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Dec 06, 2018

Zwei Faktoren die verhindern, dass Anwender von RFID RAIN Systemen von den Verfgbarkeit der hheren ETSI-Frequenzen profitieren

Im Januar 2016 hatte ich einen Blog darüber geschrieben, wie RAIN RFID-Unternehmen ihre Interessen vor allem in Europa vertreten sollten. Die Regulierung der Frequenzzuteilung schreitet langsam voran und jetzt, zweieinhalb Jahre später, ist es mir eine große Freude festzustellen, dass die bisherigen Ergebnisse beeindruckend sind. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie die Nutzung des höheren ETSI-Frequenzbandes möglicherweise die Art und Weise der Optimierung des Tagging (Markierung von Objekten mittels RFID RAIN UHF Transpondern) verändert. Sicherlich werden sich diese Änderungen nicht unmittelbar bemerkbar machen. Mein Beitrag hebt zwei Faktoren hervor die derzeit einen unmittelbaren Vorteil dieser neuen Verordnung für den Anwender behindern.

Wie Tags traditionell abgestimmt werden

Im Jahr 2005 wurde das RAIN-Tagging in Europa weitgehend für das Frequenzband 866-868 MHz weitgehend optimiert. Eine solche Kennzeichnung bot in den USA nur eine sehr begrenzte oder nicht vorhandene Lesbarkeit, dies führte schnell zur Entstehung globaler Tag-Designs.

Während die weltweite (globale) Lesbarkeit im Prinzip keine so große technische Herausforderung darstellt, hat dies die Entwickler von Transponder (Tag) Antennen gezwungen, Einbußen bei der Sensitivität der Transponder in Kauf zu nehmen. Bei der Entwicklung von RFID Transpondern für die Montage auf Metall verlangt die globale Lesbarkeit in den Abmessungen deutlich größere Transpondern im Vergleich zu den winzigen Designs für einen stark eingeschränkten Frequenzbereich (ETSI 868 MHz oder FCC 915 MHz). Dies führt nicht nur zu weiteren technischen Herausforderungen sondern stellt auch einen zusätzlichen Preisfaktor dar.

Die Europäische Kommission genehmigt 4W für RFID-Lesegeräte bei 916-919 MHz

Schließlich heißt es im lang erwarteten Durchführungsbeschluss [EU] 2018/1538 der Europäischen Kommission vom 11. Oktober 2018, dass die Mitgliedstaaten bis zum 1. Februar 2019 drei Kanäle innerhalb des Frequenzbandes 916,1 -918,9 MHz für RFID-Lesegeräte öffnen sollten. Damit wird die Norm ETSI EN 302 208 V3.1.0 ergänzt, die ebenfalls ein RFID-Band zwischen 915 und 921 MHz definiert, allerdings mit eingeschränktem Umsetzungsstatus innerhalb der EU und der CEPT-Länder.

Während all dies nach Jahren der technischen Argumentation und Lobbyarbeit nach einem ausgezeichnetem Ergebnis klingt, werden die Hersteller von Lesegeräten vor neue technische Herausforderungen gestellt. Jedoch wie wird sich diese Entscheidung langfristig auf die RFID-Transponder auswirken?

Der optimale Bereich für Tagging auf globaler Ebene

Wie beabsichtigt, wird mit dem oberen ETSI-Band ein global harmonisiertes Frequenzband eingeführt, in dem alle geografischen Regionen verfügbare Kanäle für RFID-Leser haben!

Auch in Europa bietet sich damit die Möglichkeit, das Transponder-Design speziell für den oberen Frequenzbereich zu optimieren. In Anwendungen, in denen die RFID RAIN Lesegeräte (Reader) viel Zeit haben eine Bestandsaufnahme (Inventory) aller Transponder im Lesefeld durchzuführen und durch alle ETSI-Frequenzen zu scannen, sollte eine solcherart eingeschränkte Reaktion von Transpondern, die nur bei den oberen ETSI-Frequenzen wirklich empfindlich sind, kein Problem darstellen. Dies setzt natürlich voraus, dass die ETSI-Lesegeräte in Zukunft sowohl das traditionelle Frequenzband 866-868 MHz als auch das neue obere 916-919 MHz Frequenzband nutzen werden.

