The RFID- Handbook contains all information about RFID, Radio Frequency Identification, Transponder, RFID Tag, RFID Reader, 14443, 15693, 18000, GTAG, EPC, Antenna, ... |
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Eine kontaktlose Chipkarte hat zwar die gleiche Bauform wie ihre kontaktbehafteten Artgenossen, doch von aussen sind keinerlei elektrische Anschlüsse oder Bauelemente mehr auf den ca. 85 · 54 · 0,8 mm3 großen Karten zu erkennen. Bringt man eine kontaktlose Chipkarte jedoch in die Nähe der Antenne eines geeigneten Lesegerätes, so werden wie von Zauberhand Daten von der kontaktlosen Chipkarte gelesen, oder in dieselbe geschrieben. Kontaktlose Chipkarten bieten daher gegenüber den herkömmlichen, kontaktbehafteten Chipkarten eine Reihe von Vorteilen: Kontaktlose Chipkarten sind unempfindlich gegen Schmutz, Fett und statische Aufladung. Das Auslesen erfolgt lageinvariant, die Karten müssen nirgends „eingesteckt“ werden, sonder können zum Auslesen auch im Portemonais des Karteninhabers verbleiben. Aber auch die kontaktlosen Lesegeräte unterliegen keinerlei Verschleiß und können zum Schutz vor Vandalismus sogar unter Putz angebracht werden. Induktive Kopplung:Das Funktionsprinzip kontaktloser Chipkarten ist eine transformatorische, beziehungsweise induktive
Kopplung zwischen der Chipkarte und der Antenne eines zugehörigen Lesegeräts. Im Innern der kontaktlosen Chipkarte befindet sich zu diesem Zweck eine großflächige Spule aus mehreren Windungen Draht (typisch 5 Windungen bei 13,56 MHz, einige 100 Windungen bei 135 kHz). Abbildung: Halbtransparente kontaktlose Chipkarte; die Antennenspule sowie der integrierte Chip (rechts unter dem VISA-Logo) sind deutlich zu erkennen. (Foto: Giesecke & Devrient, München) Zum Betrieb der kontaktlosen Chipkarten erzeugt das Lesegerät zunächst in der Leserantenne – ebenfalls eine großflächige Spule (Leiterschleife) mit mehreren Windungen – ein hochfrequentes Magnetfeld. Die Frequenz dieses Magnetfeldes kann je nach System bei 13,56 MHz oder auch um 135 kHz liegen. Hält man nun eine kontaktlose Chipkarte in die Nähe dieser Leseantenne, so wird durch das Feld des Lesegerätes eine Spannung in der Spule der Chipkarte erzeugt. Diese wird gleichgerichtet und dient als Spannungsversorgung der kontaktlosen Chipkarte. Eine eigene Batterie wird in der kontaktlosen Chipkarte somit also nicht benötigt. In der Praxis wird der Induktivität der Chipkartenspule zusätzlich eine Kapazität parallelgeschaltet, so daß ein Parallelschwingkreis entsteht, dessen Resonanzfrequenz der Sendefrequenz des Lesegerätes entspricht. Auf 13,56 MHz reicht hierzu in der Regel bereits die Eingangskapazität des Chips aus, auf 135 kHz wird noch eine zusätzlicher diskreter Kondensator benötigt. Durch Resonanzüberhöhung in diesem Schwingkreis kann der Wirkungsgrad der Energieübertragung erheblich verbessert werden. Daneben wird auch die Antennenspule des Lesegerätes durch einen zusätzlichen Parallelkondensator auf der Sendefrequenz in Resonanz gebracht. Hier versucht man durch die Resonanzüberhöhung einen möglichst großen Hochfrequenzstrom, und damit ein ausreichend starkes Magnetfeld zum Betrieb der Chipkarten zu erzeugen. Der Informationsfluß:Aus der, in der Chipkartenspule induzierten Wechselspannung, wird zusätzlich eine Taktfrequenz abgeleitet welche dem Speicherchip oder Mikroprozessor in der Karte dann als Systemtakt zur Verfügung steht.
