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1 RFID UHF pour l'identification et la traçabilité des objets Jean-Marc Laheurte Professeur à l’Université Paris-Est Séminaire TELECOM ParisTech du 10 janvier 2013

RFID UHF pour l'identification et la traçabilité des objets · 2,4 2 W erp 0,5 0,1 865 868 869,5 902 928 MHz 302 208 300 220 FCC Part 15 EU US 2 Werp LBT 15 200 kHz 302 208 2,4

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1

RFID UHF pour l'identification et la traçabilité des objets

Jean-Marc LaheurteProfesseur à l’Université Paris-Est

Séminaire TELECOM ParisTech du 10 janvier 2013

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Agenda

� Generalities and Principles� HF versus UHF� UHF Spectrum regulations� Back Scattering Modulation and Maximum Read Range� UHF antennas (860-960 MHz)� Propagation, absorption, detuning issues� EPC Gen2 protocol

�Integrated circuit – Memory�Coding and Modulation�Anticollision algorithms

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3

RFID Principles

TagID:1234567

HOST

Chip

TagAntenna

Inlay

Packaging

Reader Antenna

Reader

chipantenna

HF Tag

chip

antenna

UHF Tag

RFID = Radio Frequency IDentification

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4

� Uses radio frequency transmission in either, inductive near field or radiating far field .

RFID Principles

� Data is stored in a chip connected to an antenna

� Ability to automatically identify multiple objects without line of sight.

� Tags can be passive, semi-passive oractive, with or without security.

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5

� Different Frequencies are used : LF , HF, UHF…..

RFID Principles

� Could replacethe bar code !!! � Simultaneous reading of a large number of tags

� Tag does not need to be within line of sight of the reader

� Tag may be embedded in the tracked object

� Used for many applications in a growing number of markets world-wide.

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AnimalIdentification

IndustrialIdentification

TextileLogistic

BaggageLogistic

PharmaceuticalIdentification

RFID Applications

Library

� Real-time inventory and stock control� Supply chain management

(fashion, retail, pharmaceuticals)� Libraries� Rental� Animal ID

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Les métiers de la RFID

LF/HF/UHF readers

Inlay

manufacturer

Chip manufacturer

/designer

Infrastructure,

RFID stations

Label

manufacturer

Supervision

Communication

Installation

Maintenance

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Market Potential

Estimated value share of RFID market in 2010, by region

Global forecast of RFID hardware, middleware and IT market

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HF versus UHF

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Inductive Coupling - Propagation coupling

Near field (HF)

Inductive coupling• Frequencies : LF (125 kHz) and HF (13,56 MHz)• Impedance variation• Loop antennas

Far field (UHF)

Propagation Coupling• Frequencies : UHF (900 MHz) and MW (2,45 GHz)• Backscattered modulation• Dipole antennas

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UHF vs HF (1)

Dipoleantenna

Loopantenna

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Low Frequency (LF): ~125 kHzInductive coupling Data rate 10 kbits/sRW distances: 1m Metal: low perturbations

Water: no perturbations

High Frequency (HF): 13,56 MHzInductive coupling Data rate >=100 kbits/sRW distances: Max: 1m Metal: high perturbations

Water: no perturbations

Ultra High Frequency (UHF): ~900 MHzE-field coupling Data rate >= 256 kbits/sRW distances: up to 10 m Metal: high perturbations

Water: med. perturbations

Micro Wave (MW): ~2,45 GHzE-field coupling Data rate >= 256 kbits/sRW distances: >10m Metal: high perturbations

Water: high perturbations

PropagationCoupling

PropagationCoupling

Inductive Coupling

Inductive Coupling

UHF vs HF (2)

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People Objects

� Access Control

� Security

� Payment

� Passport/Visas

� Transport ticketing

Smart cards, key fobs,…. Labels, Tags

� Laundry

� Library

� Supply Chain

� Logistics

� Luggage

� Apparel

� Traceability

SecurityLimited

Security

Short Range Long Range

Identification

Authentication

Data Security

Identification

Security

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UHF Spectrum regulations

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2,4

2

W erp

0,5

0,1MHz902 928869,5868865

302 208 300 220 FCC Part 15

EU US

2 Werp

LBT

15

200 kHz

302 208

2,4 Werp

Frequency Hopping

52

500 kHz

FCC Part 15

2,4 Werp (high power)12 mWerp (low power)

Radiated power

LBTSynchronization

9 for (high power)14 for (low power)

Channel nb

200 kHzChannel bandwidth

ARIB STD-T89/T90

952 955954

Japan

ARIB STD T89/90

UHF regulation overview

● Listen Before Talk technique: Interrogators are only permitted where they employ frequency agile techniques● Only 10 sub bands – likely to be many more readers than that in same radio ‘space’ ⇒ Real risk of system degradation and data loss if these sub-bands are not used responsibly.

