Was ist RFID? Radio Frequency Identification

Als RFID (kurz für radio-frequency identification) bezeichnet man eine auf elektromagnetischen Wellen basierende Übertragungstechnologie, die dem kontaktlosen Datenaustausch in Sender-Empfänger-Systemen dient.

RFID-Systeme bestehen aus mindestens einem RFID-Lesegerät und beliebig vielen RFID-Transpondern, die in erster Linie als mobile Datenspeicher fungieren. Darüber hinaus wird ein Rechner benötigt, der die ausgelesenen Daten erfasst und auswertet. Die Datenübertragung erfolgt kontaktlos über das Medium Luft. Man spricht daher von einer sogenannten Luftschnittstelle zwischen Sender und Empfänger. Der Aufbau der technischen Grundbestandteile, das Funktionsspektrum sowie die zugrundeliegenden Betriebsfrequenzen unterscheiden sich je nach Anwendungsfeld des RFID-Systems mitunter erheblich.

Bei einem RFID-Lesegerät handelt es sich um einen technologischen Apparat, der je nach Bauart und Einsatzzweck entweder ein magnetisches Wechselfeld von geringer Reichweite oder hochfrequente Radiowellen erzeugt.

Gelangt ein RFID-Transponder in das vom Lesegerät erzeugte elektromagnetische Feld, erfolgt eine Kopplung mit dem Lesegerät, die ein Auslesen des RFID-Transponders ermöglicht. Gesteuert wird der Leseprozess von einer Software auf dem Lesegerät. Dieses verfügt in der Regel über Schnittstellen zu anderen EDV-Systemen. Je nach Bauart ist es zudem möglich, Transponder zu beschreiben und somit die auf dem Chip gespeicherten Informationen zu modifizieren.

Moderne RFID-Lesegeräte sind in der Lage, mehrere Transponder gleichzeitig auszulesen. Diese Pulkfähigkeit gilt als zentraler Vorteil der RFID-Technologie gegenüber anderen Verfahren zur Identifikation von Objekten – beispielsweise der Identifikation via Barcode.

Um RFID-Lesegeräten die Kommunikation mit mehreren Tags zur gleichen Zeit zu ermöglichen, wurden verschiedene Antikollisionsverfahren entwickelt, bei denen den Transpondern beispielsweise verschiedene Zugangszeiten oder Frequenzen zugewiesen werden. Das soll eine Überlagerung der Signale zu verhindern.

Bei einem RFID-Transponder handelt es sich um ein Funk-Kommunikationsgerät, das eingehende Signale aufnimmt und automatisch beantwortet. Die Bezeichnung Transponder ist eine Kombination der englischen Begriffe Transmitter (Überträger) und Responder (der Antwortende). Die kleinsten Bauformen sind nur wenige Millimeter groß. Man unterscheidet folgende Arten von Transpondern:

• passive
• aktive
• semiaktive

Grundbestandteile eines jeden RFID-Transponders sind ein Mikrochip und eine Antenne (in der Regel in Form einer Spule). Der Mikrochip eines handelsüblichen Transponders bietet je nach Bauart eine Speicherkapazität von wenigen Bit bis hin zu mehreren Kilobyte. Die Speicherkapazität reicht je nach Variante für eine einzelne Zahlenreihe, die als eindeutige ID der Identifikation des Chips dient, bis hin zu Datensätzen im Umfang von mehreren Schreibmaschinenseiten.

Zusammen mit einer gedruckten, gelegten oder geätzten Antenne bildet der RFID-Chip das sogenannte Inlay. Dieses ist hochempfindlich und nur bedingt belastbar. RFID-Inlays werden daher meist laminiert – beispielsweise bei selbstklebenden Etiketten (Smart Label): sogenannte RFID-Tags (englisch. für Etikett, Anhänger oder Schildchen). Soll der Transponder stärkeren Belastungen standhalten, kann die Elektronik in eine Plastikkarte integriert oder mit einem Kunststoffgehäuse geschützt werden.

Handelt es sich um einen passiven oder semiaktiven Transponder, erzeugt der ausgelesene RFID-Chip selbst kein elektromagnetisches Feld. Stattdessen wird das Wechselfeld des Lesegeräts modifiziert, um die abgefragten Daten zu übertragen. Aktive Transponder sind mit einem eigenen Sender ausgestattet.

