RFID Media Access

Roland Schneider Betreuer: Christian Flörkemeier

SS 2003

RFID Media Access

1

Überblick ! !

RFID-Technologie Mehrfachzugriffsverfahren (Media Access) ! !

Bekannte Ansätze Verfahren für RFID-Systeme ! !

!

Deterministisches Verfahren Probabilistisches Verfahren

Zusammenfassung

SS 2003

RFID Media Access

2

Passives RFID-System Energie + Daten

RFID-Leser mit Antenne

SS 2003

Daten

RFID Media Access

Transponder (RFID-Tag)

3

RFID-Technologie !

Kontaktlose Datenübertragung ! !

!

Sichtverbindung nicht notwendig Schreib-/Lesedistanz gering

Energieversorgung ! !

SS 2003

passiv: Leser überträgt Energie kontaktlos aktiv: Tag hat eigene Energiequelle

RFID Media Access

4

RFID-Technologie !

Speicher ! !

!

Read-only Read/Write

Übertragungsrate !

SS 2003

gering

RFID Media Access

5

Anwendungen !

Wegfahrsperre ! !

!

Ski-Ticketing !

!

Fahrzeuge sind mit RFIDLesern ausgerüstet Schlüssel enthält RFIDTransponder

Ticket bekommt Zeitstempel

Logistik ! !

Waren mit Tags ausgerüstet Warenkontrolle beim Abladen

Quellen: K. Finkenzeller: RFID-Handbuch; Tibbett & Britten: Sainsbury‘s RFID Trial SS 2003

RFID Media Access

6

Gemeinsamkeiten von Sensornetzen und RFID-Systemen !

Killer Application: Monitoring

!

Event Detection: Presence / Absence

!

Nodes are small, cheap, unreliable

Quelle: K. Römer, Wireless Sensor Networks SS 2003

RFID Media Access

7

Unterschiede zu Sensornetzen Sensornetze ! Knoten-KnotenKommunikation ! Autonome Energieversorgung ! Fortlaufende Erfassung von Sensordaten

SS 2003

Passive RFID-Systeme ! Knoten-LeserKommunikation ! Energieversorgung nur in Lesernähe ! Tag-IDs sind die „Sensordaten“

RFID Media Access

8

Überblick ! !

RFID-Technologie Mehrfachzugriffsverfahren (Media Access) ! !

Bekannte Ansätze Verfahren für RFID-Systeme ! !

!

Deterministisches Verfahren Probabilistisches Verfahren

Zusammenfassung

SS 2003

RFID Media Access

9

Mehrfachzugriff/Antikollision !

!

In RFID-Systemen (sowie in Sensornetzen) benützen mehrere Knoten gleichzeitig das gleiche Medium zur Kommunikation => Kollisionen bei der Übertragung

SS 2003

RFID Media Access

10

SDMA

(Space Division Multiple Access)

!

!

!

Aufteilung des Raumes in Sektoren Alle Knoten senden auf dem gleichen Kanal Die Empfangsstation „hört“ nur Knoten in ihrem Sektor

SS 2003

RFID Media Access

11

FDMA

(Frequency Domain Multiple Access) !

!

!

Aufteilung des Frequenzbandes in mehrere Kanäle Alle Knoten senden gleichzeitig, jedoch auf einem anderen Kanal Der Empfänger hört alle Kanäle gleichzeitig ab

SS 2003

RFID Media Access

12

TDMA

(Time Domain Multiple Access) !

Alle Knoten senden auf dem gleichen Kanal

!

Zu jedem Zeitpunkt sendet nur ein Knoten

!

Oft mit FDMA kombiniert

SS 2003

RFID Media Access

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CDMA

(Code Division Multiple Access) !

!

!

Alle Knoten senden auf dem gleichen Kanal Jedes zu übertragende Bit wird in eine tagspezifische Bitsequenz umgewandelt Empfänger kann aus dem Signal die Daten extrahieren und dem Sender zuordnen

SS 2003

RFID Media Access

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Charakterisierung von RFIDSystemen ! ! ! ! !

Kommunikation ist meist Leser-initiiert Keine Tag-zu-Tag-Kommunikation Leistungsfähigkeit ist beschränkt Dynamik im Lesefeld Hohe Anzahl Tags

Quelle: D. Hush et al, Analysis of Tree Algorithms for RFID Arbitration SS 2003

RFID Media Access

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Eignung für RFID-Systeme !

SDMA !

!

Entspricht dem Einzel-Transponder-Fall

FDMA ! !