Abbildung: Das Lesegerät versorgt die kontaktlose Chipkarte mit Energie und einemSystemtakt. (Bild: Klaus Finkenzeller) Die Datenübertragung vom Lesegerät zur kontaktlosen Chipkarte (Downlink) erfolgt im einfachsten Falle durch eine Amplitudentastung (ASK - amplitude shift keying), also Ein- und Ausschalten des hochfrequenten Magnetfeldes. In der kontaktlosen Chipkarte kann ein ASK-moduliertes Signal dann sehr einfach, durch Gleichrichtung der in der Kartenspule induzierten Spannung demoduliert werden. Bei der umgekehrten Datenübertragung von der Chipkarte zum Lesegerät (Uplink) macht man sich die Eigenschaften der transformatorischen Kopplung zwischen der Leserantenne und der Chipkartenspule zunutze: Eine Änderung des Stromes in der (sekundären) Spule der kontaktlosen Chipkarte bewirkt auch eine Änderung des Stromes beziehungsweise der Spannung an der (primären) Spule des Lesegerätes, ganz wie bei einem Transformator. Diese Spannungsänderung an der Leserantenne entspricht in der Wirkung einer Amplitudenmodulation, jedoch mit einem in der Regel sehr kleinen Modulationsgrad. Durch das Ein- und Ausschalten eines zusätzlichen Lastwiderstands in der kontaktlosen Chipkarte im Takt der zu übertragenden Daten, können somit Daten an das Lesegerät „gesendet“ werden. Dieser Vorgang wird in der Fachterminologie als Lastmodulation (engl. loadmodulation) bezeichnet.
Abbildung: Ersatzschaltbild der Anordnung von Leserantenne und kontaktloser Chipkarte. Die Leseantenne L1 und die Chipkartenspule L2 sind durch die Gegeninduktivität M miteinander magnetisch gekoppelt. Durch das Ein- und Ausschalten des Lastwiderstandes Rmod können Daten and das Lesegerät gesendet werden. (Bild: Klaus Finkenzeller) Aufgrund der bisweilen sehr geringen magnetischen Kopplung zwischen der Leserantenneund der Chipkartenspule (meist etwa <1% ... 10%) muß mit extrem kleinen Lastmodulationssignalen (als Anhaltspunkt gelten etwa -60 ... -80 dB gegenüber dem Trägersignal) an der Antenne des Lesegerätes gerechnet werden. Wie bei jeder Amplitudenmodulation (s. o.), so entstehen auch durch die Lastmodulation zwei Seitenbänder um das Trägersignal in denen jeweils die vollständige Information enthalten ist. Um nun das extrem schwache Signal des Lastmodulators im Empfänger des Lesegerätes besser detektieren zu können verwendet man bei kontaktlosen Chipkartensystemen im Frequenzbereich 13,56 MHz einen zusätzlichen Hilfsträger mit einer Frequenz von 847 kHz. Hierdurch entstehen an der Leserantenne zwei Modulationsseitenbänder im Abstand von ± 847 kHz um die Sendefrequenz des Lesegerätes. Die eigentlichen Daten werden diesemHilfsträger in der Chipkate aufmoduliert, wozu sowohl ASK (amplitude shift keying), FSK (frequency shift keying) als auch BPSK-Verfahren (bi-phase shift keying) zum Einsatz kommen. Der Empfänger des Lesegerätes wird nun einfach auf eines der beiden Seitenbänder abgestimmt. Das starke Eigensignal des Lesegerätes, das ja zur Energieversorgung der Chipkarte immer benötigt wird, kann durch geeignete Filter im Empfänger des Lesegerätes somit wirkungsvoll unterdrückt werden.