• Passive RFID-Transponder verfügen weder über eine eigene Energiequelle noch sind sie in der Lage, eigenständig Signale zu senden. Der Mikrochip eines passiven Transponders wird bei der Kopplung mit dem Lesegerät über einen (in der Regel integrierten) Kondensator vorrübergehend mit Strom versorgt. Die Kopplung erfolgt in den meisten Fällen durch Induktion.
   
• Aktive und semiaktive RFID-Transponder verfügen über eine Energiequelle in Form einer Stützbatterie und sind daher etwas größer. Bei passiven RFID-Transpondern ist die Datenübertragung auf wenige Meter beschränkt. Aktive und semiaktive Transponder erweitern die Reichweite eines RFID-Systems auf mehrere Hundert Meter. Die Kopplung erfolgt per Induktion oder elektromagnetisch.

Bei handelsüblichen RFID-Systemen kommen Sendefrequenzen der lizenzfreien ISM-Frequenzbänder zum Einsatz, die von Hochfrequenzgeräten in Industrie, Wissenschaft und Medizin sowie im häuslichen Bereich kostenfrei und ohne Genehmigung genutzt werden können. Man unterscheidet zwischen RFID-Systemen, die in den Frequenzbereichen Low Frequency (LF), High Frequency (HF), Ultra-high Frequency (UHF) und Super-high Frequency (SHF) arbeiten. Diese unterscheiden sich hinsichtlich Reichweite und Übertragungsrate erheblich. Ein internationaler RFID-Standard, der die Verwendung bestimmter Frequenzen vorschreibt, existiert nicht.

• Low Frequency, LF (Niedrigfrequenz): Bei LF-RFID-Systemen kommen Langwellen im Frequenzbereich zwischen 125 kHz und 135 kHz zum Einsatz. Realisierbare Leseabstände liegen deutlich unter einem Meter. Die Übertragungsrate ist vergleichsweise gering. In Anwendungsbereichen wie der Produktion, Montage oder Zugriffskontrolle sowie bei der Tierkennzeichnung haben sich RFID-Systeme mit einer Frequenz von 125 kHz etabliert. Passive RFID-Transponder im Niedrigfrequenzbereich werden durch induktive Kopplung mit Energie versorgt.
   
• High Frequency, HF (Hochfrequenz): HF-RFID-Systeme nutzen Kurzwellen mit einer Arbeitsfrequenz von 6,78 MHz, 13,56 MHz oder 27,125 MHz und zeichnen sich durch eine hohe Übertragungsrate aus. Der Maximale Lese- bzw. Schreibabstand beträgt bis zu 3 Meter. HF-Transponder kommen mit weniger Antennenwindungen aus. Das ermöglicht kleinere Bauarten. Für Smart-Labels in der Logistik hat sich eine Frequenz von 13,56 MHz weltweit als Standard etabliert.
   
• Ultra-high Frequency, UHF (Ultrahochfrequenz): RFID-Systeme im UHF-Bereich ermöglichen eine hohe Reichweite und Übertragungsgeschwindigkeit. Der maximale Lese- bzw. Schreibabstand beträgt 10 Meter. Bei Systemen mit aktiven Transpondern ist eine Reichweite von bis zu 100 Metern möglich. Aufgrund der geringen Wellenlänge genügt ein Dipol als Antenne. In Europa hat sich ein Frequenzbereich um 868 MHz für UHF-Transponder als Standard durchgesetzt. Die in den USA übliche Frequenz von 915 MHz ist ein Europa für RFID-Systeme nicht zugelassen. Gebäudeteile, Gegenstände und andere Hindernisse führen zu einer signifikanten Dämpfung und Reflexion von UHF-Wellen.
   
• Super-high Frequency, SHF (Mikrowellen): Mit Frequenzen von 2,45 GHz und 5,8 GHz kommen auch ISM-Bänder im Mikrowellenbereich im Rahmen der RFID-Technik zum Einsatz. RFID-Systeme im SHF-Bereich zeichnen sich durch eine sehr hohe Übertragungsrate aus. Die Reichweite passiver SHF-Transponder beträgt bis zu 3 Metern, mit aktiven Transpondern lassen sich Distanzen von bis zu 300 Metern überbrücken. Wie UHF-Wellen werden auch Mikrowellen durch physische Hindernisse stark gedämpft.

Folgende Tabelle bietet eine Übersicht über die in RFID-Systemen verwendeten Frequenzbänder und deren Eigenschaften.

Die Kopplung von Lesegerät und Transponder Erfolg in der Praxis durch eines der folgenden Verfahren.

