RFID (Radio Frequency Identification)
Was ist RFID (Radio Frequency Identification)?
RFID (Radio Frequency Identification) ist eine Form der drahtlosen Kommunikation, bei der eine elektromagnetische oder elektrostatische Kopplung im Hochfrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums genutzt wird, um Objekte, Tiere oder Personen eindeutig zu identifizieren.
Wie funktioniert RFID?
Jedes RFID-System besteht aus drei Komponenten: einer Scanantenne, einem Transceiver und einem Transponder. Wenn die Scanantenne und der Transceiver kombiniert sind, werden sie als RFID-Lesegerät oder -Interrogator bezeichnet. Der RFID-Leser ist ein mit dem Netzwerk verbundenes Gerät, das portabel oder fest angebracht sein kann. Es verwendet Funkwellen, um Signale zu übertragen, die das Tag aktivieren. Nach der Aktivierung sendet das Tag ein Signal zurück an die Antenne, wo es in Daten übersetzt wird.
Der Transponder befindet sich im RFID-Tag selbst. Die Lesereichweite von RFID-Tags hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem vom Tag-Typ, vom Typ des Lesegeräts, von der RFID-Frequenz sowie von Störungen in der Umgebung oder durch andere RFID-Tags und -Leser. Tags mit einer leistungsstärkeren Stromversorgung besitzen auch eine größere Lesereichweite.
Was sind RFID-Tags und Smart Label?
RFID-Tags bestehen aus einem integrierten Schaltkreis (Integrated Circuit, IC), einer Antenne und einem Substrat. Der Teil eines RFID-Tags, der die Identifizierungsinformationen codiert, wird als RFID-Inlay bezeichnet.
Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von RFID-Tags:
- Aktives RFID: Ein aktives RFID-Tag verfügt über eine eigene Stromquelle, häufig eine Batterie.
- Passives RFID: Ein passives RFID-Tag erhält seine Energie von der Leseantenne, deren elektromagnetische Welle einen Strom in der Antenne des RFID-Tags induziert.
Es gibt auch semipassive RFID-Tags, bei denen eine Batterie den Schaltkreis mit Strom versorgt, während die Energie für die Kommunikation vom RFID-Lesegerät stammt.
Der integrierte nichtflüchtige Speicher mit geringem Stromverbrauch spielt in jedem RFID-System eine wichtige Rolle. Die Kapazität von RFID-Tags beträgt in der Regel weniger als 2.000 KByte an Daten, einschließlich einer eindeutigen Kennung/Seriennummer. Auf Tags lässt sich entweder lesend oder lesend und schreibend zugreifen, wobei Daten vom Lesegerät hinzugefügt oder vorhandene Daten überschrieben werden können.
Die Lesereichweite von RFID-Tags hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa vom Tag-Typ, vom Typ des Lesegeräts, von der RFID-Frequenz sowie von Störungen in der Umgebung oder durch andere RFID-Tags und -Leser. Aktive RFID-Tags verfügen aufgrund der besseren Energieversorgung über eine größere Lesereichweite als passive RFID-Tags.
Smart Label sind einfache RFID-Tags. Bei diesen Labeln ist ein RFID-Tag in ein Klebeetikett eingebettet und mit einem Barcode versehen. Sie können sowohl von RFID- als auch von Barcode-Lesern verwendet werden. Smart Label können bei Bedarf mit Desktop-Druckern gedruckt werden, während für RFID-Tags modernere Geräte erforderlich sind.
Welche Arten von RFID-Systemen gibt es?
Man unterscheidet drei Haupttypen von RFID-Systemen: Sie arbeiten im LF-Bereich (Low Frequency, Niederfrequenz), HF-Bereich (High Frequency, Hochfrequenz) und UHF-Bereich (Ultra-high Frequency, Ultrahochfrequenz). Darüber hinaus gibt es auch Mikrowellen-RFID. Die Frequenzen variieren stark je nach Land und Region.
- LF-RFID-Systeme: Diese arbeiten zwischen 30 kHz und 500 kHz, wobei die typische Frequenz 125 kHz beträgt. LF-RFID bietet nur kurze Übertragungsreichweiten, in der Regel zwischen wenigen Zentimetern und weniger als zwei Metern.
- HF-RFID-Systeme: Diese arbeiten im Bereich zwischen 3 MHz und 30 MHz, wobei die typische HF-Frequenz 13,56 MHz beträgt. Die Standardreichweite liegt zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern.