Anwendungen für die kontaktlosen Karten:Eine der ältesten Anwendungen für kontaktlose Chipkarten ist die Zutrittskontrolle zu Gebäuden und Anlagen mit kontaktlosen Firmenausweisen. Hierzu können bereits einfachste low-end read-only Karten eingesetzt werden, da es für diese Anwendungen ausreicht, eine mehrstellige, eindeutige Seriennummer auszulesen, welche dann von einer Türsteuereinheit auf Gültigkeit ihre hin überprüft wird. Read-only Karten kommen auf Grund der geringen benötigten Chipfläche (beziehungsweise geringen Anzahl von Gattern) mit sehr wenig Energie zum Betrieb aus. Damit lassen sich dann auch große Reichweiten von über 1 m realisieren, so daß die Karten nicht mehr manuell in die Näche eines Lesegerätes gehalten werden müssen, sondern sogar noch aus der Brusttasche des Trägers heraus, kontaktlos ausgelesen werden können („handsfree-Systeme“). Eine weitere, weit verbreitete Anwendung für kontaktlose Chipkarten ist ihr Einsatz als Ski-Ticket. Für den Skifahrer ist es nicht gerade komfortabel vor jeder Liftfahrt, mit klammen Fingern ein vom Schnee aufgeweichtes Papierticket aus dem Anorak fischen zu müssen. Kontaktlose Chipkarten als Ski-Ticket bieten hierzu die ideale Alternative. Die Anlagen funktionieren ähnlich wie auch die beschriebenen Zutrittskontrolle zu Gebäuden: Alle Eingänge zum Skilift werden durch ein Drehkreuz abgesperrt, und mit kontaklosen Lesegeräten ausgestattet. Erkennt die Leseelektronik eine gültige Karte, wird das Drehkreuz für eine Person freigegeben. Auch bei dieser Anwendung wird dabei die Lesereichweite so ausgelegt, daß die Chipkarten zur Kontrolle nicht mehr in die Hand genommen werden müssen, sondern in der Brusttasche des Ski-Overalls verbleiben können. Im Gegensatz zu den einfachen Firmenausweisen verfügen kontaktlose Ski-Tickets jedoch meist über einen kontaktlos programmierbaren Speicherbereich. Damit wird es möglich, die Gültigkeitsdauer der Chipkarten beim Verkauf frei zu programmieren, oder die auch die Chipkarten nach Benutzung wieder zurückzunehmen und erneut zu programmieren. Beim Verkauf der Chipkarten-Tickets wird deshalb vielerorts ein Pfand von 10 bis 20 DM einbehalten, welches dann nach Gebrauch der Chipkarten zurückerstattet wird. Eines der größten Marktpotentiale für den Einsatz von kontaktlosen Chipkarten stellt derzeit jedoch der Öffentliche Personen(nah-)verkehr (ÖPNV) dar. Der Ersatz der althergebrachten Papierfahrscheine durch ein modernes elektronisches Fahrgeldmanagement auf Basis kontaktloser Chipkarten bietet den Verkehrsunternehmen, den Fahrern und den Fahrgästen eine Vielzahl von Vorteilen: Aber auch in der Abfertigungszeit sind die kontaklosen Chipkarten allen anderen Technologien deutlich überlegen, wie eine Untersuchung der Verkehrsbetriebe Helsinki zeigt:
Diese Ergebnisse stoßen vor allem in den asiatischen Millionenmetropolen auf großes Interesse. So ist es auch nicht weirer erstaunlich, daß das bislang größte elektronische Fahrausweissystem mit kontaktlosen Chipkarten, 1996 in Seoul – Südkorea in Betrieb genommen wurde. Die koreanische „BusCard“ ist eine vorbezahlte Karte die mit einem Grundwert von 20.000 Won (DM 35.-) ausgegeben wird. Für jede Busfahrt im Stadtgebiet werden davon 400 Won (DM 0,75) abgebucht. Die Karte kann jedoch an besonderen Verkaufsstellen beliebig oft wieder aufgeladen werden. Dieses System war so erfolgreich, daß inzwischen bereits etwa 4 Mio. (!) BusCards in Seoul im täglichen Einsatz befinden.