• Close-Coupling: Close-Coupling-Systeme werden so implementiert, dass der maximale Abstand zwischen Lesegerät und Transponder maximal einen Zentimeter beträgt. Dies ist prinzipiell in allen Frequenzbereichen möglich. Die Datenübertragung erfolgt meist via Induktion. Zum Einsatz kommen entsprechende Systeme in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen. Klassische Anwendungsfelder sind das kontaktlose Bezahlen mit Chipkarte oder die Authentifizierung an Schließanlagen. Aufgrund der geringen Distanz genügen passive Transponder.
   
• Remote-Coupling: Das Remote-Coupling-Verfahren ermöglicht eine Datenübertragung mit einer Distanz von bis zu einem Meter. Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Kopplung in der Regel induktiv. Übliche Frequenz sind 135 kHz (LF) oder 13,56 MHz (HF). Auch beim Remote-Coupling-Verfahren kommen passive Transponder zum Einsatz. Das Übertragungsverfahren bietet sich im Lager und Logistikbereich sowie bei der Industrieautomatisierung an.
   
• Long-Range-Systeme: RFID-Systeme im Long-Range-Bereich arbeiten in der Regel im Ultrahochfrequenzbereich (868 MHz bzw. 915 MHz) und bieten einen Lese-/Schreibabstand von mehreren Hundert Metern. Long-Range-Systeme im Mikrowellenbereich sind bisher noch im Entwicklungsstadium. Um eine möglichst hohe Reichweite zu ermöglichen, kommen aktive RFID-Transponder mit eigener Energieversorgung zum Einsatz. Ein potenzielles Anwendungsfeld für Long-Range-Systeme ist die Fahrzeugidentifikation im Rahmen von Mautsystemen.

Die Grundfunktion eines RFID-Systems ist die Identifikation eines Transponders durch Auslesen der eindeutigen ID. Bei komplexeren Anwendungsszenarios kommen beschreibbare Transponder zum Einsatz. Man unterscheidet in diesem Zusammenhang drei Transpondertypen:

• Read-only: Die einfachsten RFID-Transponder werden einmalig von Hersteller beschrieben und können anschließend beliebig oft ausgelesen werden. Ein Hinzufügen, Überschreiben oder Löschen von Informationen ist nachträglich nicht mehr möglich.
   
• Write once, read many (WORM): WORM-Transponder werden vom Hersteller unbeschrieben ausgeliefert und können von Anwendern einmalig mit Daten bestückt werden. Diese lassen sich anschließend beliebig oft auslesen.
   
• Read and write: RFID-Transponder dieser Kategorie sind wiederbeschreibbar. Dies ermöglicht beliebig viele Schreib- und Lesezugriffe, bei denen Daten hinzugefügt, verändert oder gelöscht werden können. Bei Bedarf lässt sich der Schreibzugriff auch bei diesem Transponder-Typ einschränken.

RFID-Transponder lassen je nach Bauart mit diverse Zusatzfunktionen ausstatten.

RFID-Tags, die mit einem sogenannten „Kill-Code“ ausgestattet sind, werden nach dem Empfang eines bestimmten Signals permanent deaktiviert. Diese Funktion bietet sich unter anderem bei der RFID-gestützten Warensicherung an und verhindert, dass mit Transponder ausgestattete Produkte auch außerhalb der Geschäftsfläche angesprochen und ausgelesen werden können.

Werden auf RFID-Chips sensible Informationen gespeichert, beispielsweise Zugangscodes für Schließsysteme oder Bankdaten, bietet sich eine Verschlüsselung an. Darüber hinaus werden Transponder-Chips mitunter so programmiert, dass die Kommunikation mit dem Lesegerät ein geheimes Passwort erfordert. Entsprechende Transponder prüfen dann zunächst die Identität des Lesegeräts, bevor sie diesem Lesezugriff auf den Speicher gewähren.

RFID-Systeme kommen heute vor allem in der Logistik und im Einzelhandel zum Einsatz. Anwendungsmöglichkeiten bieten sich außerdem in der Produktion, im Waren- und Bestandsmanagement, bei der Fahrzeugidentifikation, im Kampf gegen Produktpiraterie oder bei der Tierkennzeichnung. Verbraucher kommen mit RFID-Technik häufig im Rahmen bargeldloser Bezahlsysteme in Kontakt. Gängig ist der Einsatz von RFID-Transpondern zudem bei der Arbeitszeiterfassung und bei elektronischen Schließanlagen. Integriert in Personalausweise und Reisepässe dienen RFID-Chips zudem der Identifikation von Personen.

