Používané RFID frekvence a jejich vliv na čtení a zápis tagu

Jak je to s nosnými frekvencemi pro RFID? Kolik jich je a jak se mění vlastnosti RFID tagů právě v závislosti na frekvenci, na které komunikují? A jak je to se standardizací RFID pásem z celosvětového pohledu, tedy lze např. v Evropě přečíst tag z Číny či USA? K čemu se hodí UHF RFID? Na tyto a mnoho dalších otázek Vám odpoví následující článek...

Dá se říct, že největší celosvětový problém v oblasti RFID je ne úplně jednotná standardizace komunikačních frekvencí v různých státech či na různých kontinentech. Sice některé frekvence jsou prakticky celosvětovým standardem (hlavně ty v celosvětově uznávaném volném pásmu ISM), ale ty bohužel nevyhovují některým aplikacím, zvláště pokud jde o čtecí vzdálenost způsobenou nejen frekvencí, ale i silně omezeným vysílacím výkonem čtečky tagu (přijímače). Z tohoto důvodu se zvláště pro oblast obchodu a monitorování pohybu zboží uplatňuje více pásmo UHF. A právě zde je problém, protože v různých částech světa jsou jinak mezi služby (komunikace, TV, rádio apod.) rozděleny i frekvence, tedy přesněji frekvenční pásma, a tedy pro potřeby relativně nové služby nebylo všude možné přidělit stejné frekvence. Mimo pásmo ISM a UHF se využívají i další nosné frekvence v kHz i GHz oblasti. O tom, k čemu jsou vhodné RFID tagy jedné či druhé frekvence a jaké mají vlastnosti, je následující článek ...

Z pohledu bezdrátové komunikace RFID se tedy využívá několika různých frekvencí podle toho, jaký má být komunikační dosah, jak může být velká anténa (anténa a příp. baterie hlavně určují velikost tagu), jaký je vliv okolí (voda, kov) a v které části světa se RFID využívá. Obecně se může frekvence RFID systémů pohybovat již od nízkých hodnot 127 kHz, přes prakticky za standard považované, ale dost zarušené volné pásmo ISM okolo 13 MHz, stále populárnější pásmo UHF, až do pásma SHF (až 5,875 GHz). Obecně nejčastěji se využívá frekvence 13,56 MHz příslušící do ISM pásma (Industrial Scientific Medical band), ale v poslední době se stále více začíná využívat pásma UHF (800 až 1000 MHz) hlavně z důvodu vyššího čtecího dosahu. Zde je však problém v tom, že zatímco frekvence 13,56 MHz je již prakticky standardem a je ji možné využívat kdekoliv na planetě, v pásmu UHF platí "jiný kraj, jiný mrav", takže RFID tagy určené například pro USA nelze přečíst v Evropě a obráceně. Každá země totiž má definované a povolené jiné frekvence pro RFID.

Připomenutí principu komunikace RFID čtečky a pasivního RFID transpodéru (RFID tag) - čtečka vyšle silný harmonický signál na nosné frekvenci, ta indukuje v anténě transpodéru dostatečně energie k napájení elektronických obvodů (Data carrier), které v případě tagů s induktivní vazbou (frekvence do 100 MHz) samy generují a vysílají k přijímači modulovaný signál, v případě tagů se zářící/odraznou vazbou (frekvence nad 100 MHz) se pouze mění některý parametr antény čímž je ovlivněna i podoba odraženého signálu a právě v rozdílu vyslaného a odraženého signálu je zakódovaná informace (bity) .

Přehled používaných frekvencí v RFID

Rozdělení RFID podle standardizovaných nosných komunikačních frekvencí:

Nízkofrekvenční LF (typicky 124 kHz, někdy 135 kHz) - čtecí (komunikační) dosah do 0,2 někdy až 0,5 m (dle podmínek).

Vysokofrekvenční HF (13,56 MHz) - čtecí dosah do cca 1 m.

Ultrafrekvenční UHF (celosvětově nejednotná frekvence - typ. rozsah 860 až 960 MHz, např. Evropa 868 MHz, USA a Canada 915 MHz) - čtecí dosah do cca 3 m.

Ultrafrekvenční/mikrovlnná 2,45 GHz - čtecí dosah do cca 2 m.

Mimo výše uvedené standardizované frekvence se však v některých případech (spíše sporadicky) využívají i některé další frekvence ve volném pásu ISM:

vysokofrekvenční 6,78 MHz, 27,125 MHz,
velmi vysokofrekvenční 40,68 MHz, 433 MHz,
mikrovlnné 5,8 GHz a 24 GHz.