Im Vergleich dazu entwickelt sich der Einsatz kontaktloser Chipkarten in Deutschland noch eher verhalten. So gibt es Projekte u.a. auf Norderney, in Lüneburg-Oldenburg und Marburg. Besondere Anforderungen werden an Performance und Sicherheit der kontaklosen Chipkarten in ÖPNV-Anwendungen gestellt, denn der Geldwert der Karten macht diese auch für potentielle Angreifer interessant. Der Schreib- und Lesezugriff auf die Karten ist deshalb nur nach einer gegenseitigen Authentifizierung zwischen kontaktloser Chipkarte und Lesegerät möglich. Hierbei wird die Kenntnis eines geheimen, kryptographischen Schlüssels in Chipkarte und Lesegerät überprüft. Durch die Anwendung geeigneter Algorithmen, wie sie etwa in ISO-Norm 9798 beschrieben sind, kann das Ausspähen der geheimen Schlüssel, etwa durch Abhören der Funkverbindung zwischen kontaktloser Chipkarte und Lesegerät, wirkungsvoll verhindert werden. Die einer erfolgreichen Authentifizierung folgende Kommunikation zwischen der Karte und dem Lesegerät wird ebenso verschlüsselt, um auch das Abhören und Wiedervorspielen der Daten zu unterbinden. Während bei kontaktbehafteten Chipkarten sichergestellt ist, daß immer nur eine einzige Karte durch das Lesegerät angesprochen wird, kann bei kontatklosen Karten nicht verhindert werden, daß sich zur selben Zeit mehrere Karten im Ansprechbereich des Lesegerätes befinden. Um für diesen Betriebsfall eine Datenkollision zwischen den einzelnen Karten zu verhindern wurden verschiedene Antikollisionsverfahren entwickelt, die das gezielte Auswählen und Ansprechen einer kontaktlosen Chipkarte aus mehreren erlauben. Hierbei kommen vor allem Zeitmultiplexverfahren mit unterschiedlichen Auswahlalgorithmen („Binärer Suchbaum“, „Slotted Aloha“) zur Anwendung. Perspektiven:Auch die Entwicklung kontaktloser Chipkarten bleibt nicht stehen. Eine sehr interessante Weiterentwicklung ist in diesem Zusammenhang die Kombination einer kontatklosen und einer kontaktbehafteten Chipkarte auf einem Chip, welcher beide Funktionen vereint. Diese sogenannte Dual-Interface-Card [1] (auch CombiCard) kann damit wahlweise über die kontaktlose oder auch kontatkbehaftete Schnittstelle angesprochen werden. Die Philosopie hinter dieser Idee ist eine völlige Unabhängigkeit zwischen dem Chipkarteninterface (Kontakte, kontaktlos, Infrarot, etc.) und der Chipkartenlogik bzw. Chipkartenanwendung. Das Interface wird damit für die übertragenen Daten transparent, so daß aus Sicht der Anwendungssoftware das verwendete Interface schließlich keine Bedeutung mehr erlangt. Hierdurch ergeben sich völlig neue Möglichkeiten bei der Einführung neuer Anwendungen, da auf bereits bestehende Infrastrukturen zurückgegriffen werden kann. Eine angedachte Möglichkeit wäre etwa die Kombination der flächendeckend eingeführten EC-Karte mit einem ÖPNV-System, auf einer Karte. Zum Bezahlen einer Fahrt könnte der Fahrpreis über das kontaktlose Interface des Dual-Interface-Card automatisch abgebucht werden, während das Wiederaufladen der Karte auf dem herkömmlichen Wege in einem EC-Kartenterminal erfolgen könnte. Dies ist nur eine von unzähligen neuen Anwendungen die sich durch die Dual-Interface-Technologie realisieren lassen. Sicher ist jedoch, daß der Erfolg kontatkloser Chipkarten in der Zukunft nicht mehr aufzuhalten sein wir. Literaturhinweise: [1] Lemme H., „Chipkarten-ICs: Boom ohne Ende“, Elekronik 1998, Heft 14 (Teil 1), Heft 15 (Schluß)
Der Autor
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