In der Logistik wird die RFID-Technologie als Alternative zum Barcode genutzt. RFID-Transponder ermöglichen eine eindeutige Identifikation der Ware über die gesamte Lieferkette hinweg und somit die transparente Rückverfolgung des Warenflusses. Zentrale Anwendungsfelder sind die Bewegungsverfolgung, Objektidentifikation und Warenlokalisierung. Möglichkeiten der Prozessoptimierung durch RFID bestehen zudem im Bereich der Inventur, beim Behältermanagement und bei der Qualitätskontrolle – beispielsweise bei der Überwachung der Kühlkette. Gängig sind Remote-Coupling-Systeme. Dabei werden die Transponder meist direkt an der Warenverpackung oder der Transportpalette befestigt. Das Auslesen erfolgt durch Handlesegeräte sowie durch Sensoren – beispielsweise in Türrahmen oder Gabelstaplerzinken.

Nicht nur im Einzelhandel, sondern auch im Bibliothekswesen haben sich RFID-Tags im Rahmen des Waren- und Bestandsmanagements bewährt. Ein Vorteil der RFID-Technologie gegenüber herkömmlicher Erfassungssysteme via Barcode ist die Möglichkeit, mehrere RFID-Transponder per Pulk-Erfassung gleichzeitig auszulesen. Dies macht man sich beispielsweise bei der Buchrückgabe in Bibliotheken zunutze. Pulk-Erfassung ermöglicht es, alle Bücher eines Stapels eindeutig zu identifizieren, ohne dass dafür jedes Buch einzeln gescannt werden muss. Auch auf Verkaufsflächen bietet sich der Einsatz von RFID-Systemen an – beispielsweise, um den Warenfluss nachzuzeichnen, Nachbestellungen zu automatisieren oder das Mindesthaltbarkeitsdatum verderblicher Produkte zu überwachen. Flächendeckend umgesetzt wurde dies im Einzelhandel bisher jedoch noch nicht – unter anderem aus datenschutzrechtlichen Gründen.

Im Einzelhandel kommen RFID-Systeme sowohl in der Warenwirtschaft als auch im Bereich der Warensicherung zum Einsatz. Eine weite Verbreitung hat die RFID-Technik in der Textilindustrie. Dabei werden RFID-Transponder als flexible Etiketten in Kleidungsstücke eingenäht oder anderweitig an diesen angebracht. RFID-Tags zur Warensicherung werden in der Regel bereits im Produktionsprozess integriert und sind daher unauffälliger, effizienter und kostengünstiger als andere Verfahren zur elektronischen Warensicherung. Bei Datenschützern stehen RFID-basierte Warensicherungssysteme allerdings in der Kritik, da entsprechende Chips in Produkten auch nach dem Erwerb durch den Kunden noch ausgelesen werden können.

Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz von RFID-Systemen im Rahmen der Produktion bieten sich sowohl im Bereich der Waren- und Materialverfolgung als auch bei der Automatisierung von Produktionsstraßen. Der Einsatz von RFID-Technologie zielt dabei nicht nur auf eine Beschleunigung der Produktionsprozesse ab, sondern auch auf Arbeitsplatzsicherheit und Qualitätskontrolle. Die Grundidee ist, dass jedes Produkt(-teil) mit einem Chip versehen wird, der dieses nicht nur eindeutig identifiziert, sondern auch Informationen zur Verarbeitung, Montage, Wartung oder Entsorgung bereitstellt. Die RFID-Technologie gehört zusammen mit IoT (dem Internet of Things) zu den Grundbausteinen einer Smart Factory gemäß der Vision Industrie 4.0.

Ein mögliches Anwendungsfeld für RFID-Systeme im Long-Range-Bereich ist die Fahrzeugidentifikation – beispielsweise im Rahmen von Zugangskontrollen, Mautsystemen, Geschwindigkeitsmessungen, Car-Sharing-Angeboten oder bei der Parkraumbewirtschaftung. Kfz-Kennzeichen mit RFID-Chip (sogenannte e-Plates) könnten eine Alternative zur kamerabasierten Kennzeichenerfassung sein oder diese ergänzen. Auch das Bezahlen an Tankstellen oder Mautstationen ließe sich über den RFID-Chip im Kennzeichen quasi im Vorbeifahren abwickeln.

