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RFID - Radio Frequency Identification

Der Radio Frequency Identification (RFID) wurde sowohl in der wissenschaftlichen als auch in der populär-wissenschaftlichen Literatur in der letzten Zeit viel Aufmerksamkeit eingeräumt. Es handelt sich dabei um eine Technologie, mit der Objekte der Realwelt über Funkwellen identifiziert werden können. Zunehmend gehen die Anwendungsgebiete von RFID über die Identifikation hinaus. Diese Entwicklung ist insbesondere auf die hohe Speicherkapazität der RFID-Transponder zurückzuführen, die eine objektbegleitende Speicherung – und in manchen Fällen gar eine dezentrale Verarbeitung – der Daten ermöglichen. In dem vorliegenden Beitrag werden aktuelle Entwicklungen im Bereich der RFID-Technologie mit Fokus auf existierende Herausforderungen betrachtet.

Die zentrale Komponente eines RFID-Systems bildet der Transponder (Tag), welcher in der Regel die Seriennummer des zu identifizierenden Objekts, an dem er angebracht ist, speichert. Diese Daten werden ausgelesen, indem zwischen Lesegerät und Transponder kodierte Funkwellen über die Luftschnittstelle ausgetauscht werden. Passive Transponder, die über keine eigene Energiequelle verfügen, werden dabei von dem Lesegerät mit Strom versorgt. Daneben gibt es aktive Transponder, die über eine eigene Stromversorgung verfügen. Zusätzlich zur Seriennummer ist es möglich, weitere Informationen am Objekt zu hinterlegen und so einen objektbegleitenden Datentransport zu ermöglichen. RFID-Transponder können zudem mit Mikroprozessoren ausgestattet und damit in die Lage versetzt werden, eigene Berechnungen durchzuführen. Weiterhin können mittels Sensoren Veränderungen in der unmittelbaren Umwelt des Objekts wahrgenommen, gespeichert und eventuell notwendige Korrek-turmaßnahmen eingeleitet werden. RFID-Systeme schließen auf diese Weise die Lücke zwischen der realen Welt und ihrem digitalen Abbild und können daher als die „Augen und Ohren eines Informationssystems“ [1] aufgefasst werden.

Anwendungsbeispiele

FID ist bei Wegfahrsperren, Mautgebühren-, Zugangskontroll- und Ticketinglösungen bereits seit Jahren etabliert. Die stetige Weiterentwicklung der Technologie, die sich etwa in höheren Lesereichweiten und Erfassungsraten manifestiert, ermöglicht jedoch zunehmend neue Anwendungsgebiete. So wird bis 2016 ein Anstieg der weltweit verwendeten Transponder um das 450fache der heute eingesetzten Menge sowie eine Verzehnfachung des RFID-Gesamtmarkts auf geschätzte 20,5 Milliarden prognostiziert [2]. In Europa nehmen insbesondere deutsche Unternehmen, wie z. B. der Handelskonzern Metro Group, eine führende Stellung in der Erprobung und Weiterentwicklung der Technologie ein. Die größte wirtschaftliche Bedeutung wird dem Einsatz von RFID im Handel, in der Logistik und in der Automobilproduktion beigemessen. Die folgenden drei Praxisbeispiele skizzieren den Einsatz in den genannten Bereichen.