Unbekannter Faktor Nr.1: Umsetzungszeitplan in Mitteleuropa

Derzeit nutzt die GSM-R(ailway) das 918-921 MHz Frequenzband in Deutschland, Österreich und Frankreich auf der Grundlage nationalen Rechts gemäß den Frequenz Verordnungen der Internationalen Fernmeldeunion (International Telecommunication Union, kurz: ITU). Leider überlappt sich dieses Frequenzband und das für Europa neue obere ETSI RFID-Band. Die militärische Nutzung desselben Frequenzbereiches in Deutschland ist ein weiteres Fragezeichen und möglicherweise auch ein Hindernis. Die Europäische Kommission hat dieses Problem erkannt und gibt den Mitgliedstaaten die Möglichkeit, die Nutzung von GSM-R und RFID auf der Grundlage von Geographie, spezifischer Installation, Betriebsanforderungen oder ähnlichem zu koordinieren.

Was bedeutet dies nun in der Praxis? Schwer zu sagen. In Deutschland, Österreich oder Frankreich sind noch keine RFID-Umsetzungsrichtlinien veröffentlicht, also ist es von Vorteil die GS1-Übersicht der Regularien für Updates im Auge zu behalten. Die gute Nachricht ist, dass sich das „Future Railway Mobile Communication System“ (FRMCS) nicht mehr mit RFID überschneiden sollte. Die schlechte Nachricht ist, dass noch nicht bekannt ist, wann die Bahnen ein solches System entwickeln oder einsetzen. Das FRMCS-Projekt ist erst seit 2012 im Gange…. Ich persönlich erwarte, dass der Umsetzungsplan in Mitteleuropa bis zur zweiten Jahreshälfte 2019 weiter an Klarheit gewinnt.

Unbekannter Faktor Nr.2: Auswirkung der Leserempfindlichkeit

Der Lesebereich ist oft mehr eine Abschätzung als eine Tatsache, aber die Sensitivität des Lesegeräts ist in der Tat bereits in vielen Anwendungen ein limitierender Faktor. Ein gutes Beispiel ist die Zeitmessung von Marathonläufen. Herr Nikias Klohr von der race result AG hat dieses Thema in seinen exzellenten Präsentationen bei der Konferenz RFID Tomorrow und dem RAIN Face-to-Face-Meeting in Wien 2018 wiederholt angesprochen.

Wir alle haben in den letzten 15 Jahren gesehen, wie sich die erhöhte IC-Empfindlichkeit der Tags zur Entwicklung von Transpondern mit geringeren Abmessungen und nicht zu extrem langen >20 Meter-Lesereichweiten geführt hat. Wenn sich meine Vorhersage zur Optimierung des Tag-Designs für das 902-928 MHz-Band als richtig erweisen sollte, dann werden sich die Abmessungen und Kosten der Transponder weiter verringern.

Bis zum Jahr 2021 könnte die Stärke des rückgestrahlten Signals (Backscatter) von Miniatur-RAIN-Transpondern auf unter -90 dBm bis hinunter zu -100 dBm fallen. Die aktuelle Leserinfrastruktur wird solche geringen Transponder-Signale nicht so einfach interpretieren können. Daher müssen möglicherweise immer noch Transponder in den Abmessungen größer als notwendig verbunden mit höheren Kosten verwendet werden. Aus diesem Grund wird langfristig eine neue Gattung von Lesegeräten und eine Infrastruktur mit verbesserten Lesefähigkeiten benötigt, um die Gesamtkosten der RAIN RFID-Technologie weiter zu senken.

Fazit: Die Arbeit geht weiter

Wie schätzen Sie die Bedeutung der höheren ETSI-Frequenz ein? Haben Sie Einblicke in die regionalen Regulierungsdebatten in Deutschland oder Frankreich? Ich würde mich über einen Austausch zum Thema sehr freuen! Kontaktieren Sie uns dazu gerne.

Nov 23, 2018

Two Factors that Currently Prevent RAIN RFID End Users from Benefiting of the Upper ETSI Band

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In January 2016 I wrote a blog about how RAIN RFID companies should defend their interests especially in Europe. Frequency regulation moves forward slowly, and now 2,5 years later it gives me great pleasure to conclude that the results so far are rather impressive. Let’s have a look at how the upper ETSI band potentially changes the way tagging is optimized. Surely the change is not immediate, and my story further highlights two factors that currently prevent end users from benefiting from this new regulation.