Základní přehled běžných a často využívaných frekvencí (common RFID bands) a i méně používaných, ale také se vyskytujících pásem (less-frequent RFID band). Označení induktive / radiative označuje využívaný typ vazby (antény).

Standardní, méně i více využívaná pásma a frekvence pro RFID a používané (povolené) vysílací výkony (H a ERP).

Vlastnosti a použití pasivních RFID v závislosti na komunikační frekvenci

Volba komunikační frekvence závisí nejen na požadovaném čtecím dosahu, ale i také na přenosové rychlosti (rychlosti čtení dat), vlivu okolí na přenos a často také výsledné velikosti RFID čtečky i RFID tagu. Zvláště u tagu jsou minimální rozměry limitovány potřebnou velikostí a typu antény, protože ta je u pasivního RFID tagu mnohonásobně větší než samotná elektronika implementovaná na křemíkovém čipu. Protože rostoucí nosnou frekvencí se zmenšuje i minimální potřebná velikost antény a při přechodu hranice 100 MHz i její typ, bylo by z tohoto pohledu nejlepší využívat co nejvyšší frekvence. Bohužel na nich již nejen elmag. rušení, ale i kov (blízko umístěné kovové časti), voda i pevné překážky znemožňují komunikaci nebo alespoň významně snižují dosah. Také výrobní náklady tagů komunikujících na frekvenci jednotek GHz již jsou hodně vysoké na to, aby je šlo masivně uplatnit. Naopak nízkofrekvenční tagy lze sice umístit na kovovou podložku či na vodní nádrž či dokonce i do vody a přesto s nimi komunikovat, ale zase čtecí dosah je tak malý, že je nutné čtečku přiblížit na téměř dotykovou vzdálenost (přibližně jako u čteček čárových kódů).

Provedení antény pro RFID tagu se liší v závislosti na komunikační frekvenci - vlevo dipólová anténa pro pásma >100 MHz, uprostřed dole anténa pro nízkofrekvenční RFID (124 kHz), vpravo obvyklé provedení pro nejběžnější frekvenci 13,56 MHz.

Jak již bylo výše zmíněno, RFID tagy využívají dva typy antén, resp. dvou principů přenosu energie v závislosti na tom, zda je přenosová frekvence nižší nebo vyšší než hraniční hodnota 100 MHz. Pro pásma pod 100 MHz se energie přenáší pouze magnetickým polem a tedy se využívá induktivní vazby, která je realizována vzduchovou cívkou (známý RFID tag pracující na 13,56 MHz s anténou tvořenou několika měděnými čtvercovými závity okolo chipu na nosné podložce). Pro frekvence nad 100 MHz, tedy i pásmo UHF, se již energie přenáší elektromagnetickým polem a anténa je dipólová jako například televizní anténa. Takové RFID tagy obvykle obsahují 1/8vlnový dipól, což odpovídá délce cca 5 cm.

Rozdíl je pak i v principu zasílání dat, protože zatímco tagy s induktivní vazbou samy generují a vysílají k přijímači modulovaný signál, v případě tagů rádiovou vazbou se pouze mění některý parametr antény čímž je ovlivněna i podoba odraženého signálu a v právě v rozdílu vyslaného a odraženého signálu je zakódovaná informace (bity) .

Komunikační frekvence	Čtecí dosah	Vlastnosti - výhody	Vlastnosti - nevýhody	Použití
125 - 134 kHz	do 0,5 m	větší odolnost proti rušení možnost upevnění v blízkosti vody (tekutiny) možnost upevnění na kovové podložce (např. na sudu)	malý čtecí dosah malá komunikační rychlost velká anténa (solenoid) = velké a drahé provedení RFID tagu	kontrola přístupu identifikace zvířat imobilizéry automobilů identifikace kovových produktů (např. pivních kegů)
13,56 MHz	do 1 m	menší rozměry antény = menší rozměry větší komunikační rychlost než LF větší čtecí dosah než LF nízká cena RFID tagu - nejvíce rozšířené celosvětově standardizovaná frekvence	kovové podložky a voda již významně snižují čtecí dosah a ruší komunikaci	chytré karty (Smart Cards) bezkontaktní placení chytré etikety (Smart Labels) označování zavazadel při přepravě záznam a přenos naměřených dat protokoly: ISO 14443, ISO 15693, Tag-IT, I-Code sledování identifikačnícj kódů palet a beden při přepravě a ve skladech
860 - 960 MHz	do cca 3 m	možnost i vzdáleného čtení = indentifikace průjezdem brány velká přenosová rychlost = možná větší kapacity paměti RFID tagu dipólová anténa levná výroba	nejsou čitelné přes kapaliny obtížné čtení na kovových podložkách celosvětově nejednotná frekvence problémy s odrazem od okolních kovových konstrukcí	současná identifikace více zabalených produktů elektronické mýtné parkovací karty sledování toku vratných obalů sledování skupinových balení (palet) při přepravě a ve skladech protokoly: ISO 18000-6A/B, EPC Class 0/1
2,4 GHz	do 2 m	vysoká přenosová rychlost až 2 Mb/s malé rozměry dipólové antény = malé tagy	drahá a složitá konstrukce menší dosah než UHF RFID velký vliv rušení (kovu, kapalin apod.)	elektronické mýtné identifikace zavazadel při letecké přepravě bezdrátový záznam a přenos dat v reálném čase

