RFID-Handbuch: Grundlagen und praktische Anwendungen induktiver Funkanlagen, Transponder und kontaktloser Chipkarten
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München [u.a.]
Hanser
2006
|
| Ausgabe: | 4., aktualisierte und erw. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Klappentext |
| Beschreibung: | Literaturverzeichnis Seite 460 - 470 |
| Beschreibung: | XXI, 490 S. zahlr. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3446403981 |
Internformat
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DAS STANDARDWERK ZU RFID //
■ Hier finden Sie alles, was Sie über die technischen und physikalischen
Grundlagen von RFID wissen müssen.
■ Erfahren Sie, welche Einsatzmöglichkeiten es für RFID gibt.
■ Verschaffen Sie sich einen Überblick über Zulassungsvorschriften und
den aktuellen Stand der Normung.
■ Im Internet: Das Layout der ISO 14443-Testkarte sowie eine Linkliste
und ständig aktualisierte Informationen rund um RFID
RFID-HANDBUCH // RFID (Radiofrequenz-Identifikation) ist auf dem Vormarsch.
Ob in der Logistik, als Zutrittsausweis zu Betrieben und Hotelzimmern, als kontakt¬
loses Ticket für den Nahverkehr, als elektronischer Diebstahlschutz oder im elek¬
tronischen Reisepass: Die Einsatzmöglichkeiten der batterielosen, elektronischen
Datenträger
(Transponder),
die kontaktlos ausgelesen werden können, scheint
nahezu grenzenlos. Dieses einzigartige Handbuch bietet einen praxisorientierten
und umfassenden Überblick über die Grundlagen und die Techniken von RFID-
Systemen.
In der vierten Auflage ist ein Kapitel über die Angriffsmöglichkeiten auf RFID-
Systeme neu hinzugekommen. Die Standards, Normen und Zulassungsvorschrif¬
ten wurden auf den aktuellen Stand gebracht.
Zahlreiche Abbildungen veranschaulichen die komplexen Inhalte. Die Anwen¬
dungsbeispiele zeigen Ihnen, welche Einsatzmöglichkeiten RFID in der Praxis
bietet. Wertvolle Informationen wie Kontaktadressen, einen Überblick über Normen
und Vorschriften, Literaturhinweise und Quellen im Internet finden Sie im Anhang.
Klaus FINKENZELLER ist Technologieverantwortlicher für RFID und kontaktlose
Chipkarten bei Giesecke & Devrient. Darüber hinaus arbeitet er seit 1994 in
DIN
und ISO an der Entwicklung von Normen für RFID-Systeme und kontaktlose Chip¬
karten mit. Rund um das Thema RFID hat er eine Reihe von Patenten angemeldet
und Fachpublikationen veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 4. Auflage .·.·.
XV
1 Einführung.1
1.1 Automatische Identifikationssysteme.2
1.1.1 Barcode-Systeme.2
1.1.2
Optical Character Recognition
.
З
1.1.3 Biometrische Verfahren .4
1.1.3.1
Sprachidentifîzierang
.4
1.1.3.2 Fingerabdruckverfahren (Daktyloskopie) .4
1.1.4 Chipkarten.4
1.1.4.1 Speicherkarten.5
1.1.4.2 Mikroprozessorkarten .6
1.1.5 RFID-Systeme.6
1.2 Vergleich verschiedener ID-Systeme.7
1.3 Bestandteile eines RFID-Systems.7
2 Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen.11
2.1 Grundsätzliche Unterscheidungsmerkmale.11
2.2 Bauformen von Transpondern .14
2.2.1
Disks
und Münzen.14
2.2.2 Glasgehäuse.14
2.2.3 Plastikgehäuse.15
2.2.4 Werkzeug- und Gasflaschenidentifikation.16
2.2.5 Schlüssel und Schlüsselanhänger.17
2.2.6 Uhren.18
2.2.7 Bauform ID-1, kontaktlose Chipkarten.18
2.2.8 Smart Label.20
2.2.9 Coil-on-Chip .21
2.2.10 Weitere Bauformen.22
2.3 Frequenz, Reichweite und Kopplung.22
2.4 Aktive und passive
Transponder
.23
2.5 Informationsverarbeitung im
Transponder
.25
2.6 Auswahlkriterien für RFID-Systeme .27
2.6.1 Arbeitsfrequenz.28
2.6.2 Reichweite.28
2.6.3 Sicherheitsanforderungen.29
2.6.4 Speicherkapazität .30
3 Grundlegende Funktionsweise_,.31
3.1 l-bit-Transponder.32
3.1.1 Radiofrequenz.32
3.1.2 Mikrowelle.35
VI
Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Frequenzteiler.37
3.1.4 Elektro-Magnetisch .38
3.1.5 Akustomagnetisch.40
3.2 Voll- und Halbduplexverfahren .42
3.2.1 Induktive Kopplung.44
3.2.1.1 Energieversorgung passiver
Transponder
.44
3.2.1.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.46
3.2.2 Elektromagnetische Backscatter-Kopplung .50
3.2.2.1 Energieversorgung der
Transponder
.50
3.2.2.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.52
3.2.3
Close Coupling.