Im Kampf gegen Produktpiraterie könnte die RFID-Technik Alternative oder Ergänzung zu anderen Sicherungsmaßnahmen – wie optischen Hologrammen oder Seriennummern – sein. Gängig ist eine Markenkennzeichnung, bei der passive RFID-Transponder bereits während der Herstellung unauffällig ins Produkt integriert werden. Solche Chips ermöglichen es, Markenprodukte über die gesamte Lieferkette hinweg eindeutig zu identifizieren, bei Bedarf zu verifizieren und somit die Echtheit des Artikels auszuweisen. Kommt ein pulkfähiges RFID-System zum Einsatz, ist eine schnelle Verifikation selbst großer Warenmengen mit geringen Aufwand möglich. Um einer Fälschung der auf dem Transponder-Chip gespeicherten Informationen vorzubeugen, sollten Verschlüsselungsverfahren genutzt werden. Auch eine Prüfung durch den Endverbraucher – beispielsweise mit dem Smartphone – ist denkbar.

Im Rahmen der Tierkennzeichnung kommen RFID-Transponder in Form von Glas-Injektaten zum Einsatz, die mithilfe eines Applikationsgeräts direkt in den Körper des zu kennzeichnen Nutz- oder Haustieres eingebracht werden. Die RFID-Technik bietet sich hier als Alternative zu Halsbändern oder Ohrmarken an.

RFID ist die zugrundeliegende Technologie für das kontaktlose Bezahlverfahren via Chipkarte oder Smart-Device. Die Datenübertragung erfolgt aus Sicherheitsgründen im Rahmen eines Close-Coupling-Verfahrens. Als internationaler Übertragungsstandard hat sich die sogenannte Nahfeldkommunikation (Near Field Communication, NFC) etabliert. Zu den gängigsten bargeldlosen Bezahlverfahren via NFC zählen Girogo, Paypass, Visa PayWave, Apple Pay und Google Pay.

Weit verbreitet sind RFID-Systeme im Rahmen der Zeiterfassung – beispielsweise als Ersatz für Stempelkarten-Systeme zur Erfassung der Arbeitszeit. Statt sich einzustempeln, halten Arbeitnehmer lediglich ihren Transponder vor ein entsprechendes Terminal, um Arbeitsbeginn, Ende oder Pausenzeiten registrieren zu lassen. Die Daten werden dann von einem EDV-System im Hintergrund ausgewertet und als Arbeitszeitkonto mit Plus- oder Minusstunden aufbereitet. Auch im Sportbereich ist eine Zeiterfassung via RFID üblich. Entsprechende Transponder werden beispielsweise an den Laufschuhen von Leichtathleten, an Rennrädern oder Sportwagen angebracht, um das Eintreffen im Ziel möglichst genau zu erfassen.

In Form von Schlüsselanhängern oder Chipkarten ermöglichen RFID-Transponder eine Identifizierung an elektronischen Schließanlagen. Diese Art der Zutrittskontrolle hat einen großen Vorteil gegenüber schlüsselbasierten-Verfahren. Verliert ein Mitarbeiter seinen Transponder, muss lediglich dessen ID gesperrt werden. Der kostenintensive Austausch des Schlosses, wie er bei einem Schlüsselverlust erforderlich ist, entfällt. RFID-basierte Sicherheitskontrollen zur Benutzerauthentifizierung sind auch beim Zugriff auf Arbeitsplätze, Geräte, Werk- oder Fahrzeuge denkbar.

Auch Ausweisdokumente lassen sich durch RFID-Technologie um Funktionen für ein einfaches elektronisches Auslesen von Personendaten erweitern. In Deutschland ist der Reisepass seit 2005 standardmäßig mit einem RFID-Chip ausgestattet. In den deutschen Personalausweis ist ein solches Tag seit 2010 integriert. Zukünftig ist eine Applikation entsprechender Identifikations-Chips unter die Haut des Menschen denkbar. Diese könnten nicht nur Personaldaten zur Verfügung stellen, sondern auch lebensrettende Notfallinformationen wie Allergien und Unverträglichkeiten, Vorerkrankungen oder Medikationen.

Vor- und Nachteile von RFID-Systemen werden meist unter Berücksichtigung der anderen Verfahren zur kontaktlosen Identifikation diskutiert. Bei den oben genannten Anwendungsbereichen können statt RFID-Systemen oft auch solche Verfahren zum Einsatz kommen, die eine optische Identifikation mithilfe von Bar- oder QR-Code ermöglichen. Im Vergleich lassen sich folgende Vor- und Nachteile der RFID-Technologie herausstellen.