DAS Fachbuch der RFID-TECHNOLOGIE!

800 Seiten Fachliteratur – Klaus Finkenzeller und 25 Jahre RFID Handbuch

Klaus Finkenzeller und 25 Jahre RFID Handbuch

Als Klaus Finkenzeller, Diplomingenieur der Elektrotechnik/Nachrichtentechnik, 1998 die erste Ausgabe des RFID Handbuchs veröffentlichte, öffnete er eine Tür für eine Nischentechnologie. Damals war er bei G+D (Giesecke & Devrient) als Spezialist und Entwickler von Chipkarten-Technologien beschäftigt.

Heute – 25 Jahre später – blickt er im Interview auf vergangene Epochen der RFID-Technologie zurück und wagt auch den Ausblick auf die Zukunft von Wireless IOT. Seit 2019 ist Klaus Finkenzeller für das bayerische Unternehmen Elatec, in Puchheim bei München, als Innovations Manager tätig.

Interview powered by: the Think WIOT Group and Elatec

1998 erschien die erste Auflage des RFID-Handbuchs. 1998 wurde die RFID-Technologie aber im Gartner Hype Cycles noch gar nicht gelistet. An welche Einschätzungen zur RFID-Technologie erinnern Sie sich, wenn Sie 25 Jahre zurückblicken?

„Die RFID-Technologie wurde zu dem Zeitpunkt bereits zur Tieridentifikation, für einfache Zutrittssysteme, als Skiticket, zur Behälter- und Werkzeugidentifikation und für die elektronische Wegfahrsperre im Kfz eingesetzt. Dennoch galt die RFID-Technologie, anders als die kontaktbehaftete Chipkarte, nicht als Hype-Thema. Ab 1994 standen mit Mifare und Legic zwei Technologien zur Verfügung, welche eine Verschlüsselung der Datenübertragung zwischen Lesegerät und Transponder ermöglichten. Dies wurde als Voraussetzung gesehen, um RFID-Anwendungen mit sensiblen und geldwerten Daten, wie beispielsweise eTickets, realisieren zu können.

1996 habe ich an einem Plenary-Meeting des ISO/IEC Komitees SC17 teilgenommen, welches anlässlich der dortigen Einführung von kontaktlosem Ticketing im öffentlichen Nahverkehr, in Seoul abgehalten wurde. Wir haben damals intensiv an der Entwicklung der beiden Normen ISO/IEC 14443 und 15693 zur Form und Funktionalität von kontaktlosen Chipkarten und der Datenübertragung zwischen Karte und Lesegerät gearbeitet. Kontaktlose Chipkarten sollten, neben anderen Ideen, auch als Ersatz für Papiertickets im ÖPNV eingesetzt werden können. Auch in Deutschland wurden in den 1990-er Jahren bereits vielversprechende Feldversuche zu kontaktlosen Nahverkehrstickets durchgeführt.“

Klaus Finkenzeller und 25 Jahre RFID Handbuch

Das RFID Handbuch wurde in sechs Sprachen übersetzt und ist das bedeutsamste Grundlagenwerk.

1. Wissen Sie, dass Ihr Werk gelegentlich auch als RFID Bibel betitelt wird? Waren Sie sich der Bedeutsamkeit Ihrer Arbeit damals – vor 25 Jahren – bewusst?

Das freut mich natürlich und ehrt mich sehr, vor allem weil in den 90er Jahren die zukünftige Verbreitung und Bedeutung von RFID für niemanden in diesem Ausmaß absehbar war. In der Tat war RFID um 1998 noch eine Nischentechnologie. Es gab kaum Normen, dafür aber viele proprietäre Systeme verschiedener Hersteller. Der Hype um RFID setzte erst in den Jahren nach 2002 ein.

2. Wie kam es vor 25 Jahren zum Start des RFID Handbuchs?

1994 habe ich parallel zur Entwicklung kontaktloser Karten bei G+D, mit der aktiven Mitarbeit in zwei Normungsgremien beim Deutschen Institut für Normung (DIN) begonnen. Beide beschäftigten sich mit kontaktlosen Datenträgern für die Short Range Kommunikation in den Frequenzbereichen 13,56 MHz und 125 kHz.

Die Gruppe NIA17.k arbeitete an kontaktlosen Chipkarten und begann damals mit der Entwicklung der Normen ISO/IEC 14443 und ISO/IEC 15693, während NIA31.4 stark auf Tags für Logistikanwendungen bei 125 kHz ausgerichtet war. Durch meine frühe Mitarbeit in Normungsgremien und den damit verbundenen Kontakten zu Fachkollegen, hatte ich einfacheren Zugang zu Fachartikeln und technischer Dokumentation. Das Internet stand für Recherchen ja noch nicht zur Verfügung.

