Системы безопасности № 2(56), 2004

Л. Стасенко

От хаоса к порядку, или история вопроса

Технология радиочастотной идентификации появилась на свет около 20 лет назад и весь этот период формировалась темпами, опережающими компьютерные технологии. Особенно интенсивно RFID совершенствовалась в последние 5-7 лет. Объяснить это можно двумя факторами: во-первых, развитие микроэлектроники позволило реализовать многие идеи, ранее недоступные по чисто технологическим причинам, а во-вторых, появились стандарты, применение которых обеспечило совместимость технических решений от разных производителей. Прежде чем рассматривать конкретные вопросы использования бесконтактной идентификации в различных областях человеческой деятельности, остановимся на общих принципах систем RFID и нормативных документах, которые определяют и будут определять в ближайшее время ход конструкторской мысли.

Для тех, кто не знаком с технологией RFID, кратко изложим ее суть. Физические принципы (по крайней мере, для большинства частотных диапазонов) напоминают работу трансформатора или системы связанных контуров. Как известно, если взять две катушки и разместить их не очень далеко друг от друга, то они будут оказывать друг на друга взаимное влияние (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы пары "считыватель-идентификатор"

Считыватель содержит генератор высокой частоты G, который запитывает антенну считывателя Lc. За счет наличия электромагнитной связи М между антенной считывателя и антенной идентификатора (карты) LK в последней наводится переменное напряжение, величина которого зависит от конструктивного исполнения и расстояния между картой и считывателем. Наведенное напряжение используется для питания микросхемы карты DK через выпрямитель, образованный диодом VDп и фильтрующим конденсатором Сф. Микросхема карты DK модулирует напряжение в антенне IK путем ее шунтирования резистором Кш. За счет связи антенн модуляция появляется в антенне считывателя Lc, детектируется диодом VDд и поступает на микросхему считывав ля Dc, которая дешифрирует код карты и вь его на контроллер через интерфейс Int. По такому принципу работали первые пассивные R/O (Read Only - только для чтения) Proximity-карты и считыватели. Затем были созданы идентификаторы, способные не только передавать информацию считывателю, но и получать ее для целей программирования (записи информации в энергонезависимую память). С точки зрения основных принципов построения RFID-системы в считывателе появился модулятор, который модулировал излучаемую считывателем несущую, а в карте - детектор и перепрограммируемая энергонезависимая память, в которую записывалась передаваемая считывателем информация (рис. 2). Идентификаторы (карты) при такой технологии уже называются R/W (Read Write), то есть "чтение и запись".

Рис. 2. Система RFID с технологией Read/Write

Первые промышленные системы RFID обосновались в частотном диапазоне 125 кГц. Но с ростом потребности в объеме передаваемой за короткое время информации были разработаны и более высокочастотные системы, в частности, функционирующие в диапазоне 13,56 МГц.

Независимо от частотного диапазона и метода кодирования конструкция карт, действующих по технологии RFID, примерно одинакова, как и показано на рис. 3.

Рис. 3. Устройство Proximity-карты

Из принципа работы-пары "карта - считыватель" ,однозначно следует вывод: чем большую дальность считывания мы хотим обеспечить, тем больших размеров будет считыватель и тем выше должна быть излучаемая мощность. Для грубой оценки потенциальной дальности пассивной системы RFID-диапазонов 125 кГц и 13,56 МГц можно принять за основу тот факт, что предельная дальность считывания кода карты равна диагонали антенны считывателя. Если вас будут убеждать в ином - не верьте!

Частоты и стандарты

Чтобы осмысленно относиться ко всему последующему материалу, следует рассмотреть частотные диапазоны систем RFID и основные стандарты, которым подчиняются практически все современные разработки в этой области. Начнем с частот. Сегодня RFID "оккупировали" четыре частотных диапазона: 125 кГц, 13,56 МГц, 800...900 МГц и 2,45 ГГц. Сразу стоит отметить, что диапазон 800...900 МГц используется намного реже, чем остальные три, поэтому мы не будем останавливаться на нем более подробно.

Чем объясняется выбор этих значений частот? Да тем, что именно такие значения принимают "дыры" в забитых сегодня до предела расписаниях частот для самых различных систем связи военного и вещательного назначения. Собственно говоря, это те частоты, для которых в большинстве стран разрешено вести коммерческие разработки, не получая разрешений на использование частоты. Для примера отметим, что диапазон 2,45 ГГц - это частоты, на которых работают Bluetooth и Wireless LAN, то есть беспроводные сети бытового назначения. Естественно, что в каждом из частотных диапазонов RFID-системам присущи вполне конкретные особенности, которые нагляднее всего иллюстрируются условными графиками, приведенными на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость параметров системы RFID от частоты

Следовательно, для каждого из диапазонов используются свои методы кодирования сигналов в паре "считыватель - карта", свои скорости передачи и алгоритмы разрешения коллизий. Механизм антиколлизий используется для того, чтобы при одновременном нахождении в поле считывателя нескольких идентификаторов можно было выбрать для диалога только один, который необходим в данный момент времени.