How Tags Are Traditionally Tuned

In 2005 RAIN tagging in Europe was largely optimized for the 866-868 MHz frequency band. Such tagging provided only very limited or non-existent readability in US, which quickly lead to emergence of global tag designs.

While global readability has not been a major technical challenge, it has forced antenna designers to sacrifice some of tag’s sensitivity. On the on-metal tag side global readability leads to significantly larger sized tags compared with the tiny one-band designs, which is both an inconvenience and a price factor.

The European Commission Permits 4W for RFID Readers at 916-919 MHz

Finally, the long-awaited COMMISSION IMPLEMENTING DECISION [EU] 2018/1538 dated 11th October 2018 says that member states should open three channels within the 916,1 -918,9 MHz frequency band for RFID readers by 1st February 2019. This comes on top of the ETSI EN 302 208 V3.1.0 standard which also defines a RFID band between 915 and 921 MHz, although with limited implementation status within the EU and CEPT countries.

While all this sounds like a fantastic outcome after years of technical argumentation and lobbying, a new variety of technical challenges are introduced for reader manufacturers. However, what will be the long term impact of this decision on the RFID tagging side?

Global Sweet Spot for Tagging

As intended, the upper ETSI band introduces a global harmonized frequency band, where all geographic regions have available channels for RFID readers!

Also in Europe this introduces a possibility to optimize tag designs specifically for the upper frequency range. In applications where readers have plenty of time to conduct inventory and scan through all the ETSI frequencies, such limited response from tags sensitive only at the upper ETSI frequencies should not be a problem. Naturally this assumes that in the future the ETSI readers will utilize both the traditional 866-868 MHz and the new upper 916-919 MHz frequency band.

Unknown Factor #1: Implementation Schedule in Middle-Europe

Currently the GSM-R(ailway) is using the 918-921 MHz band in Germany, Austria and France based on National Law in accordance with the ITU Radio Regulations. Unfortunately this band overlaps with the upper ETSI RFID band. The military usage of the same band in Germany is another question mark, and even a roadblock. The Commission recognizes the situation, and gives member states the possibility to coordinate the use of GSM-R and RFID based on geography, specific installation, operating requirements or something else.

What does this mean in practice? I actually do not know. No RFID implementation guidelines are yet published in Germany, Austria or France, but it’s good to keep an eye on the: GS1 regulatory overview for updates. Good news is that the Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) should not overlap with RFID anymore. Bad news is that it’s now known when the railways will have such system designed or deployed – the FRMCS project has only been active since 2012… I personally anticipate that implementation schedule in Middle-Europe gains further clarity by second half of 2019.

Unknown Factor #2: Impact of Reader Sensitivity

The read range is often more an opinion than a fact, but the sensitivity of the reader is indeed already a limiting factor in many applications. An example is marathon race timing, and Mr. Nikias Klohr of race result AG has repeatedly raised this issue in his excellent presentations at the RFID Tomorrow and RAIN face-to-face meeting in Vienna 2018.

We all have seen over the past 15 years how the increased tag IC sensitivity has translated into smaller footprint tags rather than to ultra long >20 meter read ranges. If my prediction of tag design optimization for the 902-928 MHz band is correct, then the tag footprint will further shrink with the benefit of lower tagging costs.

By year 2021 backscatter signal strengths from miniature RAIN tags may fall below -90 dBm, even down to -100 dBm. The current reader infrastructure simply won’t be able to interpret such small tag responses, therefore larger-than-necessary tags may still need to be used at a higher expense. Therefore a new breed of readers and infrastructure with enhanced reading capabilities will be needed to continue drive down the overall cost of RAIN RFID technology.

Work Continues

What is your view on the significance of the upper ETSI band? Do you have insights into the local regulatory debates in Germany or France? Please contact us and let’s talk!

Oct 07, 2016

Recommendation for RFID Reader Testing from RAIN RFID Alliance

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The RAIN RFID Alliance recently published a recommendation for RFID reader sensitivity testing. But why is such a recommendation important for the RFID industry? I was deeply involved in its creation process, and can open up some of the reasoning behind it.

Reader Sensitivity Is Important

It is well known that the performance of a RAIN RFID system depends on

  • reader transmit power,
  • the path loss between the tag and the reader,
  • tag sensitivity,
  • tag backscatter power, and
  • reader sensitivity.