Ich habe damals begonnen, das gesammelte Wissen zu strukturieren, systematisch aufzubereiten und die physikalischen Zusammenhänge zu beschreiben. Ursprünglich hatte ich nicht geplant ein Buch zu schreiben. Erst als die Dokumentation immer umfassender wurde, entschied ich mich dazu, das Wissen in einem Buch zu bündeln, um es auch anderen zugänglich zu machen.

3. War der Verlag von Anfang an im Boot?

Ja, ich habe dem Verlag zu Beginn meiner Arbeit am Buch ein Konzept zugeschickt und sie haben sofort zugesagt. Alle Auflagen sind im Hanser Verlag erschienen, der mich immer hervorragend mit seinem Lektorat und dem Layout unterstützt hat.

4. In welchem Zeitraum ist das Werk realisiert worden?

An der ersten Auflage habe ich ein ganzes Jahr gearbeitet. Ich musste zuerst grundlegend den logischen und didaktischen Aufbau des Buches festlegen. Mit welcher Tiefe erkläre ich die physikalischen Grundlagen, um Einsteigern in die Technologie die Grundlagen zu vermitteln? Darauf habe ich in der ersten Auflage viel Mühe verwandt.

Derselbe Zeitaufwand ist tatsächlich auch für jede weitere Auflage in das Buch geflossen, wenn auch aus anderen Gründen. Das Kapitel zur Normung ist beispielsweise ziemlich komplex geworden. Das NFC-Kapitel habe ich für die achte Auflage komplett überarbeitet. Somit ist das Buch von etwa 300 Seiten im Jahr 1998 auf 800 Seiten in 2024 angewachsen.

5. Welche Wegbegleiter haben Ihre Arbeit an dem Buch damals unterstützt und sich eingebracht?

Bei den ersten fünf Ausgaben bin ich der alleinige Autor. Bei der sechsten Ausgabe habe ich dann erstmals Co-Autoren mit an Board geholt. Die RFID-Technologie war mittlerweile ein so weites Feld, dass es für eine Einzelperson einfach nicht mehr möglich war, alle Themen in der nötigen fachlichen Tiefe abzudecken. An der Überarbeitung zur aktuellen achten Auflage haben Josef Preishuber-Pflügl und Michael E. Wernle aktiv mitgewirkt.

Ticketing und Bezahlvorgang

Chipkarten eröffnen seit den frühen 1990ern unzählige Möglichkeiten für RFID-Anwendungen. Applikationen mit kontaktlosen Mikroprozessoren galten aber noch als unrealistisch.

1990 bereits vier Millionen kontaktlose Bustickets!

1. Herr Finkenzeller, wann lernten Sie die RFID-Technologie zum ersten Mal kennen?

Den ersten Kontakt mit RFID hatte ich 1992, bei einem Besuch der Salzburger Firma Skidata. Das Unternehmen arbeitete damals an einer Uhr mit einem integrierten RFID-Tag. Die Uhr sollte das händische Ski Ticket ersetzen. Ab 1994 war ich dann bei G+D mit der Entwicklung kontaktloser Chipkarten im Frequenzbereich 13,56 MHz befasst.

Zu dem Zeitpunkt stand die Mifare-Technologie kurz vor der Markteinführung. Das Highlight unserer Entwicklung war eine kontaktlose Chipkarte für Lufthansa, die auch vor über 25 Jahren schon einen Mifare-RFID-Chip, einen Magnetstreifen sowie eine Hochprägung besaß.

2. Haben Sie das Potenzial der Technologie Mitte der 90er Jahre bereits erkannt oder eher die physikalischen Begrenzungen der RFID-Technologie als möglichen ‚Show Stopper‘ gesehen?

Weder noch. 1994 war die Technologie für mich ebenfalls noch neu. Ich habe mich daher intensiv mit der Technologie auseinandergesetzt und wollte die physikalischen Zusammenhänge verstehen. Unser Ziel bei G+D war die Serienproduktion kontaktloser Chipkarten.

Zu dem Zweck testeten wir damals bereits gedruckte Silberleitpasten. Gedanklich waren wir zu dieser Zeit noch sehr in der Chipkartenwelt. Dazu muss man wissen, dass G+D 1979 die weltweit erste Chipkarte im Labor mit den Abmessungen im Scheckkartenformat ID-1 gemäß ISO/IEC 7810 entwickelt hatte.