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1. Very low listen threshold (-96 dBm)► in free space, a reader transmitting at 2W will be detected by another reader at a

range of 78 km!► sharing channel is thus almost impossible in a same area

2. The Transmit spectrum mask defines spurious emissions at -36 dBm► this spurious level is not compatible with the listen level of -96 dBm► readers in 2 adjacent channels must be spaced by 30 m

3. The channel spacing is reduced to 200 kHz limiting the uplink data rate

Conclusions► performances with the current 302 208 regulation are very limited► a task group (TG34) is updating the regulations● Limitation of 4 to 5 readers transmitting at the same time● Time multiplexing by “global listen” or by “radio communication” between readers

ETSI EN 300 208 limitations

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Back Scattering Modulation

and Maximum Read Range

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Tag

The reader sends commands & energy to the tag via pulse amplitude modulation.

Reader

The chip in the tag is powered

Reader/tag data exchange (UHF)

The tag sends responses to the reader via backscatter modulation.

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The tag changes its impedance by switching on and off a resistor (or a capacitor).This impedance variation will change the tag reflections seen by the reader antenna, ,i.e., the tag RCS=Radar Cross Section

Maximumreflection

Partialabsorption

BackscatteredModulation

Backscattering concept (UHF)

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Reader with linear polarized antenna

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Reader with circular polarized antenna

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FRIIS Formula applied to RFID

Peirp = Pe * Ge (dBi)

GLabel

Reader LabelPe, Ge R Pchip, G1abel

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23

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24

24

Active tag

Battery for chip

powering & RF

Transmission

Emits its

own signal.

Semi-passive=

Battery assisted

Up to 50 m !

RF Chip

powering +

backscattering

Up to 10 m !

Passive tag

Battery for chip powering only, RF

transmission from tag to reader is

backscattering

Up to 200 m!

Price � with reading distance

Active vs passive

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UHF antennas (860-960 MHz)

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Chip equivalent circuit

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Example of UHF RFID chip:Monza 4 Impinj

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Impedance matching

ca

*ca

ZZ

ZZ

+−=Γ

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Adaptation de l’impédance IC à l’impédance antenne via un transformateurd’impédance associant inductance série et inductance parallèle

Connexion directe de la puce à l’antenne

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Lsérie

Lshunt

ZA Zic

ZA ramené

On veut: ZA ramené = Z*ic

Z*ic

Zic

ZA

Lsérie

Lshunt

• ZA = résonance série du dipole (quelques dizaines d’ohms et réactance faible) ⇒ A priori à l’INTERIEUR du cercle Re(Zic)=constante car valeur faible⇒ validité du transformateur d’impédance proposé.

Principe de l’adaptation

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Near-field and far-field elements

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32

Examples de tags UHF à connexion directe

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Read range (in meters)

Loop resonance Dipole resonance

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Propagation, absorption, detuning issues

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In PhaseIn Phase

OppositeOpposite

PhasePhase

ConstructiveConstructive

InterferenceInterference

DestructiveDestructive

InterferenceInterference

Multipath effects (1)

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Multipath effects (2)

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37

0 %

Tags detected

100 %

Antitheft Mobile inventory

Permanent inventory

Roll90 %

Static readingDynamic reading

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38

38

UHF HF

Detection ofthe tag

The tag is NOT read!!

Working power(dB)

Frequency[Hz]

900 M750 MStandard UHF Tag tuned at 900 MHZplaced in water.Range : ≈0 m

Attenuation≈ -40 dBDetuning : [900�750]MHZ

Standard UHF Tag tuned at 900 MHZPlace in theair .Range : 8m

Environmental constraint

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39

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000

Frequency (MHz)

Th

resh

old

po

wer

on

Tag

(d

Bm

)

Air PTFE PC PET PU/PUR CARP

UHF RFID Inlay: Material Detuning Effect

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Label position

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EPC Gen2 protocol

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• EPC Global

● Not-for-profit organization entrusted by industry to establish and support the Electronic Product Code (ePC).