- UHF-RFID-Systeme: Diese bewegen sich im Bereich von 300 MHz bis 960 MHz, wobei die typische Frequenz 433 MHz beträgt. Sie können im Allgemeinen aus einer Entfernung von mehr als sieben Metern gelesen werden.
- Mikrowellen-RFID-Systeme: Diese arbeiten auf 2,45 GHz und lassen sich auch aus einer Entfernung von mehr als neun Metern lesen.
Die genutzte Frequenz hängt von der RFID-Anwendung ab, wobei die tatsächlich erzielten Reichweiten manchmal von den erwarteten Werten abweichen. Wenn größere Lesereichweiten erforderlich sind, lässt sich die Lesereichweite durch die Verwendung von Tags mit größerer Leistung auf über 90 Meter steigern.
Das BSI hat bei Versuchen festgestellt, dass das Mithören der Kommunikation eines RFID-Systems nach ISO 14443- oder ISO 15693 unter Laborbedingungen bis zu einer Entfernung von 2,65 Metern möglich ist. Dies ist aber nicht zu verwechseln mit dem aktiven Auslesen eines RFID-Transponders durch ein Lesegerät. Nach den Ergebnissen der BSI-Studie ist ein aktives Auslesen eines ISO-14443-konformen RFID-Chips in einem deutschen Reisepass oder Personalausweis nur in einer maximalen Reichweite von circa 15 bis 25 Zentimetern möglich.
RFID: Anwendungen und Anwendungsfälle
RFID gibt es bereits seit den 1940er-Jahren. Es kam aber erst in den 1970er Jahren verstärkt zum Einsatz. Lange Zeit verhinderten die hohen Kosten für die Tags und Lesegeräte eine breite kommerzielle Nutzung. Da die Hardwarekosten gesunken sind, hat auch die Verbreitung von RFID zugenommen.
Zu den häufigsten Einsatzgebieten von RFID-Anwendungen gehören:
- Tracking von Haus- und Nutztieren
- Bestandsmanagement
- Lokalisierung von Assets und Geräten
- Bestandskontrolle
- Fracht- und Lieferkettenlogistik
- Tracking von Fahrzeugen
- Kundenservice und Verlustkontrolle
- Verbesserte Sichtbarkeit und Verteilung in der Lieferkette
- Zugangskontrolle in Sicherheitsbereichen
- Versand
- Gesundheitswesen
- Fertigung
- Einzelhandel
- Tap-and-Go-Kreditkartenzahlungen
RFID versus Barcodes
RFID kommt als Alternative zu Barcodes immer häufiger zum Einsatz. RFID- und Barcode-Technologien werden auf ähnliche Weise zur Bestandsüberwachung verwendet. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede zwischen ihnen.
| RFID-Tags | Barcodes |
| Einzelne Objekte lassen sich ohne direkte Sichtverbindung identifizieren. | Zum Scannen ist eine direkte Sichtverbindung erforderlich. |
| Je nach Art des Tags und Lesegeräts können Gegenstände aus einer Entfernung von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern gescannt werden. | Für das Scannen ist eine geringere Entfernung erforderlich. |
| Die Daten lassen sich in Echtzeit aktualisieren. | Die Daten sind schreibgeschützt und können nicht geändert werden. |
| Es ist eine Stromquelle notwendig. | Keine Stromquelle erforderlich. |
| Die Lesezeit beträgt weniger als 100 Millisekunden pro RFID-Tag. | Die Lesezeit beträgt eine halbe Sekunde oder mehr pro Tag. |
| Es ist ein Sensor enthalten, der an einer Antenne befestigt ist und sich oft in einer Kunststoffabdeckung befindet. Daher entstehen höhere Kosten als bei Barcodes. | Auf der Außenseite eines Objekts angebracht, somit höhere Abnutzung. |
RFID versus NFC
Nahfeldkommunikation (Near Field Communication, NFC) ermöglicht den Datenaustausch zwischen Geräten mithilfe einer drahtlosen HF-Kommunikationstechnologie kurzer Reichweite. NFC kombiniert die Schnittstelle von Smart Card und Lesegerät in einem einzigen Gerät.
| RFID | NFC |
| Unidirektional | Bidirektional |
| Reichweite bis zu 100 Meter | Reichweite weniger als 0,2 Meter |
| LF/HF/UHF/Mikrowelle | 13,56 MHz |
| Kontinuierliches Sampling | Kein kontinuierliches Sampling |
| Bitrate variiert mit der Frequenz | Bis zu 424 KBit/s |
| Leistungsaufnahme variiert mit der Frequenz | < 15 Milliampere |
RFID-Probleme
Bei RFID treten vor allem zwei Probleme auf:
- Leserkollision: Die Leserkollision, bei der das Signal eines RFID-Lesegeräts ein zweites Lesegerät stört, lässt sich durch ein Antikollisionsprotokoll verhindern. Dieses sorgt dafür, dass die RFID-Tags ihre Signale abwechselnd an das entsprechende Lesegerät senden.