3. Haben Sie damals schon an Karten mit Mikroprozessoren gearbeitet?

Die Möglichkeit, Smart-Card-Chips mit Prozessoren einzusetzen, haben wir in den frühen 90-er Jahren für ISO/IEC 14443 noch als unrealistisch eingestuft. Zu dieser Zeit galt die Vorstellung von kontaktlosen Mikroprozessoren aufgrund ihres Energiebedarfs als nicht umsetzbar.

Daher wurde zeitweise ein eigener Standard ISO/IEC 10536 (Close Coupling Smartcards) entwickelt, welcher mit einem kontaktlosen Einsteckleser die nötige Energie zur Verfügung stellen sollte. Innerhalb weniger Jahre ist die Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie aber so rasch vorangeschritten, dass schon um die Jahrtausendwende die ersten Dual-Interface-Chipkarten auf den Markt kamen.

RFID im ÖPNV

Kontaktlose Chipkarten wurden schon in den frühen 1990ern als Weg gesehen, um die schlechte finanzielle Situation der Verkehrsbetriebe im öffentlichen Personenverkehr mit elektronischem Fahrgeld zu verbessern. In Deutschland nahmen Verkehrsbetriebe in Lüneburg und Oldenburg bereits 1990 und 1991 ein Chipkartensystem in Betrieb, das alle Fahrdaten sammelt und für die zurückgelegten Strecken im Nachhinein das preisgünstigste Ticket ermittelt.

Seoul in Korea verfügt seit 1996 über ein System, bei dem zu Fahrtbeginn der Fahrpreis abgezogen wird. Es war das damals weltweit größte kontaktlose Fahrausweissystem, mit etwa 4 Millionen kontaktlosen Bustickets, 3500 Aufladestationen und über 4000 ausgerüsteten Bussen.

Meilensteine der RFID-Technologie

Der US-Amerikaner Dr. Mario Cardullo erhielt 1973 das erste RFID-Patent für die Erfassung von Fahrzeugen, um Mautgebühren zu erheben. In den 1990ern folgten weitere Meilensteine.

Elektronisches Speicherelement (Chip) im Reisepass

Welche Meilensteine waren die bedeutsamsten für die RFID-Technologie?

1994

Die ersten kontaktlosen Chipkarten mit Kryptografie (Mifare, Legic) werden produziert.

1998

Das RFID Handbuch erscheint in der ersten Auflage.

1999

kommen die ersten Dual Interface Mikroprozessorkarten auf den Markt, die sowohl über Kontakte als auch kontaktlos ausgelesen werden können.

2002

ETSI erweitert das Frequenzband für UHF in Europa und erhöht die Sendeleistung auf 4 Watt. Dies ermöglicht in Europa für UHF-RFID erstmals Lese-Reichweiten, die denen in Nordamerika entsprechen.

2002

Near Field Communication (NFC) wird erstmals vorgestellt.

2005

Der elektronische Reisepass (ePass) wird in Deutschland eingeführt.

2012

In der Normierung beginnen Projekte für Cryptograpich Suites (ISO/IEC 2967), um auch UHF-Transpondern sichere Kommunikation zu ermöglichen.

1. Die ersten Auto-ID Center mit dem Ziel der Standardisierung von RFID und EPC haben erst 1999 ihre Grundlagenarbeit aufgenommen. Welche RFID-Standards waren 1998 bereits verabschiedet?

1994 haben wir damit begonnen an ISO/IEC 14443 und 15693 zu arbeiten. Auch das MIT und EPC standen in den 90-er Jahren ganz am Anfang ihrer Aktivitäten. Außerdem betraf die Arbeit von EPC damals vor allem UHF-Tags für die Logistik und den Einzelhandel, sowie die für die Supply Chain notwendige Infrastruktur und Kodierung. Das ist heute aber nur ein RFID-Einsatzbereich von vielen.

Um 1998 gab es zum Beispiel bereits die ISO/IEC 11784 und 11785 zur Tieridentifikation und ISO/IEC 10374 für die Identifikation von ISO-Containern. Die Entwicklung der ISO/IEC 14443 war Ende der 90-er Jahre schon fortgeschritten, wenngleich erst 2001 die ersten vier Teile veröffentlicht waren. Gerade ISO/IEC 14443 legte aber die entscheidende Basis für kontaktlose Kreditkarten, elektronische Reisepässe, Mitarbeiterausweise, Zutrittskarten, und ab den frühen 2000-er-Jahren auch das Fundament für NFC.

2. 1971 entwickelte Intel den 4-Bit Mikroprozessor Intel 4004 und legte damit den Grundstein für „moderne Rechenmaschinen“. Welche Prozessorentwicklung war für die RFID-Technologie grundlegend?