  • Die Metro Group setzt seit 2004 RFID in ihren logistischen Prozessen ein, wobei das Unternehmen Automatisierungseffekte vor allem bei der Erfassung im Wareneingang und -ausgang, bei der Ein- und Auslagerung sowie bei Inventurvorgängen realisieren konnte [3]. Die RFID-Transponder werden bereits durch Lieferanten an Paletten – und in einigen Fällen auch an Verpackungen – angebracht. Darüber hinaus experimentiert die Metro Group im sog. Future Store (Rheinberg) mit dem RFID-Einsatz auf Produktebene. In dem futuris-tischen Supermarkt sind Einkaufswagen mit einem persönlichen Einkaufsberater (Personal Shopping Assistant) ausgestattet. Hierbei handelt es sich um einen kleinen Computer mit einem Touchscreen-Display und integriertem RFID-Lesegerät. Der Kunde kann sich nicht nur Produktinformationen und Preise anzeigen lassen sowie den Gesamtpreis des Einkaufs ermitteln, sondern wird in Verbindung mit einer Kunden¬karte individuell erkannt und mit einer persönlichen Einkaufsliste, die seinen Präferenzen entspricht, versehen. Zudem wird der Kassiervorgang beschleunigt, weil der Kunde die Produkte nicht mehr aus dem Einkaufs-wagen herausnehmen muss.
  • Der Elektronik-Hersteller Hewlett-Packard stattet Drucker und Tintenstrahlpatronen in seinem Werk in Sao Paolo (Brasilien) in der Produktion mit RFID-Transpondern aus [4]. Die Drucker werden von dem Ver-tragshersteller Flextronics montiert und vom Logistik-Dienstleister DHL distribuiert (im vergangenen Jahr belief sich das Volumen auf 3 Millionen Drucker). Neben den Automatisierungspotenzialen – Identifikationsvorgänge konnten von 90 Sek. (mit Barcodes) auf 10 Sek. verkürzt werden [5] – wurde der Lagerbestand um 17 Prozent und die Auslieferungszeit um 12 Prozent verringert, was insbesondere auf die genaueren Informationen über den Aufenthaltsort und Zustand der Produkte zurückzuführen ist. Auf dem Transponder werden neben der eindeutigen Seriennummer auch individuelle Produktinformationen, wie etwa Testergebnisse und Installationsdaten, während der Herstellung der Drucker gespeichert. Die jederzeitige Verfügbarkeit dieser Daten führt zu einer effizienteren Abwicklung von Retouren und damit zur Steigerung der Kundenzufriedenheit.
  • Die Automobilbranche gilt als Vorreiter beim Einsatz von RFID. Beispielsweise nutzt die Porsche AG diese Technologie bei der Pro¬duktion des Geländewagens „Cayenne“ [6]. In der Montagehalle wird jedes Fahrzeug anhand des RFID-Transponders am Montageträger erkannt. Die Seriennummer wird an das Produktionsplanungs- und Steuerungssystem weitergeleitet, welches zum einen den Status von Fertigungsaufträgen aktualisiert und zum anderen die zur Bearbeitung notwendigen Daten, wie Stücklisten und Arbeitsschritte, an die Fertigungsstationen sendet. Diese Daten können von den Mitarbeitern an Terminals eingesehen werden. Hier erfolgt auch die Quittierung der Arbeitsschritte und eventuelle Erfassung von Störungsmeldungen. Auf diese Weise stehen jederzeit detaillierte und echtzeitnahe Informationen zum Produktionsfortschritt zur Verfügung, die zur schnellen Behebung von Störungen sowie zur Dokumentation der Produktkonfiguration verwendet werden.

Neben den dargestellten Anwendungsfeldern wird RFID auch zunehmend im Gesundheitswesen [7], in öffentlichen Behörden (z. B. elektronische Ausweisdokumente) [8] und in Bibliotheken [9] eingesezt.

Herausforderungen

Trotz der genannten Nutzenpotenziale ist die RFID-Technologie derzeit in den meisten Einsatzgebieten noch weit von einer breiten Massenanwendung entfernt. Neuesten Umfragen nach werden dabei Hemmnisse für den Einsatz insbesondere in den folgenden Bereichen identifiziert: Integration in die bestehende IT-Landschaft, Transponderkosten, Standards, Datenmanagement (auch Datensicherheit) und Kundenakzeptanz (verbunden mit Datenschutzbedenken) [10]. Im Folgenden werden die spezifischen Herausforderungen und Entwicklungstendenzen in den einzelnen Bereichen beleuchtet.

Integration in die IT-Landschaft – Forderung nach leistungsfähiger Middleware

Aufgrund der komplexen Lesegeräteinfrastruktur (insbesondere erhöhte Anzahl an Datenerfassungspunkten), des enormen Datenvolumens, der erhöhten Datengranularität sowie Falschlesungen ist für die Integration des RFID-Systems mit den Backend-Applikationen eine leistungsfähige Middleware-Komponente erforderlich. Neben der Filterung und Aufbereitung von RFID-Daten ist diese Funktionsschicht für die Steuerung der angeschlossenen Lesegeräte sowie die Koordination einer heterogenen Systemlandschaft zuständig. Die ursprüngliche Idee, die Middleware zu standardisieren – der von EPCglobal (eine von GS1global und GS1 US im Jahr 2003 gegründete Organisation) entwickelte Prototyp trug den Namen „Savant“ – ist im Laufe der letzten Jahre aufgegeben worden. Stattdessen wurden lediglich Schnittstellen zu den einzelnen Systemkomponenten spezifiziert und die konkrete Implementierung dieser Funktionsschicht den Softwareherstellern überlassen [11][12]. Eine komplette Middleware-Lösung bietet bspw. die SAP AG mit der Auto-ID Infrastructure an [13]. Zudem gibt es bereits RFID-Lesegeräte auf dem Markt, die einen Teil der Middleware-Funktionalität abdecken (insbesondere die Aufbereitung der Daten sowie Steuerung der Peripherie-Geräte) und direkt an die Backend-Systeme angeschlossen werden können.