53
3.2.3.1 Energieversorgung der
Transponder
.53
3.2.3.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.54
3.2.4 Datenübertragung Leser >
Transponder
.55
3.2.5 Elektrische Kopplung.55
3.2.5.1 Energieversorgung passiver
Transponder
.55
3.2.5.2 Datenübertragung
Transponder
> Lesegerät.57
3.3 Sequentielle Verfahren.57
3.3.1 Induktive Kopplung.58
3.3.1.1 Spannungsversorgung des
Transponders
.58
3.3.1.2 Vergleich zwischen FDX-/HDX-und SEQ-Systemen .58
3.3.1.3 Datenübertragung
Transponder
> Leser.60
3.3.2 Oberflächenwellen-Transponder.61
4 Physikalische Grundlagen für RFID-Systeme.65
4.1 Magnetisches Feld.66
4.1.1 Magnetische Feldstärke
H
.66
4.1.1.1 Feldstärkeverlauf H(x) bei Leiterschleifen .67
4.1.1.2 Optimierter Antennendurchmesser .69
4.1.2 Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte .71
4.1.3 Induktivität
L
.71
4.1.3.1 Induktivität einer Leiterschleife .72
4.1.4 Gegeninduktivität
M
.72
4.1.5 Kopplungsfaktor
к
.74
4.1.6 Induktionsgesetz.76
4.1.7 Resonanz .78
4.1.8 Praktischer Betrieb des
Transponders
.83
4.1.8.1 Spannungsversorgung des
Transponders
.83
4.1.8.2 Spannungsregelung .83
4.1.9 Ansprechfeldstärke Hmin.85
4.1.9.1 „Energiereichweite" von
Transpondersystemen
.88
4.1.9.2 Ansprechbereich von Lesegeräten .90
Inhaltsverzeichnis
VII
4.1.10 Gesamtsystem
Transponder
- Lesegerät.91
4.1.10.1 Transformierte Transponderimpedanz ZT'.93
4.1.10.2 Einflussgrößen von ZT' .96
4.1.10.3 Lastmodulation.103
4.1.11 Messung von Systemparametern.110
4.1.11.1 Messung des Kopplungsfaktors
к
.110
4.1.11.2 Messung von Transponderresonanzfrequenz und Gütefaktor.111
4.1.12 Magnetische Werkstoffe .115
4.1.12.1 Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und
Ferrite
.115
4.1.12.2 Ferritantennen in LF-Transpondern.116
4.1.12.3 Ferritabschirmung in metallischer Umgebung.117
4.1.12.4 Einbau von Transpondern in Metall.118
4.2 Elektromagnetische Wellen .120
4.2.1 Entstehung elektromagnetischer Wellen.120
4.2.1.1 Übergang vom Nah- zum Fernfeld bei Leiterschleifen.121
4.2.2 Strahlungsdichte
S
.122
4.2.3 Feldwellenwiderstand und Feldstärke
E
.123
4.2.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen.124
4.2.4.1 Reflexion elektromagnetischer Wellen.125
4.2.5 Antennen .127
4.2.5.1 Gewinn und Richtwirkung.127
4.2.5.2 EIRP und ERP.129
4.2.5.3 Eingangsimpedanz .129
4.2.5.4 Wirksame Fläche und Rückstreuquerschnitt.130
4.2.5.5 Effektive Länge.133
4.2.5.6 Dipolantenne.134
4.2.5.7 Yagi-Uda-Antenne.136
4.2.5.8 Patch- oder Mikrostripantennen.136
4.2.5.9 Schlitzantennen.139
4.2.6 Praktischer Betrieb von Mikrowellentranspondern .139
4.2.6.1 Ersatzschaltbilder des
Transponders
.140
4.2.6.2 Spannungsversorgung passiver
Transponder
.141
4.2.6.3 Spannungsversorgung aktiver
Transponder
.149
4.2.6.4 Reflexion und Auslöschung.150
4.2.6.5 Ansprechempfindlichkeit des
Transponders
.151
4.2.6.6 Modulierter Rückstreuquerschnitt.151
4.2.6.7 Lesereichweite.154
4.3 Oberflächenwellen .157
4.3.1 Entstehung einer Oberflächenwelle .157
4.3.2 Reflexion einer Oberflächenwelle.159
VIII Inhaltsverzeichnis
4.3.3 Funktionsschema von OFW-Transpondern .160
4.3.4 Der Sensoreffekt.163
4.3.4.1 Reflektive Verzögerungsleitung.164
4.3.4.2
Resonante
Sensoren.165
4.3.4.3 Impedanzsensoren.167
4.3.5 Geschaltete Sensoren.167
5 Frequenzbereiche und Funkzulassungsvorschriften.169
5.1 Verwendete Frequenzbereiche.169
5.1.1 Frequenzbereich 9 . 135 kHz.171
5.1.2 Frequenzbereich 6,78 MHz (ISM) .173
5.1.3 Frequenzbereich 13,56 MHz (ISM,
SRD)
.174
5.1.4 Frequenzbereich 27,125 MHz (ISM) .174
5.1.5 Frequenzbereich 40,680 MHz (ISM) .175
5.1.6 Frequenzbereich 433,920 MHz (ISM) .175
5.1.7 UHF-Frequenzbereich.176
5.1.7.1 Frequenzbereich 865,0 MHz
(SRD)
.176
5.1.7.2 Frequenzbereich 915,0 MHz.176
5.1.8 Frequenzbereich 2,45 GHz (ISM,
SRD)
.176
5.1.9 Frequenzbereich 5,8 GHz (ISM,
SRD)
.177
5.1.10 Frequenzbereich 24,125 GHz (ISM).177
5.1.11 Auswahl der Frequenz für induktiv gekoppelte RFID-Systeme.177
5.2 Internationale Fernmeldeunion
(ITU)
.180
5.3 Europäische Zulassungsvorschriften.181
5.3.1
CEPT/ERC REC
70-03 .182
5.3.1.1 Annex 1:
Non-specific
Short Range Devices.183
5.3.1.2 Annex 4:
Railway applications .