В старых системах Proximity без такого механизма одновременное поднесение к считывателю двух и более карт приводило к тому, что ни одна из них не читалась. Из дальнейшего материала нам станет ясно, что многие современные приложения на базе технологии RFID без этого инструмента попросту не могли бы функционировать.

Но вернемся к стандартам, поскольку именно унификация и стандартизация всегда были теми двигателями, которые позволяли частные решения интегрировать в мировую экономику. Сразу отметим, что стандартизация - это не событие, а процесс, который идет параллельно с развитием технологий, но, единожды укоренившись, стандарты действуют на протяжении достаточно длительного времени (справедливости ради отметим, что с определенного момента времени, к сожалению, становятся и тормозами прогресса).

Итак, для каждого из упомянутых частотных диапазонов действуют свои стандарты со своей степенью проработки. Наиболее общие их характеристики удобнее представить в табличной форме (см. таблицу).

Таблица

В таблице не упомянут диапазон 800...900 МГц ввиду того, что он используется достаточно редко и автору неизвестны действующие для этого диапазона стандарты.

"Нестандартные" решения

Как это ни парадоксально, но в обороте сегодня находится колоссальное количество Proximity-карт, не соответствующих ни одному из рассмотренных стандартов. Просто они были разработаны и пущены в обращение до того, как стандартизация коснулась области RFID. Тем не менее в системах контроля и управления доступом (СКУД) именно эти карты пока занимают основные позиции, поэтому мы коротко остановимся на их характеристиках. Сразу отметим, что практически все они функционируют в старом добром диапазоне 125 кГц, для которого и 15 лет назад техническая реализация была вполне доступной.

Рассмотренные ниже "нестандартные" по сегодняшним подходам решения на протяжении многих лет были и отчасти остаются сегодня стандартами "де-факто".

Карты Indala

Indala (подразделение Motorola) – исторически один из первых серийных производителей карт и считывателей Proximity для СКУД.

Карты имеют фиксированную внутреннюю длину кода карты, равную 35 битам, при этом считыватели формата 26 бит "отрезают" лишнюю часть кода карты при преобразовании в формат Wiegand, в то время как считыватели-ридеры с большей длиной кода, например Wiegand 44 (по-другому именуемым AMicro) "разбавляют" выходной код битами, имеющими постоянное значение. Тип (размерность) выходного кода у Indala определяется считывателем. Идентификаторы Indala используют амплитудную модуляцию несущей, поделенной пополам, и схемотехническая реализация демодулятора в считывателе для них является одной из самых сложных.

Карты HID

В отличие от Indala, любой считыватель HID работает во всех форматах (Wiegand 26, Wiegand 35, Wiegand 37 и так далее). Здесь формат выходного кода определен в карте, которая имеет постоянную длину кода, равную 64 бит. В зависимости от значения управляющих битов в начале кода считыватель автоматически выбирает режим, в котором ему формировать выходной код. Идентификаторы HID используют частотную модуляцию поднесущей, что обеспечивает достаточно высокую помехозащищенность и позволяет устойчиво работать даже при дальностях до 80-100 см.

Карты ЕМ Marin

Скорее всего, - если исключить Америку, где HID и Indala занимают большую часть рынка Proximity для систем безопасности - это самый популярный в мире тип карт. Дело в том, что HID и Indala свои решения запатентовали и бдительно следили за тем, чтобы их права не нарушали. Формат швейцарской фирмы ЕМ Marin оказался открытым, легко реализуемым технически за счет простейшей амплитудной модуляции, и сегодня в этом формате изготавливают идентификаторы десятки производителей карт и брелоков. Даже в России карты данного формата выпускаются уже около 10 лет. В отличие от идентификаторов Indala и НЮ, в ЕМ Marin информационная длина кода равна 5 байтам (40 бит), поэтому при преобразовании в наиболее популярный Wiegand 26 бит старшие биты кода всегда обрезаются. В формате ЕМ Marine реализована более серьезная защита от ошибок при считывании, за счет чего даже при менее помехоустойчивой амплитудной модуляции достоверность работы пары "идентификатор -считыватель" достаточно высокая.

Идентификаторы других производителей

Среди других производителей в первую очередь стоит упомянуть Texas Instruments. Его технология Tiris (125 кГц) заслуживает внимания, поскольку в ней впервые для RFID была применена технология "накачки". Суть заключается ее в том, что идентификатор Tiris работает не в непрерывном режиме излучения кода, как все вышерассмотренные системы, а некоторое время накапливает энергию, излучаемую считывателем, потом передает относительно короткую посылку со своим кодом считывателю, а затем опять переходит в режим накопления. Подобное решение позволяет получить большую дальность при неплохих энергетических характеристиках. Относительно сильные позиции Texas Instruments занимает и в диапазоне 13,56 МГц (система Taglt).