Die ersten RFID-Bausteine basierten auf einfachen fest programmierten Chips, sogenannten State-Machines, die vielleicht noch einen beschreibbaren Speicher, oder später wie Legic und Mifare auch eine Krypto-Engine, hatten. Die Prozessorentwicklung von Intel hat sich darauf aber wenig bis gar nicht ausgewirkt. Eine wesentliche Rolle hingegen spielt die Entwicklung der Halbleitertechnologie.

Durch die stetige Verkleinerung der Strukturgrößen, und damit der Energieaufnahme der Halbleiter, wurde es um 1999 erstmals möglich, Sicherheitsprozessoren in Chipkarten mit einem kontaktlosen Interface zu versehen. Ab diesem Zeitpunkt konnten hochsichere Betriebssysteme (SCOS) für Chipkarten auch kontaktlos angewendet werden. Damit wurde die Grundlage für bankenbasierte Bezahlvorgänge und Ausweisdokumente gelegt.

3. Gegen die Einführung von RFID im Einzelhandel gab es seitens der Konsumenten bereits 2005 Widerstand. Welche Entwicklungen haben zur Akzeptanz für die RFID-Technologie beigetragen?

Mitte der 2000er Jahre hatte der Großteil der Bevölkerung noch nichts davon gehört, wie RFID funktioniert und wo die physikalischen Grenzen liegen. Man dachte, dass die RFID-Tags mit speziellen Lesegeräten über Kilometer weite Entfernungen auslesbar wären. Das erklärt natürlich die Ängste in der Bevölkerung. Aufklärung war notwendig und ich hoffe, dass ich mit dem RFID Handbuch dazu beitragen konnte.

Nach meiner Einschätzung haben die Konsumenten das kontaktlose Bezahlen an der Kasse mit der Chipkarte oder dem Handy als Komfort wahrgenommen und auch akzeptiert. Mit zahlreichen anderen kontaktlosen Applikationen kommen Verbraucher jedoch nach wie vor nicht wissentlich in Berührung. Sie erkennen den technologischen Bezug zur RFID-Technologie nicht. Das gilt beispielsweise für die Tieridentifikation, die Wegfahrsperre, die unscheinbaren UHF-Label am Fluggepäck oder Kleidungsstücken.

Widerstand gegen RFID im Einzelhandel

Der Verein zur Förderung des öffentlichen bewegten und unbewegten Datenverkehrs e.V. (Foe BuD) stemmte sich von 2005 bis 2010 gegen die Einführung der RFID-Technologie im Einzelhandel. Auch der biometrische Reisepass stand in der Kritik, wie das folgende Zitat aus einer Antwort der Bundesregierung vom 9. Dezember 2005 zeigt:

„Die am 1. November 2005 eingeführten neuen Reisepässe mit biometrischen Daten sind nach Medienberichten sowie nach Einschätzung von Datenschützern nicht hinreichend sicher.

Mitglieder des Chaos-Computer-Club führten in der ‚Monitor‘-Sendung vom 3. November 2005 aus, sie bräuchten für das Knacken der Sicherheitscodes ‚allenfalls Wochen‘. Ein Professor, der am Institut für Halbleitertechnik an der Universität Aachen lehrt, erklärte in dieser Sendung, bei den verwendeten RFID-Chips sei eine Schwachstelle eingebaut und es sei ausgeschlossen, dass die angestrebte Haltbarkeit von zehn Jahren erreicht werden könne.“

Zukunftstrends

NFC-Anwendungen werden erst in den kommenden Jahren ihr volles Potenzial entfalten.

1. Herr Finkenzeller, welche Trends sehen Sie für die Weiterentwicklung von RFID-Systemen?

Die Optimierung der Luftschnittstelle gemäß ISO/IEC 18000-63, mit dem Ziel, höhere Datenraten zu übertragen, und eine zentrale Datenspeicherung sind zukunftsweisende Themen, an denen aktuell gearbeitet wird. Es geht dabei um die Spezifizierung von EPC Gen 2v3. Ein weiteres wichtiges Thema ist die Kryptographie für UHF. Dazu gehören Befehle, die exakt für die Anwendungsanforderungen optimiert werden, sowie erweiterte Filteroptionen für Antikollisionsverfahren.

Ein wichtiges Thema ist außerdem die Vernetzung von Lesegeräten mit der Cloud. Die NFC-Technologie ermöglicht diese Konnektivität zwar schon heute durch eine mögliche Verbindung von NFC-Smart-Phones mit der Cloud, das wird meines Erachtens aber noch zu wenig genutzt. Gerade für NFC gibt es aber auch Tags mit Sensoren oder einem Analogausgang, womit Geräte per Touch einfacher zu konfigurieren und zu steuern wären. Geräte, die nur sporadisch eingestellt werden müssen, könnten bei Bedarf am Smartphone konfiguriert und per NFC-Touch programmiert werden.