184
5.3.1.3 Annex 5:
Road
Transport &
Traffic Telematics
.185
5.3.1.4 Annex 9:
Inductive applications
.186
5.3.1.5
Annex
11:
RFID applications
.188
5.3.2 Standardisierte Messverfahren.188
5.3.2.1 Übergreifende
Standards
.188
5.3.2.2 Anwendungsspezifische Messvorschriften .190
5.4 Nationale Zulassungsvorschriften in Europa.191
5.4.1 Bundesrepublik Deutschland.191
5.4.1.1 Induktive Funkanwendungen.191
5.4.1.2 RFID-Systeme im UHF-Bereich.193
5.5 Nationale Zulassungsvorschriften.195
5.5.1 USA.195
5.6 Vergleich nationaler Regulierungsvorschriften .196
5.6.1 Umrechnung bei 13,56 MHz.196
5.6.2 Umrechnung auf UHF.198
Inhaltsverzeichnis
IX
6 Codierung und Modulation.199
6.1 Codierung im Basisband.200
6.2 Digitale Modulationsverfahren .202
6.2.1 Amplitudentastung
(ASK)
.203
6.2.2 2-FSK.205
6.2.3 2-PSK.206
6.2.4 Modulationsverfahren mit Hilfsträger.207
7 Datenintegrität .209
7.1 Prüfsummenverfahren.209
7.1.1 Paritätsprüfung .209
7.1.2 LRC-Verfahren .210
7.1.3 CRC-Verfahren.211
7.2 Vielfachzugriffsverfahren - Antikollision.213
7.2.1 Raummultiplex - SDMA .216
7.2.2 Frequenzmultiplex - FDMA.217
7.2.3
Zeitmultiplex
-TDM A
.218
7.2.4 Beispiele für Antikollisionsverfahren.220
7.2.4.1 ALOHA-Verfahren .220
7.2.4.2 SIotted-ALOHA- Verfahren.222
7.2.4.3 Binary-Search-Algorithmus.226
8 Sicherheit von
RFTO-Systemen
.235
8.1 Angriffe auf RFID-Systeme.236
8.1.1 Angriffe auf den
Transponder
.237
8.1.1.1 Dauerhaftes Zerstören des
Transponders
.237
8.1.1.2 Abschirmen oder Verstimmen des
Transponders
.238
8.1.1.3 Emulieren und Klonen eines
Transponders
.238
8.1.2 Angriffe über das HF-Interface.240
8.1.2.1 Abhören der Kommunikation .240
8.1.2.2 Störsender.241
8.1.2.3 Lesen mit vergrößerter Lesereichweite.241
8.1.2.4
Denial of
Service-Angriff durch Blocker Tags.248
8.1.2.5
Relay-Attack
.249
8.2 Abwehr durch kryptographische Maßnahmen.252
8.2.1 Gegenseitige symmetrische Authentifizierung .253
8.2.2 Authentifizierung mit abgeleiteten Schlüsseln.254
8.2.3 Verschlüsselte Datenübertragung.255
8.2.3.1 Streamcipher .256
Inhaltsverzeichnis
9 Normung .259
9.1 Tieridentifikation.259
9.1.1
1ЅОЛЕС
11784-Codestruktur.259
9.1.2 ISO/IEC 11785-Technisches Konzept.260
9.1.2.1 Anforderungen .260
9.1.2.2 VolWHalbduplex-System.262
9.1.2.3 Sequentielles System.262
9.1.3
1ЅОЛБС
14223 -Advanced
Transponders
.263
9.1.3.1 Teil 1 - Air Interface.263
9.1.3.2 Teil 2 - Code
and Command Structure.
265
9.2 Kontaktlose Chipkarten.267
9.2.1
1ЅОДЕС
10536 - Close-coupling-Chipkarten .268
9.2.1.1 Part 1 -
Physical characteristics.
268
9.2.1.2
Part
2 -
Dimensions and locations of coupling areas
.268
9.2.1.3
Part
3
-Electronic signals and reset procedures
.268
9.2.1.4
Part
4 -
Answer to reset and transmission protocols
.270
9.2.2
1ЅОЛЕС
14443 -
Proximity-coupling-Chipkarten
.270
9.2.2.1
Part
1 -
Physical characteristics
.271
9.2.2.2
Part
2 -
Radio frequency interface
.271
9.2.2.3
Part
3 -
Initialization and
anticollision
.276
9.2.2.4
Part
4 -
Transmission protocols
.283
9.2.3
1ЅОЛЕС
15693 -
Vicinity-coupling-Chipkarten
.287
9.2.3.1
Part
1
-Physical characteristics
.288
9.2.3.2
Part
2 -
Air interface and initialization
.288
9.2.4
1ЅОЛЕС
10373 - PrüfmeÜioden für Chipkarten.293
9.2.4.1
Part
4 - Testverfahren für
Close-coupling-Chipkarten
.294
9.2.4.2
Part
6 - Testverfahren für
Proximity-coupling-Chipkarten
.294
9.2.4.3
Part
7 - Testverfahren für
Vicinity-coupling-Chipkarten
.297
9.3
1ЅОЛЕС
69873 - Datenträger für Werk- und Spanzeuge.298
9.4
1ЅОЛЕС
10374-Containeridentifikation .298
9.5 VDI4470-Warensicherungssysteme.299
9.5.1 Teil 1 - Kundenabnahmerichtlinien für Schleusen-systeme.299
9.5.1.1 Ermittlung der Fehlalarmquote .300
9.5.1.2 Ermittlung der Detektionsrate.300
9.5.1.3 Formblätter in VDI 4470.301
9.5.2 Teil 2 - Kundenabnahmerichtlinien für Deaktivierangsanlagen .301
9.6 Güter- und Warenwirtschaft.302
9.6.1
1ЅОЛЕС
18000 Reihe.302
9.6.1.1
1ЅОЛЕС
15691 und 15692.303
9.6.2 GTAG Initiative.305
9.6.2.1 GTAG-Transportschicht
(physical layer).