- Tag-Kollision: Zu einer Tag-Kollision kommt es, wenn zu viele Tags einen RFID-Leser irritieren, indem sie gleichzeitig Daten übertragen. Durch die Wahl eines Lesegeräts, das die Daten eines einzelnen Tags erfasst, kann man dieses Problem vermeiden.
RFID: Sicherheit und Datenschutz
Ein häufiges Problem im Zusammenhang mit Sicherheit und Datenschutz von RFID besteht darin, dass die Daten von RFID-Tags von jedem gelesen werden können, der über ein kompatibles Lesegerät verfügt. Tags lassen sich oft auslesen, nachdem ein Artikel ein Geschäft oder eine Lieferkette verlassen hat. Es ist auch möglich, sie ohne das Wissen des Benutzers mit nicht autorisierten Geräten auszulesen. Wenn ein Tag eine eindeutige Seriennummer besitzt, kann man es einem Verbraucher zuordnen. Für den Einzelnen bedeutet dies ein Problem in puncto Datenschutz beziehungsweise Privatsphäre. Im militärischen oder medizinischen Bereich hingegen kann es ein Problem der nationalen Sicherheit oder eine Frage von Leben und Tod sein.
Da RFID-Tags über keine allzu große Rechenleistung verfügen, lässt sich auch keine Verschlüsselung realisieren, wie sie beispielsweise in einem Challenge-Response-Authentifizierungssystem zum Einsatz kommen könnte. Eine Ausnahme bilden jedoch RFID-Tags, die in Pässen und Ausweisen verwendet werden: Sie beherrschen Basic Access Control (BAC). Hier verfügt der Chip über genügend Rechenleistung, um ein verschlüsseltes Token des Lesegeräts zu decodieren und damit dessen Authentizität zu überprüfen.
Am Lesegerät werden die auf dem Pass aufgebrachten Informationen maschinell gescannt und zur Ableitung eines Schlüssels für den Pass verwendet. Es werden drei Informationen verwendet – die Passnummer, das Geburtsdatum des Passinhabers und das Ablaufdatum des Passes – sowie eine Prüfsummenziffer für jede der drei Informationen.
Laut Experten sind Pässe somit durch ein Passwort geschützt, das eine wesentlich geringere Entropie aufweist als üblicherweise im E-Commerce. Der Schlüssel ist außerdem während der gesamten Lebensdauer des Passes statisch. Sobald also eine Einrichtung einmal Zugriff auf die gedruckten Schlüsselinformationen hatte, lässt sich der Pass mit oder ohne Zustimmung des Passinhabers lesen, bis der Pass abläuft.
Das US-Außenministerium, das das BAC-System im Jahr 2007 eingeführt hat, hat beispielsweise den elektronischen Reisepässen ein Anti-Skimming-Mittel hinzugefügt, um die Gefahr zu verringern, dass Versuche, die persönlichen Daten der Nutzer zu stehlen, unentdeckt bleiben.
RFID-Standards
Es gibt diverse Richtlinien und Spezifikationen für die RFID-Technologie. Die wichtigsten Standards stammen aber von den folgenden Organisationen:
- International Organization for Standardization (ISO)
- Electronics Product Code Global Incorporated (EPCglobal)
- International Electrotechnical Commission (IEC)
Für die einzelnen Funkfrequenzen gelten entsprechende Standards, zum Beispiel ISO 14223 und ISO/IEC 18000-2 für LF-RFID, ISO 15693 und ISO/IEC 14443 für HF-RFID und ISO 18000-6C für UHF-RFID.
RFID der nächsten Generation
RFID-Systeme werden zunehmend eingesetzt, um IoT-Bereitstellungen (Internet of Things) zu unterstützen. Durch die Kombination dieser Technologie mit intelligenten Sensoren und/oder GPS lassen sich Sensordaten wie Temperatur-, Bewegungs- und Standortinformationen drahtlos übertragen.
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