2. Welche Grenzen sind der Weiterentwicklung gesetzt?

Die Grenzen sind in der Physik und auch in den Regulierungsvorschriften zu suchen. So sind die erzielbaren Reichweiten passiver Transponder im LF- und HF-Bereich ausgereizt. Auch im UHF-Bereich kann die Reichweite nicht unendlich verbessert werden, da das Backscattersignal mit zunehmendem Abstand immer schwächer wird und der Aufwand in den Empfängern irgendwann an seine Grenzen kommt. Die Sendeleistungen sind durch die Regulierung ohnehin gedeckelt.

3. Warum sind Sensortags ein so wichtiges Thema?

Mit Sensortags ist die Trennung zwischen Objektidentifikation und Objektzustandsbeschreibung heute nicht mehr notwendig. Beides kann gleichzeitig stattfinden, zum Nutzen der Anwender. Deswegen denke ich, dass Sensoren in ihrer Bedeutung und Anwendung erst am Anfang stehen.

4. Welche Rolle sehen Sie für NFC in der Zukunft?

NFC spielt eine sehr wichtige Rolle, da sehr hohe Security Levels eingehalten werden und mit klarer, einfacher Interaktion des Users der Datenaustausch initiiert werden kann. BLE ist mühsamer, da zuerst die Verbindung über das Betriebssystem aufgebaut werden muss. Bei NFC gibt es diese Probleme nicht.

Zudem bietet NFC verschiedene Sicherheitskonzepte, wie etwa die Host-BasedCard-Emulation (HCE) und die Einbindung von Secure-Elementen auf Mikro-SD oder in der SIM-Karte an, welche hochsichere Anwendungen erlauben. Beispielsweise für Bezahlvorgänge sind die Anforderungen entscheidend. AppEntwickler werden durch eine gut beschriebene API unterstützt, und darüber hinaus bringt das Handy gleich eine Cloud-Anbindung und ein UserInterface mit.

Das sind beste Voraussetzungen für eine Vielzahl von Anwendungen, zumal das Datenformat NFC Data Exchange Format (NDEF) jederzeit erweitert werden kann. Beispielsweise ist es damit möglich, mit einem NFC-Tag eine bestimmte App auf dem Handy zu starten oder aber über ein digitales oder analoges Interface im NFC-Tag, Geräte zu konfigurieren.

5. Welche Applikationen sind mit RFID-Technologie lösbar, aber aktuell noch nicht umgesetzt? Wo sehen Sie unbeachtetes Potential?

Zum einen natürlich in der Anwendung von NFC und generell der Verbesserung der Cloud-Konnektivität der Lesegeräte. Eine Idee, die mich schon vor 15 Jahren beschäftigt hat, ist die handybasierte Kommunikation mit UHF-Tags. Handys senden in benachbarten Frequenzbereichen zu den 868 und 915 MHz RFID-Systemen und erzeugen ausreichend Leistung, um ein UHF-Tag auf einige Entfernung mit Energie zu versorgen.

Natürlich müsste die Hardware in den Handys um einen Empfangskanal für die Backscatter-Antworten von UHF-Tags erweitert werden. Bis heute wurde das leider nie kommerziell realisiert, obwohl es eine phantastische Ergänzung zum short-range NFC sein könnte.

6. Sehen Sie so etwas wie „peak RFID“, also einen maximalen Wachstumspunkt, für RFID Anwendungen?

Im Moment kann ich diesen Punkt nicht erkennen. Passives RFID und NFC haben den großen Vorteil batterielos zu sein. Auch wenn sich die Technologie hinter dem physikalischen Interface komplett verändern sollte, zum Beispiel durch die Einführung von Polymer-Elektronik oder andere disruptive Technologien als Alternative zu Halbleitern, ändert das nichts am Übertragungsverfahren von RFID.

So gibt es heute bereits den von Kovio entwickelten NFC-Barcode für Transponder auf Basis von Polymer-Halbleitern. Das auch von der Android-API für NFC unterstützte Verfahren verwendet eine vereinfachte Kodierung nach ISO/IEC 14443 zum Übertragen eines fixen Datensatzes.

Das heutige Bild von RFID mag sich radikal verändern, aber das Konzept der Verwendung der Energie des Lesegerätes, für die Datenübertragung in beide Richtungen und bei passiven Transpondern auch zum Betrieb des Chips, ist einfach bestechend. Warum sollte man das so schnell aufgeben?