Transponderkosten – Polymertechnologie im Anmarsch

Die Kosten für den Einsatz eines RFID-Systems setzen sich aus Kosten für Transponder, Lesegeräteinfrastruktur, Software sowie für die Integration und Wartung des Systems zusammen. RFID wird derzeit überwiegend in geschlossenen Systemen genutzt, in denen Transponder mehrfach verwendet werden. Sinkende Transponderkosten ermöglichen jedoch zunehmend, RFID auch in offenen Systemen einzusetzen. Für einen massenhaften Umstieg von Barcodeetiketten zu einfachen und kostengünstigen Tags sind die Transponderpreise jedoch noch zu hoch. Herkömmliche Verfahren der Transponderfertigung sind zu aufwändig, um Tagpreise von unter einem Cent zu erreichen. Seit Jahren werden deshalb alternative Verfahren und Materialien erforscht; insbesondere Fortschritte auf dem Gebiet der druckbaren Polymerelektronik sind vielversprechend. Tags, die überwiegend aus organischen Halbleitern bestehen, können in kostengünstigen Druckverfahren hergestellt werden, bieten aber nicht die Leistungseigenschaften herkömmlicher Transponder. Die frühen Prototypen polymerelektronischer Tags hatten noch eine viel zu geringe Speicherkapazität und Lesereichweite, um in der Praxis verbreitet Anwendung zu finden. Die Leistung aktueller Polymertags nähert sich aber den Anforderungen eines Masseneinsatzes: Unlängst wurde ein Tag mit einem 64-bit-Polymerchip und einer Leserate von 780 bit/s auf der Arbeitsfrequenz 13.56 MHz vorgestellt [14]. Somit könnten in Zukunft einfache Polymertags mit geringer Reichweite dem Barcode auch hinsichtlich des Preises Konkurrenz machen und dadurch neue Anwendungsfelder der RFID-Technologie erschlossen werden.

Standards – „Gen 2“-Protokoll als Meilenstein

Standards stellen eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz von RFID dar. Neben Datenformaten und Kommunikationsprotokollen ist eine weltweite Regulierung der Funkfrequenzen für eine Massenanwendung der Technologie unabdingbar (derzeit sind bspw. für das UHF-Frequenzband weltweit unterschiedliche Frequenzbereiche spezifiziert). Dabei werden einerseits Normen, wie z.B. das EPC-Datenformat (Electronic Product Code) zur eindeutigen Kennzeichnung von Objekten, durch EPCglobal und ISO (International Standard Organization) erarbeitet. EPCglobal führt dabei die Standardisierungsbemühungen des Auto-ID Centers fort, welches am Massachusetts Institute of Technology (MIT) als ein Zusammenschluss von ca. 100 Unternehmen und fünf renom-mierten Universitäten (MIT, Cambridge, Adelaide, Keio, St. Gallen) 1998 gegründet wurde. Andererseits haben sich im Laufe der Zeit Industriestandards durch die Wahl einer bestimmten Transponder-Technologie (bspw. hat sich in Europa die 13,56 MHz-Frequenz (HF) durchgesetzt) etabliert. Einen wichtigen Meilenstein der Standardisierung markierte die Einführung des auf dem UHF-Frequenzband operierenden „Gen 2“-Standards (EPC Class 1 Generation 2) im Dezember 2004. Der Standard führt zum einen Verbesserungen im Bereich des Datenschutzes ein, vor allem den Kill-Befehl zum Deaktivieren des Tags und die Möglichkeit der Verwendung von 32-Bit-Passwörtern zur Regelung des Speicherzugriffs. Zum anderen werden auch technische Aspekte adressiert, indem eine bessere Lesbarkeit (sog. „dense reader mode“, um Lesungen in komplexen Lesegeräte-Netzwerken zu ermöglichen), ein schnellerer Datentransfer (bis zu 640 kb/s) und eine bessere Validierung der Daten gewährleistet werden [11].