306
9.6.2.2 GTAG Leitungs- und Anwendungsschicht.307
Inhaltsverzeichnis
XI
9.6.3 EPCglobal Network .307
9.6.3.1 Generation 2.309
9.6.3.2 Nonnen und Spezifikationen.310
9.6.3.3 Der Electronic
Product
Code (EPC) .311
9.6.3.4
Transponderklassen
.314
9.6.3.5 Einführung in das EPC-Netzwerk.315
10 Architektur elektronischer Datenträger.317
10.1
Transponder
mit Speicherfunktion.317
10.1.1 HF-Interface.318
10.1.1.1 Schaltungsbeispiel - Lastmodulation mit Hilfsträger.318
10.1.1.2 Schaltungsbeispiel - HF-Interface für ISO-14443
Transponder
.320
10.1.2
Adress-
und Sicherheitslogik .322
10.1.2.1
State-Machine
.323
10.1.3 Speicherarchitektur .324
10.1.3.1 Read-only-Transponder.324
10.1.3.2 Beschreibbare
Transponder
.326
10.1.3.3
Transponder
mit
Kryptofunktion .
326
10.1.3.4
Segmentiate
Speicher.328
10.1.3.5 MIFARE®-Applikationsverzeichnis.331
10.1.3.6 Dual-port-EEPROM.333
10.2 Mikroprozessoren.337
10.2.1 Dual Interface Karte.338
10.2.1.1 MIFAREplus.340
10.2.1.2 Moderne Konzepte für die Dual Interface Card.341
10.3 Speichertechnologie.343
10.3.1 RAM.344
10.3.2
EEPROM
.344
10.3.3
FRAM .
346
10.3.4 Leistungsvergleich
FRAM
-
EEPROM
.347
10.4 Messung physikalischer Größen.348
10.4.1
Transponder
mit Sensorfunktionen.348
10.4.2 Messungen mit Mikrowellentranspondern.350
10.4.3 Sensoreffekt bei Oberflächenwellen-Transpondern.351
11 Lesegeräte. 355
11.1 Datenfluss in einer Applikation .355
11.2 Komponenten eines Lesegerätes.356
11.2.1 HF-Interface.357
11.2.1.1 Induktiv gekoppeltes System, FDX/HDX.357
11.2.1.2 Mikrowellen-System-Halbduplex .358
H.2.Î.3
Sequentielle Systeme-SEQ.360
11.2.1.4 Mikrowellen-System für OFW-Transponder.361
1
1
.2.2 Steuerung.362
XII Inhaltsverzeichnis
11.3
Low-cost-
Aufbau - Leser-IC U2270B.363
11.4
Anschluss
von Antennen für induktiv gekoppelte Systeme.365
11.4.1 Anschaltung mit Stromanpassung.366
11.4.2 Speisung über Koaxialkabel.368
11.4.3 Einfluss des Gütefaktors
Q
.372
11.5 Ausführangsformen von Lesegeräten .372
11.5.1 OEM-Lesegeräte .373
11.5.2 Lesegeräte für industriellen Einsatz.373
11.5.3
Portable
Lesegeräte .374
12 Herstellung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten .377
12.1 Glas- und
Plastiktransponder
.377
12.1.1 Modulherstellung .377
12.1.2 Transponderhalbzeug .379
12.1.3 Komplettierung.380
12.2 Kontaktlose Chipkarten.380
12.2.1 Spulenherstellung.381
12.2.2 Verbindungstechnik .385
12.2.3
Lambieren
.386
13 Anwendungsbeispiele. 389
13.1 Kontaktlose Chipkarten.389
13.2 ÖPNV.391
13.2.1 Ausgangssituation .391
13.2.2 Anforderungen .392
13.2.2.1 Transaktionszeit .392
13.2.2.2 Witterungsbeständigkeit, Lebensdauer, Bedienkomfort.393
13.2.3 Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen.393
13.2.4 Tarifmodelle mit elektronischer Abrechnung .394
13.2.5 Marktpotenzial .395
13.2.6 Projektbeispiele .396
13.2.6.1 Korea-Seoul.396
13.2.6.2 Deutschland - Lüneburg, Oldenburg .398
13.2.6.3 EU-Projekte - JCARE" und
„CALYPSO"
.399
13.3 Elektronischer Reisepass.402
13.4 Ski-Ticketing.406
13.5 Zutrittskontrolle.407
13.5.1 Online-Systeme.408
13.5.2 Offline-Systeme .408
13.5.3
Transponder
.410
13.6 Verkehrssysteme .411
13.6.1 Eurobalise S21.411
13.6.2 Internationaler Containerverkehr.413
Inhaltsverzeichnis XIII
13.7 Tieridentifikation .414
13.7.1 Rinderhaltung.414
13.7.2 Brieftauben-Preisflug.420
13.8 Elektronische Wegfahrsperre.422
13.8.1 Funktionsweise der Wegfahrsperre.422
13.8.2 Kurze Erfolgsgeschichte .425
13.8.3 Zukunftsaussichten.426
13.9 Behälteridentifikation.427
13.9.1 Gasflaschen und Chemikalienbehälter.427
13.9.2 Abfallentsorgung.429
13.10 Sportliche Veranstaltungen.431
13.11 Industrieautomation .433
13.11.1 Werkzeugidentifikation.433
13.11.2 Industrielle Fertigung.436
13.11.2.1 Zentrale Steuerung.437
13.11.2.2 Dezentrale Steuerung .438
13.11.2.3 Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen.439
13.11.2.4 Auswahl geeigneter RFID-Systeme.439
13.11.2.5 Projektbeispiele.441
13.12 Medizinische Anwendungen.444
14 Anhang.447
14.1 Kontaktadressen, Verbände und Fachzeitschriften.447
14.1.1 Industrieverbände.447
14.1.2 Fachzeitschriften.449
14.1.3 RFID im Internet.450
14.2 Relevante Nonnen und Vorschriften .451
14.2.1 Normungsgremien.451
14.2.2 Normenliste.451
14.2.3 Bezugsquellen für Normen und Vorschriften .459
14.3 Literatur.460
14.4 Platinenlayouts.471
14.4.1 Testkarte nach ISO 14443.471
14.4.2 Feldgeneratorspule.475
15
Resister
. . 479
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DAS STANDARDWERK ZU RFID //
■ Hier finden Sie alles, was Sie über die technischen und physikalischen
Grundlagen von RFID wissen müssen.