● Develop a global standard for immediate, automatic, and accurate identification of any single item in the supply chain of any company, in any industry, anywhere in the world. The tag is only a token to access distributed and replicated data bases.

● EPC Global Generation 2 (new global protocol available since december 2004)

• ISO 18 000 – Part 6 (International Standard Organization)

Information technology - Radio frequency identification (RFID) for item managementType C (same as EPC Global Gen2, RTF protocol)

UHF RFID Standard: EPC Gen2

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EPC Gen2 protocol

Integrated circuit - Memory

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Gen2 Block Diagram

+ data encoder + clock extractor

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Memory types and Gen2 operations

Read Only (RO)Data (ID) are burned into the tag at factory ⇒ can never be changed

Write Once Read Many (WORM)Data generally written into tag at point of application ⇒ when encoded, cannot be reprogrammed

Read Write (RW)Data may be written, erased and rewritten into memory in field

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� UID = Unique IDUnique ID, usually read only similar to the MAC address of a network card.

� EPC memory = Electronic Product CodeWritable 96 bits EPC code similar to barcode

� EAS = Electronic Article SurveillanceSecurity bit implemented on some chips

� AFI = Application Family IdentifierByte used to categorize the tag by application

� Write accessByte used to store the ACL (Access Control List) of the user memory

� Passwords to kill the tag or read/writeDifferent 32 bits passwords used by the tag. If unused, bits are zero

� User memoryStructure and size depends on the chip - up to a few kb

Memory zones

Not everything below is implemented usually:

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47

Delivery types

NXP Ucode

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48

Flip Chip Assembly

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49

EPC Gen2 protocol

Coding and Modulation

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50

Reader-to-Tag communications

ModulationASK: can be detected with a simple envelope detector

Data CodingPulse interval encoding (PIE)

● Ensures a constant RF energy from the reader to power the tag chip.

� Double-sideband amplitude shift keying (DSB-ASK)• Simple, but not spectrally efficient

� Single-sideband amplitude shift keying (SSB-ASK), • More complex (requires a IQ modulator)• More spectrally efficient

� Phase-reversed amplitude shift keying (PR-ASK)• Reduces the width of the spectrum

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51

Reader-to-Tag: PIE encoding

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52

Tag-to-Reader: FM0 or Miller

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53

Subcarrier spectral allocation

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54

Read rate - Bit rate

from 40 kbits/sec(Nominal) to 128 kbits/sec(Maximum throughtput)

from 40 kbits/sec(Nominal) to 80 kbits/sec(Maximum throughtput)

R→→→→TBit rate

from 64 kbits/sec(dense reader) to 640 kbits/sec(Maximum throughtput

from 16 kbits/sec (dense reader) to 160 kbits/sec(Maximum throughtput)

T→→→→RBit rate

Read rate: 1600 tags/sec600 tags/secRead rate

USEU

• Gen2 sometimes needs fast tag reads (Pallets moving through a dock door)• Gen2 sometimes needs slow tag reads (Noisy environments)• Solution: Variable read rates

Few readers

North AmericaCan talk fast

Quiet

Many readers

EuropeNeed to talk slowlyand carefully

Noisy

Communication speed

Environment

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55

EPC Gen2 protocol

Anticollision algorithms

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56

1. Tag power up2. Wait for the reader cmd3. Receive the reader cmd4. Response to the reader

1. Tag power up2. Send ID and data

RTF TTF

Protocol: Reader Talk First vs Tag Talk First

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57

Origine of the collision:A collision occurs when two or more transponders send theirs datas at the same time.

errors

Collisions and Anticollision Algorithm

Anticollision algorithm in EPC Gen2 protocol:Slotted Aloha-based probabilistic algorithm

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58

Simplified Aloha algorithm

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59RN16 (16 bits random number) ≠ Q-bit random value (length L = 2Q− 1)

Slotted Aloha-based probabilistic algorithm

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60

● Slot number of each tag is independently chosen ⇒ collisions happen

● If 2Q− 1 = number of tags in the read area ⇒ minimize collision rate ⇒ maximum system efficiency

Collisions and Q adjustment

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Typical read rate