Datenmanagement – Große Datenvolumen und erhöhte Datengranularität erfordern neue Konzepte

Die Hauptaufgabe von RFID-Systemen besteht darin, Objektdaten auszulesen, bedarfsgerecht aufzubereiten und an die angeschlossenen Anwendungssysteme weiterzuleiten, weshalb dem Datenmanagement eine wichtige Rolle im RFID-Bereich zukommt. Nach Schätzungen würden bei Ausstattung jedes Artikels beim Handelskon-zern Wal-Mart pro Tag 7 Terabytes an Daten erzeugt werden [10]. Bevor die Daten an die angeschlossenen Systeme weitergeleitet werden können, müssen sie daher zunächst adäquat komprimiert werden. Aufgrund des rohen Charakters der Daten (Lesefehler, Doppelerfassungen) ist zudem eine erhöhte Datenfilterung notwendig. Anschließend müssen die Daten bedarfsgerecht aufbereitet werden – aus den Dreiertupeln (Transponder-ID, Reader-ID und Zeitpunkt der Lesung) müssen entscheidungsrelevante Informationen generiert werden. Dabei besteht ein Forschungsbedarf an effizienten Methoden für diese Aufgabe, da auf die herkömmliche Datenerfassung ausgerichtete, traditionelle Algorithmen für die kontinuierlich und asynchron anfallenden Datenströme nicht geeignet sind [15]. Darüber hinaus besteht Bedarf an geeigneten Datenschutzmechanismen (z. B. Verschlüsselungsalgorithmen). Die Implementierung kryptografischer Schutzmaßnahmen ist jedoch mit erheblichen Kosten und mit hohen Anforderungen an den Speicherplatz verbunden. Für den Einsatz in kostengünstigen Transpondern sind deshalb alternative Schutzmechanismen gefragt. Kundenakzeptanz – Verbraucher bewegen Unternehmen zum Umdenken Datenschutzrechtliche Fragestellungen treten im Fall von RFID dort auf, wo ein Individuum (Konsument, Pati-ent, Mitarbeiter, Bürger) mit der Technologie in Berührung kommt. Zurzeit trifft der Konsument am ehesten im Einzelhandel auf Objekte, die mit RFID-Transpondern versehen sind. Hier gibt es die Gefahr, dass die Privat-sphäre des Einzelnen beeinträchtigt wird, indem Bewegungsprofile erstellt und Kaufhistorien analysiert werden. Bei Krankenhaus-Patienten ist das Tracking dagegen eines der Hauptziele des Einsatzes der Technologie. Hier ist man eher besorgt darüber, dass die auf dem Transponder oder in verbundenen Datenbanken gespeicherte Patientenakte in die falschen Hände gerät. Für die Mitarbeiter, die einen RFID-gestützten Ausweis besitzen, besteht die Gefahr in der Ausspionierung durch den Arbeitgeber [16]. Datenschutzbedenken im Zusammenhang mit RFID resultieren dabei hauptsächlich daraus, dass die Datenübertragung für den Menschen nicht sichtbar, also zugleich nicht wahrnehmbar, ist und vollkommen automatisch abläuft. Zahlreiche Boykotte (z. B. beim geplanten Einsatz von RFID-Transpondern in Textilien der Marke Benetton) haben die Unternehmen zum Umdenken bewegt: „Consumers will tell the industry where and how to use the technology – not the other way around” [17]. Um diesen Gefahren zu begegnen, wird derzeit intensiv an der Entwicklung effektiver Verfahren zur Sicherung der Privatsphäre geforscht, die auf einfachen Transponderarchi-tekturen umzusetzen sind [18]. Neben diesen technischen Verfahren werden in der Literatur die folgenden Maßnahmen zur Förderung der Kundenakzeptanz vorgeschlagen [19]:

  • Der Nutzer sollte über die Möglichkeiten und Grenzen der Technologie aufgeklärt werden.
  • Nutzer sollten über die Präsenz und Funktionsweise von RFID in Kenntnis gesetzt werden. Produkte mit RFID-Transpondern sollten entsprechend gekennzeichnet werden. Es sollte eine Auskunft über gespeicherte Informationen bereitgestellt werden.
  • Die Kontrolle über die Technologie sollte in den Händen der Benutzer bzw. Konsumenten verbleiben (z. B. Deaktivierungsmöglichkeit).