■ Erfahren Sie, welche Einsatzmöglichkeiten es für RFID gibt.
■ Verschaffen Sie sich einen Überblick über Zulassungsvorschriften und
den aktuellen Stand der Normung.
■ Im Internet: Das Layout der ISO 14443-Testkarte sowie eine Linkliste
und ständig aktualisierte Informationen rund um RFID
RFID-HANDBUCH // RFID (Radiofrequenz-Identifikation) ist auf dem Vormarsch.
Ob in der Logistik, als Zutrittsausweis zu Betrieben und Hotelzimmern, als kontakt¬
loses Ticket für den Nahverkehr, als elektronischer Diebstahlschutz oder im elek¬
tronischen Reisepass: Die Einsatzmöglichkeiten der batterielosen, elektronischen
Datenträger
(Transponder),
die kontaktlos ausgelesen werden können, scheint
nahezu grenzenlos. Dieses einzigartige Handbuch bietet einen praxisorientierten
und umfassenden Überblick über die Grundlagen und die Techniken von RFID-
Systemen.
In der vierten Auflage ist ein Kapitel über die Angriffsmöglichkeiten auf RFID-
Systeme neu hinzugekommen. Die Standards, Normen und Zulassungsvorschrif¬
ten wurden auf den aktuellen Stand gebracht.
Zahlreiche Abbildungen veranschaulichen die komplexen Inhalte. Die Anwen¬
dungsbeispiele zeigen Ihnen, welche Einsatzmöglichkeiten RFID in der Praxis
bietet. Wertvolle Informationen wie Kontaktadressen, einen Überblick über Normen
und Vorschriften, Literaturhinweise und Quellen im Internet finden Sie im Anhang.
Klaus FINKENZELLER ist Technologieverantwortlicher für RFID und kontaktlose
Chipkarten bei Giesecke & Devrient. Darüber hinaus arbeitet er seit 1994 in
DIN
und ISO an der Entwicklung von Normen für RFID-Systeme und kontaktlose Chip¬
karten mit. Rund um das Thema RFID hat er eine Reihe von Patenten angemeldet
und Fachpublikationen veröffentlicht.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 4. Auflage .·.·.
XV
1 Einführung.1
1.1 Automatische Identifikationssysteme.2
1.1.1 Barcode-Systeme.2
1.1.2
Optical Character Recognition
.
З
1.1.3 Biometrische Verfahren .4
1.1.3.1
Sprachidentifîzierang
.4
1.1.3.2 Fingerabdruckverfahren (Daktyloskopie) .4
1.1.4 Chipkarten.4
1.1.4.1 Speicherkarten.5
1.1.4.2 Mikroprozessorkarten .6
1.1.5 RFID-Systeme.6
1.2 Vergleich verschiedener ID-Systeme.7
1.3 Bestandteile eines RFID-Systems.7
2 Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen.11
2.1 Grundsätzliche Unterscheidungsmerkmale.11
2.2 Bauformen von Transpondern .14
2.2.1
Disks
und Münzen.14
2.2.2 Glasgehäuse.14
2.2.3 Plastikgehäuse.15
2.2.4 Werkzeug- und Gasflaschenidentifikation.16
2.2.5 Schlüssel und Schlüsselanhänger.17
2.2.6 Uhren.18
2.2.7 Bauform ID-1, kontaktlose Chipkarten.18
2.2.8 Smart Label.20
2.2.9 Coil-on-Chip .21
2.2.10 Weitere Bauformen.22
2.3 Frequenz, Reichweite und Kopplung.22
2.4 Aktive und passive
Transponder
.23
2.5 Informationsverarbeitung im
Transponder
.25
2.6 Auswahlkriterien für RFID-Systeme .27
2.6.1 Arbeitsfrequenz.28
2.6.2 Reichweite.28
2.6.3 Sicherheitsanforderungen.29
2.6.4 Speicherkapazität .30
3 Grundlegende Funktionsweise_,.31
3.1 l-bit-Transponder.32
3.1.1 Radiofrequenz.32
3.1.2 Mikrowelle.35
VI
Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Frequenzteiler.37
3.1.4 Elektro-Magnetisch .38
3.1.5 Akustomagnetisch.40
3.2 Voll- und Halbduplexverfahren .42
3.2.1 Induktive Kopplung.44
3.2.1.1 Energieversorgung passiver
Transponder
.44
3.2.1.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.46
3.2.2 Elektromagnetische Backscatter-Kopplung .50
3.2.2.1 Energieversorgung der
Transponder
.50
3.2.2.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.52
3.2.3
Close Coupling.