Hohe Anzahl an Kanälen erforderlich Komplexere Radiotechnik in den Transpondern und Lesern

Quellen: K. Finkenzeller, RFID-Handbuch SS 2003

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16

Eignung für RFID-Systeme !

TDMA !

!

CDMA ! !

SS 2003

Meist verwendete Technik für Vielfachzugriff-Anwendungen in RFIDSystemen

Komplexere, teurere Technik Wird in RFID-Systemen selten benutzt

RFID Media Access

17

Überblick ! !

RFID-Technologie Mehrfachzugriffsverfahren (Media Access) ! !

Bekannte Ansätze Verfahren für RFID-Systeme ! !

!

Deterministisches Verfahren Probabilistisches Verfahren

Zusammenfassung

SS 2003

RFID Media Access

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Antikollisions-Algorithmen !

Ausgangslage !

Mehrere RFID-Tags im Lesebereich

!

Der Leser will von bestimmten Tags Daten lesen

!

SS 2003

Der Leser fordert alle Tags auf, ihre ID zurückzusenden

RFID Media Access

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Klassische Algorithmen !

Deterministische Verfahren !

!

!

Suche durch den Raum der Identifikationsnummern Tree Search Algorithmus

Probabilistische Verfahren ! !

Tags antworten zu zufälligen Zeiten Slotted Aloha

Quelle: S. Sarma et al, RFID Systems and Security and Privacy Implications SS 2003

RFID Media Access

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Tree Search Algorithmus !

Lesegerät sendet „Request(Interval)“

!

Antwort falls Tag-ID im Intervall

!

Leser teilt Intervall, bis keine Kollision auftritt

!

Dann: Restliche Intervalle durchsuchen

Quelle: K. Finkenzeller, RFID-Handbuch SS 2003

RFID Media Access

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Tree Search Algorithmus !

! !

!

Start an der Wurzel: ! Alle Tags antworten ! => Kollision Linker Teilbaum wartet Rechten Teilbaum untersuchen Tags: ! 111 ! 110 ! 01 ! 00

SS 2003

C (W) WC

C C

(W)WS

S

(W) WZ (W)WS

S

C: Collision S: Single Reply Z: Zero Reply W: Wait RFID Media Access

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Slot-Analyse Ziel: ! Erwartete Erfassungszeit t(n) für alle n Tags: ! !

!

Betrachtung der Tag-ID als binäre Bruchzahl !

!

#Kollisionen + #Zero Replys + #Single Replys t(n) = c(n) + z(n) + n

110 -> 0,110 = ½ + ¼

Suche nach den Zahlen im Intervall [0,1) 0

1

Quelle: D. Hush et al, Analysis of Tree Algorithms for RFID Arbitration SS 2003

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Slot-Analyse • Annahmen • Tags bzw. Zahlen sind gleichverteilt auf [0,1) • Binärer Baum • Level L im Suchbaum => Intervallgrösse = 2-L

Wahrscheinlichkeit, dass sich k Tags in einem bestimmten Intervall befinden: n pk (1 – p)n-k wobei: p = 2-L P(k | n, L)= k L: Level im Suchbaum n: # Tags gesamt k: # Tags in diesem Intervall SS 2003

RFID Media Access

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Slot-Analyse P(k | n, L)=

Zero Reply:

P(0 | n, L) = (1 – 2-L)n

n k

pk (1 – p)n-k

L: Level im Suchbaum n: # Tags gesamt k: # Tags in diesem Intervall

Single Reply:

P(1 | n, L) = n * 2-L * (1 – 2-L)n-1 Collision:

P(k>1 | n, L) = 1 - P(0 | n, L) - P(1 | n, L)

SS 2003

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Slot-Analyse !

!

Knoten wird besucht, falls Vorgänger Kollision verursacht Wahrscheinlichkeit, dass Knoten in Level L Kollision verursacht: !

!

bL = P( k>1 | n, L)

Wahrscheinlichkeit, dass Knoten in Level L besucht wird: qL =

SS 2003

1

falls L = 0

bL-1

falls L > 0 RFID Media Access

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Slot-Analyse !

Erwartete Anzahl besuchter Knoten !