RFID hat zwar unlängst die Experimentierphase verlassen und wird zunehmend produktiv eingesetzt. Aufgrund des im Vergleich zur Barcode-Technologie relativ geringen Diffusionsgrades kann bei RFID jedoch noch nicht von einer Massentechnologie gesprochen werden. In Expertenkreisen herrscht aber Einigkeit darüber, dass die RFID-Technologie im Laufe der Zeit einerseits kostengünstiger und andererseits leistungsfähiger wird. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass sich RFID in der Zukunft als automatisches Identifikationssystem gegenüber anderen Technologien durchsetzen wird.

Literatur

1. Thiesse, F.: Architektur und Integration von RFID-Systemen. In: Fleisch, E./Mattern, F. (Hrsg.): Das Internet der Dinge. Ubiquitous Computing und RFID in der Praxis. Berlin [u.a.]: Springer 2005, 101-117 
2. RFID: Potenziale für Deutschland – Stand und Perspektiven von Anwendungen auf Basis der Radiofrequenz-Identifikation auf den nationalen und internationalen Märkten. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Ber-lin 2007 
3. METRO Group: http://www.future-store.org/fsi-internet/html/de/1477/index.html 
4. Lohringer, C.: Integrate RFID To Sharpen Supply Chain Visibility. IntegratedSolutionsMag.com, März 2008 
5. Hewlett-Packard: http://h20219.www2.hp.com/ERC/downloads/4AA1-7308ENW.pdf 
6. Strassner, M.: RFID im Supply Chain Management: Auswirkungen und Handlungsempfehlungen am Beispiel der Automobilindustrie, Wiesbaden: Deutscher Universitäts-Verlag 2005 
7. Gaßner, K., Koch, O., Weigelin, L., Deiters, W., Ritz, A., Kaltenborn, R.: Einsatzbereiche und Potenziale der RFID-Technologie im deutschen Gesundheitswesen, Fraunhofer IRB Verlag, 2006. 
8. Bundesministerium für Inneres: http://www.e-pass.de 
9. Molnar, D., Wagner, D.: Privacy and Security in Library RFID Issues, Practices, and Architectures. In: Proceedings of the 11th ACM Conference on Computer and Communications Security, Oktober 25-29, Washington, DC, USA 2004 
10. Strüker, J., Gille, D., Faupel, T.: RFID Report 2008 – Optimierung von Geschäftsprozessen in Deutschland. Telematik, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, VDI nachrichten, Düsseldorf 2008 
11. Thiesse, F., Michahelles, F.: An overview of EPC technology. Sensor review, 26 (2), 101-105 (2006) 
12. EPCglobal: The EPCglobal Architecture Framework, http://www.epcglobalinc.org/standards/architecture/architecture_1_2-framework-20070910.pdf 
13. Bornhövd, C., Lin, T., Haller, S., Schaper, J.: Integrating Automatic Data Acquisition with Business Processes Experi-ences with SAP's Auto-ID Infrastructure. In: Proceedings of the 30th VLDB Conference, Toronto, Kanada 2004, 1182-1188 
14. Canatatore, E., Geuns, T., Gruijthuijsen, A., Gelinck, G, Drews, S., de Leeuw, D.: A 13.56 MHz RFID System based on Organic Transponders. IEEE Journal of Solid-State Circuits 42, 84-92 (2007) 
15. Babcock, B., Babu, S., Datar, M., Motwani, R., Widom, J.: Models and Issues in Data Stream Systems. In: Proceedings of 21st ACM Symposium on Principles of Database Systems, Juni 3-5, 2002, Madison, Wisconsin, USA 2002 
16. Heise online: http://www.heise.de/newsticker/meldung/69438 
17. Allen, B.: Texas Instruments: Lessons from Successful RFID Applications. In: Garfinkel, S., Rosenberg, B. (Hrsg.): RFID: Applications, Security, and Privacy. Upper Saddle River, NJ [u.a.]: Addison-Wesley 2006, 359-366 
18. Langheinrich, M.: RFID and Privacy. In: Petkovic, M., Jonker, W. (Hrsg.): Security, Privacy, and Trust in Modern Data Management. Berlin Heidelberg New York: Springer 2007, 433-450 
19. Holznagel, B., Bonnekoh, M.: Rechtliche Dimensionen der Radio Frequency Identification. In: Bullinger, H.-J., ten Hompel, M. (Hrsg.): Internet der Dinge. Berlin [u.a.]: Springer 2007, 365-420

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