53
3.2.3.1 Energieversorgung der
Transponder
.53
3.2.3.2 Datenübertragung
Transponder
> Leser.54
3.2.4 Datenübertragung Leser >
Transponder
.55
3.2.5 Elektrische Kopplung.55
3.2.5.1 Energieversorgung passiver
Transponder
.55
3.2.5.2 Datenübertragung
Transponder
> Lesegerät.57
3.3 Sequentielle Verfahren.57
3.3.1 Induktive Kopplung.58
3.3.1.1 Spannungsversorgung des
Transponders
.58
3.3.1.2 Vergleich zwischen FDX-/HDX-und SEQ-Systemen .58
3.3.1.3 Datenübertragung
Transponder
> Leser.60
3.3.2 Oberflächenwellen-Transponder.61
4 Physikalische Grundlagen für RFID-Systeme.65
4.1 Magnetisches Feld.66
4.1.1 Magnetische Feldstärke
H
.66
4.1.1.1 Feldstärkeverlauf H(x) bei Leiterschleifen .67
4.1.1.2 Optimierter Antennendurchmesser .69
4.1.2 Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte .71
4.1.3 Induktivität
L
.71
4.1.3.1 Induktivität einer Leiterschleife .72
4.1.4 Gegeninduktivität
M
.72
4.1.5 Kopplungsfaktor
к
.74
4.1.6 Induktionsgesetz.76
4.1.7 Resonanz .78
4.1.8 Praktischer Betrieb des
Transponders
.83
4.1.8.1 Spannungsversorgung des
Transponders
.83
4.1.8.2 Spannungsregelung .83
4.1.9 Ansprechfeldstärke Hmin.85
4.1.9.1 „Energiereichweite" von
Transpondersystemen
.88
4.1.9.2 Ansprechbereich von Lesegeräten .90
Inhaltsverzeichnis
VII
4.1.10 Gesamtsystem
Transponder
- Lesegerät.91
4.1.10.1 Transformierte Transponderimpedanz ZT'.93
4.1.10.2 Einflussgrößen von ZT' .96
4.1.10.3 Lastmodulation.103
4.1.11 Messung von Systemparametern.110
4.1.11.1 Messung des Kopplungsfaktors
к
.110
4.1.11.2 Messung von Transponderresonanzfrequenz und Gütefaktor.111
4.1.12 Magnetische Werkstoffe .115
4.1.12.1 Eigenschaften magnetischer Werkstoffe und
Ferrite
.115
4.1.12.2 Ferritantennen in LF-Transpondern.116
4.1.12.3 Ferritabschirmung in metallischer Umgebung.117
4.1.12.4 Einbau von Transpondern in Metall.118
4.2 Elektromagnetische Wellen .120
4.2.1 Entstehung elektromagnetischer Wellen.120
4.2.1.1 Übergang vom Nah- zum Fernfeld bei Leiterschleifen.121
4.2.2 Strahlungsdichte
S
.122
4.2.3 Feldwellenwiderstand und Feldstärke
E
.123
4.2.4 Polarisation elektromagnetischer Wellen.124
4.2.4.1 Reflexion elektromagnetischer Wellen.125
4.2.5 Antennen .127
4.2.5.1 Gewinn und Richtwirkung.127
4.2.5.2 EIRP und ERP.129
4.2.5.3 Eingangsimpedanz .129
4.2.5.4 Wirksame Fläche und Rückstreuquerschnitt.130
4.2.5.5 Effektive Länge.133
4.2.5.6 Dipolantenne.134
4.2.5.7 Yagi-Uda-Antenne.136
4.2.5.8 Patch- oder Mikrostripantennen.136
4.2.5.9 Schlitzantennen.139
4.2.6 Praktischer Betrieb von Mikrowellentranspondern .139
4.2.6.1 Ersatzschaltbilder des
Transponders
.140
4.2.6.2 Spannungsversorgung passiver
Transponder
.141
4.2.6.3 Spannungsversorgung aktiver
Transponder
.149
4.2.6.4 Reflexion und Auslöschung.150
4.2.6.5 Ansprechempfindlichkeit des
Transponders
.151
4.2.6.6 Modulierter Rückstreuquerschnitt.151
4.2.6.7 Lesereichweite.154
4.3 Oberflächenwellen .157
4.3.1 Entstehung einer Oberflächenwelle .157
4.3.2 Reflexion einer Oberflächenwelle.159
VIII Inhaltsverzeichnis
4.3.3 Funktionsschema von OFW-Transpondern .160
4.3.4 Der Sensoreffekt.163
4.3.4.1 Reflektive Verzögerungsleitung.164
4.3.4.2
Resonante
Sensoren.165
4.3.4.3 Impedanzsensoren.167
4.3.5 Geschaltete Sensoren.167
5 Frequenzbereiche und Funkzulassungsvorschriften.169
5.1 Verwendete Frequenzbereiche.169
5.1.1 Frequenzbereich 9 . 135 kHz.171
5.1.2 Frequenzbereich 6,78 MHz (ISM) .173
5.1.3 Frequenzbereich 13,56 MHz (ISM,
SRD)
.174
5.1.4 Frequenzbereich 27,125 MHz (ISM) .174
5.1.5 Frequenzbereich 40,680 MHz (ISM) .175
5.1.6 Frequenzbereich 433,920 MHz (ISM) .175
5.1.7 UHF-Frequenzbereich.176
5.1.7.1 Frequenzbereich 865,0 MHz
(SRD)
.176
5.1.7.2 Frequenzbereich 915,0 MHz.176
5.1.8 Frequenzbereich 2,45 GHz (ISM,
SRD)
.176
5.1.9 Frequenzbereich 5,8 GHz (ISM,
SRD)
.177
5.1.10 Frequenzbereich 24,125 GHz (ISM).177
5.1.11 Auswahl der Frequenz für induktiv gekoppelte RFID-Systeme.177
5.2 Internationale Fernmeldeunion
(ITU)
.180
5.3 Europäische Zulassungsvorschriften.181
5.3.1
CEPT/ERC REC
70-03 .182
5.3.1.1 Annex 1:
Non-specific
Short Range Devices.183
5.3.1.2 Annex 4:
Railway applications .