Summieren von qL über alle Knoten in allen Levels ∞

t(n) = 1 +

Σ

∞

2L * qL

L=1

=1+

Σ

L=1

2L * bL-1

bL: WSK Kollision qL: WSK Besuch

∞

=1+2

Σ

2L [ 1 – ( 1 - 2-L)n – n 2-L (1 - 2-L)n-1 ]

L=0

SS 2003

RFID Media Access

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Slot-Analyse 30000

L = 16

25000

Slots

20000

t(n) c(n) z(n)

15000 10000 5000

10

'0 0

0

0 00 9'

0 00 8'

0 7'

00

0 00 6'

0 5'

00

0 00 4'

0 00 3'

0 00 2'

0 00 1'

10

0

0

Anzahl Tags n SS 2003

RFID Media Access

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Tree Search Algorithmus !

Variationen ! !

SS 2003

Bit-Kollisionen erkennen Reduktion der Datenmenge pro Anfrage

RFID Media Access

29

Überblick ! !

RFID-Technologie Mehrfachzugriffsverfahren (Media Access) ! !

Bekannte Ansätze Verfahren für RFID-Systeme ! !

!

Deterministisches Verfahren Probabilistisches Verfahren

Zusammenfassung

SS 2003

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Slotted Aloha !

Leser sendet Request(N) !

!

N = Fenstergrösse (# Slots)

Tags wählen zufällig einen der Slots für ihre Antwort

SS 2003

RFID Media Access

31

Slotted Aloha Zero Reply Single Reply

N=8

Collision Wahrscheinlichkeit Pr, dass Slot mit r Tags besetzt: Pr =

n r

1 N

r

1- 1 N

n-r

N: # Slots n: # Tags

Quelle: H. Vogt, Efficient Object Identification with Passive RFID Tags SS 2003

RFID Media Access

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Beispiel ! ! ! !

Tags n = 500; Tags bleiben im Lesefeld Tags können stumm geschaltet werden Fenstergrösse konstant

SS 2003

RFID Media Access

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Fenstergrösse N = 128 Verbleibende Tags

a0

a1

ak

Erkannte Tags

500

2

10

116

10

490

2

11

115

21

479

2

12

114

33

467

3

13

112

46

162

35

46

47

384

116

51

48

29

432

68

75

41

12

473

27

103

23

2

496

4

124

4

0

500

510 500 1678

ta o T

u R 1 l2

= 21 * 128 = 2688 verbrauchte Slots SS 2003

RFID Media Access

34

en d n

Vergleich 3000

Anzahl Slots

2500

500 Tags

2000

Total Zero Reply Collision

1500 1000 500 0 N = 128

N = 256

N = 512

Fenstergrösse SS 2003

RFID Media Access

35

Fazit !

!

Wahl der Fenstergrösse beeinflusst Erfassungszeit Adaptives Verfahren sinnvoll !

!

SS 2003

Schätzen der Anzahl Tags im Lesefeld anhand der Grössen a0, a1 und ak

H. Vogt: Efficient Object Identification with Passive RFID Tags RFID Media Access

36

Kombiniertes Multiplexverfahren !

FDMA + TDMA = FTDMA

!

Teurere Lösung

!

ISO Standard !

Schritt zur Standardisierung von RFID-Systemen

Quelle: ISO/IEC 18000-3-5, Automatic Identifcation – Part 3 – Anti collision System and Protocol SS 2003

RFID Media Access

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FTDMA

SS 2003

RFID Media Access

38

Fazit !

Höhere Identifikationsrate als TDMA

!

Adaptiver Algorithmus

!

Paralleles Daten-Lesen

SS 2003

RFID Media Access

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Überblick ! !

RFID-Technologie Mehrfachzugriffsverfahren (Media Access) ! !

Bekannte Ansätze Verfahren für RFID-Systeme ! !

!

Deterministisches Verfahren Probabilistisches Verfahren

Zusammenfassung

SS 2003

RFID Media Access

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Wahl des Antikollisionsverfahrens !

Reglementierungen der Frequenzen !

13.56 MHz: ! !

!

Kleine Bandbreite zugelassen Meist Aloha-Algorithmen

915 MHz ! !

Höhere Bandbreite Hauptsächlich deterministische Algorithmen

Quelle: S. Sarma et al, RFID Systems and Security and Privacy Implications SS 2003

RFID Media Access

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Wahl des Antikollisionsverfahrens !

Abhängig von Systemanforderungen ! ! !

SS 2003

Fehlertoleranz Kosten (Energie)

RFID Media Access

42

Zusammenfassung !

Antikollisionsverfahren ! !

!

Hauptsächlich TDMA Teilweise auch FDMA oder Kombinationen

Algorithmen ! !

SS 2003

Tree Search (deterministisch) Aloha (probabilistisch)

RFID Media Access

43