 Millimeter langen Röhrchen, das eine Platine enthält, auf der ein Mikrochip, ein Chipkondensator und eine Spule inklusive Ferritkern ihre Arbeit verrichten.

Zukünftige Einsatzgebiete

Über den Einsatz der RFID-Technologie in der Gesundheitskarte ist bislang noch keine Entscheidung getroffen worden. Aber auch in diesem Bereich sind die Möglichkeiten für diese Technologie vielfältig. So können wichtige Gesundheitsdaten wie Allergien oder eine spezielle Medikation des Patienten abgespeichert werden und von jedem behandelnden Arzt als Hilfestellung ausgelesen werden.

Intelligente Kleider könnten nicht nur der Identifikation des Trägers, sondern auch der Kleidung selbst dienen. Auf diese Weise wäre es auch möglich, entsprechende Waschmaschinenprogramme automatisch zu konfigurieren. Diese „Smart Clothes“ stellen aber besondere Herausforderungen an die Einbaufähigkeit und Belastbarkeit der mikroelektronischen Systeme.

Allein diese zwei Beispiele zeigen aber auch, wie wichtig die Sicherheitsaspekte bei der Nutzung von RFID sind, da ein Auslesen der Transponder auch ohne mechanischen Zugang möglich ist. Diesen Sicherheitsaspekten wird sich ein gesonderter Artikel widmen.

Rückblick und Ausblick

Deutlich hervorzuheben ist, dass RFID keine neue Technologie darstellt. Sie hat mittlerweile in vielen Bereichen unseres Alltags Einzug gehalten. Allerdings zeigte sich bei der Einführung von RFID dreierlei:

Die Technologie wird erst dann eingesetzt, wenn sie den gesamten Prozess sinnvoll ergänzt. Dies setzt aber auch die Anpassung des gesamten Prozesses voraus, was die Einführung der Technologie nicht beschleunigt.

Die Einsatzgebiete von Technologien verbreitern sich mit der Kostenbasis. Je günstiger RFID-Transponder werden, umso wahrscheinlicher ist auch ein flächendeckender Einsatz - „bis hin zum Jogurtbecher“.

Die Verwendung prozessbezogener Technologien setzt den umfassenden Einsatz voraus. So kann das Warenwirtschaftssystem eines Distributors, eines Spediteurs oder eines Kaufhauses nur dann sinnvoll umgestellt werden, wenn alle Produkte über eine entsprechende Funktionalität verfügen. (hal)