184
5.3.1.3 Annex 5:
Road
Transport &
Traffic Telematics
.185
5.3.1.4 Annex 9:
Inductive applications
.186
5.3.1.5
Annex
11:
RFID applications
.188
5.3.2 Standardisierte Messverfahren.188
5.3.2.1 Übergreifende
Standards
.188
5.3.2.2 Anwendungsspezifische Messvorschriften .190
5.4 Nationale Zulassungsvorschriften in Europa.191
5.4.1 Bundesrepublik Deutschland.191
5.4.1.1 Induktive Funkanwendungen.191
5.4.1.2 RFID-Systeme im UHF-Bereich.193
5.5 Nationale Zulassungsvorschriften.195
5.5.1 USA.195
5.6 Vergleich nationaler Regulierungsvorschriften .196
5.6.1 Umrechnung bei 13,56 MHz.196
5.6.2 Umrechnung auf UHF.198
Inhaltsverzeichnis
IX
6 Codierung und Modulation.199
6.1 Codierung im Basisband.200
6.2 Digitale Modulationsverfahren .202
6.2.1 Amplitudentastung
(ASK)
.203
6.2.2 2-FSK.205
6.2.3 2-PSK.206
6.2.4 Modulationsverfahren mit Hilfsträger.207
7 Datenintegrität .209
7.1 Prüfsummenverfahren.209
7.1.1 Paritätsprüfung .209
7.1.2 LRC-Verfahren .210
7.1.3 CRC-Verfahren.211
7.2 Vielfachzugriffsverfahren - Antikollision.213
7.2.1 Raummultiplex - SDMA .216
7.2.2 Frequenzmultiplex - FDMA.217
7.2.3
Zeitmultiplex
-TDM A
.218
7.2.4 Beispiele für Antikollisionsverfahren.220
7.2.4.1 ALOHA-Verfahren .220
7.2.4.2 SIotted-ALOHA- Verfahren.222
7.2.4.3 Binary-Search-Algorithmus.226
8 Sicherheit von
RFTO-Systemen
.235
8.1 Angriffe auf RFID-Systeme.236
8.1.1 Angriffe auf den
Transponder
.237
8.1.1.1 Dauerhaftes Zerstören des
Transponders
.237
8.1.1.2 Abschirmen oder Verstimmen des
Transponders
.238
8.1.1.3 Emulieren und Klonen eines
Transponders
.238
8.1.2 Angriffe über das HF-Interface.240
8.1.2.1 Abhören der Kommunikation .240
8.1.2.2 Störsender.241
8.1.2.3 Lesen mit vergrößerter Lesereichweite.241
8.1.2.4
Denial of
Service-Angriff durch Blocker Tags.248
8.1.2.5
Relay-Attack
.249
8.2 Abwehr durch kryptographische Maßnahmen.252
8.2.1 Gegenseitige symmetrische Authentifizierung .253
8.2.2 Authentifizierung mit abgeleiteten Schlüsseln.254
8.2.3 Verschlüsselte Datenübertragung.255
8.2.3.1 Streamcipher .256
Inhaltsverzeichnis
9 Normung .259
9.1 Tieridentifikation.259
9.1.1
1ЅОЛЕС
11784-Codestruktur.259
9.1.2 ISO/IEC 11785-Technisches Konzept.260
9.1.2.1 Anforderungen .260
9.1.2.2 VolWHalbduplex-System.262
9.1.2.3 Sequentielles System.262
9.1.3
1ЅОЛБС
14223 -Advanced
Transponders
.263
9.1.3.1 Teil 1 - Air Interface.263
9.1.3.2 Teil 2 - Code
and Command Structure.
265
9.2 Kontaktlose Chipkarten.267
9.2.1
1ЅОДЕС
10536 - Close-coupling-Chipkarten .268
9.2.1.1 Part 1 -
Physical characteristics.
268
9.2.1.2
Part
2 -
Dimensions and locations of coupling areas
.268
9.2.1.3
Part
3
-Electronic signals and reset procedures
.268
9.2.1.4
Part
4 -
Answer to reset and transmission protocols
.270
9.2.2
1ЅОЛЕС
14443 -
Proximity-coupling-Chipkarten
.270
9.2.2.1
Part
1 -
Physical characteristics
.271
9.2.2.2
Part
2 -
Radio frequency interface
.271
9.2.2.3
Part
3 -
Initialization and
anticollision
.276
9.2.2.4
Part
4 -
Transmission protocols
.283
9.2.3
1ЅОЛЕС
15693 -
Vicinity-coupling-Chipkarten
.287
9.2.3.1
Part
1
-Physical characteristics
.288
9.2.3.2
Part
2 -
Air interface and initialization
.288
9.2.4
1ЅОЛЕС
10373 - PrüfmeÜioden für Chipkarten.293
9.2.4.1
Part
4 - Testverfahren für
Close-coupling-Chipkarten
.294
9.2.4.2
Part
6 - Testverfahren für
Proximity-coupling-Chipkarten
.294
9.2.4.3
Part
7 - Testverfahren für
Vicinity-coupling-Chipkarten
.297
9.3
1ЅОЛЕС
69873 - Datenträger für Werk- und Spanzeuge.298
9.4
1ЅОЛЕС
10374-Containeridentifikation .298
9.5 VDI4470-Warensicherungssysteme.299
9.5.1 Teil 1 - Kundenabnahmerichtlinien für Schleusen-systeme.299
9.5.1.1 Ermittlung der Fehlalarmquote .300
9.5.1.2 Ermittlung der Detektionsrate.300
9.5.1.3 Formblätter in VDI 4470.301
9.5.2 Teil 2 - Kundenabnahmerichtlinien für Deaktivierangsanlagen .301
9.6 Güter- und Warenwirtschaft.302
9.6.1
1ЅОЛЕС
18000 Reihe.302
9.6.1.1
1ЅОЛЕС
15691 und 15692.303
9.6.2 GTAG Initiative.305
9.6.2.1 GTAG-Transportschicht
(physical layer).