В диапазоне 125 кГц хорошо известны идентификаторы HITAG производства Philips. Наибольшее распространение идентификаторы HITAG, впрочем, как и Tiris, получили в области автомобильных систем безопасности - в иммобилайзерах. Идентификаторы Check Point были одними из первых, действующими в диапазоне 13,56 МГц. Считыватели Check Point, в отличие от считывателей других производителей с форматом Wiegand, имеют свой формат Wiegand 33, который отличается как по временным характеристикам, так и по принципу формирования кода. В России представлены достаточно крупные системы СКУД, использующие считыватели и карты данного типа. На рынке СКУД также присутствуют оригинальные форматы идентификаторов английских фирм Cotag и РАС International, работающих в низкочастотном диапазоне (125 кГц для Cotag и 135 кГц для РАС).

Использование RFID в СКУД

Стандартные карты

Системы доступа - одно из первых действительно массовых применений технологии RFID. Объясняется это, видимо, двумя факторами: во-первых, простотой реализации самой технологии применительно к СКУД (достаточно использовать идентификаторы R/0 только для чтения с небольшой - в три или четыре байта - длиной кода); во-вторых, непревзойденным удобством по сравнению с любыми другими типами идентификаторов: контактных, с магнитной полосой, Wiegand (не путать с форматом передачи кода считывателями!).

Карточка Proximity может быть прочитана считывателем даже через бумажник или кошелек и одновременно способна играть роль пропуска с фотографией или бэйджа. Кроме того, по сравнению с доминировавшими до появления технологии RFID магнитными картами сегодняшние карты Proximity имеют более высокий уровень защищенности от копирования и подделки. Можно сказать, что магнитные карты "выжили" только там, где они реально обеспечивают преимущество - например, доступ в банкоматы в ночное время. Кстати, в этом плане самой консервативной страной оказалась Америка -именно там до сих пор сохранилось наибольшее количество старых систем на магнитных картах.

Активные карты

Появление в СКУД технологии Proximity (в дословном переводе "близкий", "ближний") вызвало естественное желание увеличить дальность считывания кода карты. В результате "родились" системы Hands free ("свободные руки"). Но поскольку природу обмануть невозможно, для увеличения дальности пришлось оснащать идентификаторы (карты) малогабаритной литиевой батарейкой. Зато теперь для питания микросхемы карты не требовалась большая мощность излучения считывателя, и дальность подобных систем превысила один метр. Исторически лидером здесь стала английская компания Cotag. Ее активные карты имеют срок жизни не менее пяти лет.

Технология активных идентификаторов получила дальнейшее развитие в системах опознавания автомобилей. Такой идентификатор (уже не в виде карты, а виде небольшого блока, крепящегося к кузову автомобиля и получающего питание от его бортовой сети) работал, как правило, со считывателем, антенна которого представляла собой проволочную петлю, закрываемую в дорожное полотно.

Новые диапазоны

Идея идентификации продолжила движение вперед в системах диапазона 2,5 ГГц. В этом диапазоне линейные размеры антенн получаются достаточно маленькими, и считыватель даже размером с обувную коробку способен легко преодолеть метровый барьер на пассивных идентификаторах, а при активном - типовое значение максимальной дальности считывания становится равным 10 м. Примерами таких систем, известных в России, могут служить Tag-Master (Швеция) и Nedap (Голландия). При этом следует помнить, что находиться продолжительное время в поле работы считывателя большой дальности СВЧ-диапазона небезопасно (это касается даже мощности порядка 100 мВт). Еще одно преимущество, вытекающее из физических свойств данного частотного диапазона, - это четко выраженная в пространстве диаграмма направленности считывателя, что повышает его эффективность сточки зрения энергетики, а при использовании рядом расположенных проходов (проездов) уменьшает взаимовлияние рядом расположенных считывателей.

Новые возможности

Появление перезаписываемых (R/W) карт открывает применительно к СКУД ряд новых возможностей. Это, например, организация глобального антипассбэк'а даже при отсутствии связи между контроллерами, обслуживающими разные точки прохода одной его области. Другие интересные перспективы связаны с тем, что в карту несложно записать биометрические характеристики человека (скажем, отпечатки пальцев) и использовать их на объектах повышенной секретности. Такое решение продвигает на рынке компания BioScript. В принципе на карту реально записать цветную фотографию ее владельца и использовать на точках прохода для видеоверификации. К сожалению, дальнейшее развитие потенциала перезаписи хранящейся в карте информации ограничено тем, что на сегодняшний день практически не выпускается контроллеров СКУД, позволяющих непосредственно работать с картами R/W. Это касается и используемого повсеместно протокола обмена со считывателями Wiegand, и структур баз данных контроллера, и его логики работы. Все это обусловлено большой инерционностью в части разработки технических средств безопасности - мировые лидеры индустрии СКУД не обновляют линейки своих продуктов по 10-15 лет.

...и далее

В представленном вашему вниманию материале мы коснулись основ технологии RFID, дали обзор используемых частотных диапазонов, стандартов, появившихся в этой области за последние годы, а также рассказали об особенностях применения RFID-технологии в системах безопасности (СКУД). В ближайшее время будут рассмотрены вопросы, не освещенные в данной статье. Речь пойдет о таком новом направлении, как бесконтактные и многоинтерфейсные Smart-карты и "интеллектуальные" метки.