V závislosti na realizované aplikaci (požadovaném čtecím dosahu, umístění, rychlosti komunikace a velikosti RFID tagu) je nutné zvolit tag s vhodnou frekvencí.

Zatímco pro blízkou identifikaci jednotlivých balení (produktů) na dopravním pásu (vlevo) stačí zvolit RFID tag s frekvencí 13,56 MHz, pro identifikaci celých palet či současně více produktů uvnitř jedné krabice v logistice se využívá RFID tagů komunikujících v UHF pásmu 860 - 960 MHz.

UHF frekvence pro RFID a svět

RFID systémů pracujících v pásmu UHF se již využívá a v budoucnu stále více bude využívat v oblasti logistiky, identifikace a kontroly zabalených produktů. Právě zde je bezpodmínečně nutný velký komunikační dosah, protože pouze tak mohou být bezpečně identifikovány celé bedny či palety rozměrů i několika metrů nebo zároveň mnoho balení na nich či v nich obsažených, když rychle projíždějí snímací bránou například na vysokozdvižném vozíku. A právě v této oblasti, kde se výrobky často přepravují pro celém světě, by bylo potřeba, aby RFID tag vyrobený a umístěný v Evropě bylo možné bez problémů přečíst na letišti či ve skladu v USA, Senegalu, JAR, Číně, Japonsku, Hong Kongu či Austrálii atd. Bohužel právě obecně velmi komunikačně vytížené pásmo UHF má každá země či kontinent jinak zaplněno a tedy pro potřeby RFID bylo možné vyčlenit jiné frekvence. A v tom je kámen úrazu, protože tak ani čtečky nejsou celosvětově kompatibilní. Někteří výrobci RFID etiket sice již vyrábějí multifrekvenční varianty zvládající komunikaci na frekvenčním rozsahu 865 až 928 MHz, tzn. mohou být použity stejně dobře v Americe jako v Evropě a nedochází tím k omezovacím faktorům při výměně zboží mezi kontinenty, ale to bohužel toto řešení také zvyšuje cenu etikety. Snahou je pak vytvořit tagy zcela multifrekvenční v celém rozsahu 850 až 960 MHz, které by byly použitelné kdekoliv na světě, aby se odstranily problémy v narůstajícím globálním obchodování.

UHF tagy se dosud rozdělovaly do několika skupin označovaných jako:

třída 0 nebo 0+ nebo 1
generace 1 (GEN 1) nebo 2 (GEN 2)

UHF RFID tagy již ke komunikaci využívají dipólové antény.

Zatímco ještě v roce 2005 platil v Evropě GEN 1 Class 1 (v Americe zároveň i Class 0+), od roku 2007 je pak celosvětově za standard považován GEN 2 Class 1 lišící se mezi kontinenty a zeměmi právě pouze přenosovou frekvencí podle pravidel příslušného kontinentu (viz mapa).

Mapa frekvencí v UHF pásmu, které jsou povolené pro RFID komunikaci.

Závěr

Rádiová identifikace RFID už má světlou budoucnost a slibně se rozšiřuje v obchodu, průmyslu, logistice i kultuře a běžném životě. Bohužel však, jak to bývá, nehodí se pro všechny aplikace jeden typ RFID komunikace a konstrukce transpodéru (tagu). Zatímco pro potřeby různých identifikačních karet, sledování jednotlivých malých balení nebo identifikace jednotlivých beden během automatické přepravy po dopravnících se obvykle využívá nejběžnější typ s frekvencí 13,56 MHz, pro potřeby čtení všech RFID skupinových balení (např. během přepravy velkých palet), pro výběr elektronického mýtného či parkovacích karet se více hodí tagy v UHF pásmu s delším snímacím dosahem, ale také menší odolností proti rušení a odrazům.