306
9.6.2.2 GTAG Leitungs- und Anwendungsschicht.307
Inhaltsverzeichnis
XI
9.6.3 EPCglobal Network .307
9.6.3.1 Generation 2.309
9.6.3.2 Nonnen und Spezifikationen.310
9.6.3.3 Der Electronic
Product
Code (EPC) .311
9.6.3.4
Transponderklassen
.314
9.6.3.5 Einführung in das EPC-Netzwerk.315
10 Architektur elektronischer Datenträger.317
10.1
Transponder
mit Speicherfunktion.317
10.1.1 HF-Interface.318
10.1.1.1 Schaltungsbeispiel - Lastmodulation mit Hilfsträger.318
10.1.1.2 Schaltungsbeispiel - HF-Interface für ISO-14443
Transponder
.320
10.1.2
Adress-
und Sicherheitslogik .322
10.1.2.1
State-Machine
.323
10.1.3 Speicherarchitektur .324
10.1.3.1 Read-only-Transponder.324
10.1.3.2 Beschreibbare
Transponder
.326
10.1.3.3
Transponder
mit
Kryptofunktion .
326
10.1.3.4
Segmentiate
Speicher.328
10.1.3.5 MIFARE®-Applikationsverzeichnis.331
10.1.3.6 Dual-port-EEPROM.333
10.2 Mikroprozessoren.337
10.2.1 Dual Interface Karte.338
10.2.1.1 MIFAREplus.340
10.2.1.2 Moderne Konzepte für die Dual Interface Card.341
10.3 Speichertechnologie.343
10.3.1 RAM.344
10.3.2
EEPROM
.344
10.3.3
FRAM .
346
10.3.4 Leistungsvergleich
FRAM
-
EEPROM
.347
10.4 Messung physikalischer Größen.348
10.4.1
Transponder
mit Sensorfunktionen.348
10.4.2 Messungen mit Mikrowellentranspondern.350
10.4.3 Sensoreffekt bei Oberflächenwellen-Transpondern.351
11 Lesegeräte. 355
11.1 Datenfluss in einer Applikation .355
11.2 Komponenten eines Lesegerätes.356
11.2.1 HF-Interface.357
11.2.1.1 Induktiv gekoppeltes System, FDX/HDX.357
11.2.1.2 Mikrowellen-System-Halbduplex .358
H.2.Î.3
Sequentielle Systeme-SEQ.360
11.2.1.4 Mikrowellen-System für OFW-Transponder.361
1
1
.2.2 Steuerung.362
XII Inhaltsverzeichnis
11.3
Low-cost-
Aufbau - Leser-IC U2270B.363
11.4
Anschluss
von Antennen für induktiv gekoppelte Systeme.365
11.4.1 Anschaltung mit Stromanpassung.366
11.4.2 Speisung über Koaxialkabel.368
11.4.3 Einfluss des Gütefaktors
Q
.372
11.5 Ausführangsformen von Lesegeräten .372
11.5.1 OEM-Lesegeräte .373
11.5.2 Lesegeräte für industriellen Einsatz.373
11.5.3
Portable
Lesegeräte .374
12 Herstellung von Transpondern und kontaktlosen Chipkarten .377
12.1 Glas- und
Plastiktransponder
.377
12.1.1 Modulherstellung .377
12.1.2 Transponderhalbzeug .379
12.1.3 Komplettierung.380
12.2 Kontaktlose Chipkarten.380
12.2.1 Spulenherstellung.381
12.2.2 Verbindungstechnik .385
12.2.3
Lambieren
.386
13 Anwendungsbeispiele. 389
13.1 Kontaktlose Chipkarten.389
13.2 ÖPNV.391
13.2.1 Ausgangssituation .391
13.2.2 Anforderungen .392
13.2.2.1 Transaktionszeit .392
13.2.2.2 Witterungsbeständigkeit, Lebensdauer, Bedienkomfort.393
13.2.3 Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen.393
13.2.4 Tarifmodelle mit elektronischer Abrechnung .394
13.2.5 Marktpotenzial .395
13.2.6 Projektbeispiele .396
13.2.6.1 Korea-Seoul.396
13.2.6.2 Deutschland - Lüneburg, Oldenburg .398
13.2.6.3 EU-Projekte - JCARE" und
„CALYPSO"
.399
13.3 Elektronischer Reisepass.402
13.4 Ski-Ticketing.406
13.5 Zutrittskontrolle.407
13.5.1 Online-Systeme.408
13.5.2 Offline-Systeme .408
13.5.3
Transponder
.410
13.6 Verkehrssysteme .411
13.6.1 Eurobalise S21.411
13.6.2 Internationaler Containerverkehr.413
Inhaltsverzeichnis XIII
13.7 Tieridentifikation .414
13.7.1 Rinderhaltung.414
13.7.2 Brieftauben-Preisflug.420
13.8 Elektronische Wegfahrsperre.422
13.8.1 Funktionsweise der Wegfahrsperre.422
13.8.2 Kurze Erfolgsgeschichte .425
13.8.3 Zukunftsaussichten.426
13.9 Behälteridentifikation.427
13.9.1 Gasflaschen und Chemikalienbehälter.427
13.9.2 Abfallentsorgung.429
13.10 Sportliche Veranstaltungen.431
13.11 Industrieautomation .433
13.11.1 Werkzeugidentifikation.433
13.11.2 Industrielle Fertigung.436
13.11.2.1 Zentrale Steuerung.437
13.11.2.2 Dezentrale Steuerung .438
13.11.2.3 Vorteile durch den Einsatz von RFID-Systemen.439
13.11.2.4 Auswahl geeigneter RFID-Systeme.439
13.11.2.5 Projektbeispiele.441
13.12 Medizinische Anwendungen.444
14 Anhang.447
14.1 Kontaktadressen, Verbände und Fachzeitschriften.447
14.1.1 Industrieverbände.447
14.1.2 Fachzeitschriften.449
14.1.3 RFID im Internet.450
14.2 Relevante Nonnen und Vorschriften .451
14.2.1 Normungsgremien.451
14.2.2 Normenliste.451
14.2.3 Bezugsquellen für Normen und Vorschriften .459
14.3 Literatur.460
14.4 Platinenlayouts.471
14.4.1 Testkarte nach ISO 14443.471
14.4.2 Feldgeneratorspule.475
15
Resister
. . 479
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