Now there is plenty of information available about tag performance, and tags are typically characterized in detail both in the design phase as well as in production. Measuring path loss (characterizing the environment) is relatively easy as well – simply measure a Voyantic Reference Tag with the Tagformance system in an unknown environment, and the result is the path loss between the reader and the tag (contact Voyantic for more information about the test process). But even though reader sensitivity is one of the main elements defining the overall performance of a RAIN RFID system, it has been given very little emphasis so far.

RAIN RFID Alliance Reader Sensitivity Test Recommendation

Almost all RFID reader datasheets report output power (TX power, radiated power, port power) somehow, but very few reader manufacturers report the receiver sensitivity of their reader. And without the sensitivity information, you can’t really be confident about the reliability of your RFID system. So RAIN RFID Alliance decided to take the initiative and publish a recommendation document “RAIN RFID Reader Sensitivity Testing” to get more companies to report their reader sensitivity.

Now reader sensitivity can be a complicated issue, but only if you let it.

It is well known that sensitivity varies (a little) as a function of the exact frequency, reader transmit power, and the choice of protocol parameters. However, the RAIN RFID Alliance workgroup that developed the recommendation, opted for simplicity and deemed sufficient to report a single sensitivity value. In order to make comparing reported sensitivity values easy, it was also required to report the used test parameters. As a result, RFID system integrators and end users can evaluate the usefulness of the sensitivity data by comparing the test parameters to those of their use case. And if needed, they can request further test data with other parameters.

Voyantic Readformance Reader Tester

Voyantic Readformance – Perfect Match with the RAIN RFID Alliance Recommendation

Voyantic has offered a solution for reader sensitivity testing, the Readformance, for several years. So with our experience in reader testing, it was natural for us to participate in developing the RAIN RFID Alliance test recommendation.

The approach taken in the recommendation was:

Easy and simple testing that anyone can perform without the most expensive test equipment.

This very same approach, combining simplicity and flexibility with fast and low cost testing, is exactly what we had in mind when designing the Readformance back in 2012.

In order to help the RFID industry, and to boost availability of reader sensitivity information, Voyantic is also offering reader sensitivity testing as a service, in addition to selling test equipment. Request a quotation for reader sensitivity testing!

Reader testing performed at the Voyantic lab

Learn How to Test RAIN RFID Reader Performance

Download our application note “Testing RAIN RFID Reader Performance with Voyantic Readformance” to learn how easy it is to test the sensitivity of a reader!

Jul 29, 2016

Battery Assisted Passive (BAP) Tags – Do You Know Your Reader Receiver Sensitivity?

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One of my customers in Taiwan is developing battery-assisted passive (BAP) tags. He called me recently and asked why the read range that they reach with their RFID reader is only a quarter (1/4) of the distance that they measure with their Tagformance RFID measurement system. I answered him with another question: “Do you know your reader receiver sensitivity…?”

What Is a BAP Tag?

A BAP tag has an on-board battery to power its IC, but like a passive tag, it does not have an active transmitter. BAP tags are generally used to reach longer read ranges than what passive tags can provide, or for logging some physical quantity when a reader is not present. As known, the typical limiting factor for the read range of a passive tag is the forward link. In other words, the read range of a normal passive tag is determined by how far the passive tag can be powered or activated, i.e., the tag sensitivity is the limiting factor. Therefore, by default designing the passive tag to receive power from an on-board battery as a BAP tag, read range could be increased.

However, since the on-board battery is only used to power-on the RFID IC or to increase the BAP tag sensitivity, the battery does not really increase the tag backscatter power. As a result, the return link will become the limiting factor for the read range of a BAP tag. In order to fully realize the maximum read range of a BAP tag, the reader receiver sensitivity becomes crucial.

BAP – Battery Assisted Passive – Tag

The Performance of a BAP Tag

When evaluating the performance of an RFID tag, the starting point is usually measuring the sensitivity of the tag as a function of frequency. The graph below shows the Tagformance Pro’s Threshold Sweep measurement results of one BAP tag. As can be seen, the theoretical read range for this BAP tag is close to 37 meters at 930 MHz. That is a lot; the read range of a good passive tag is around 10 meters.

Sensitivity of a BAP RFID Tag Measured with Tagformance Pro

But the forward link read range above is only the theoretical upper limit of the read range that can be reached. Below we use the Tagformance Pro’s Read Range measurement functionality to test the BAP tag with different reader parameter settings. The radiated power is set at 2W ERP. The yellow curve below shows that the read range is about 19 meters at 930 MHz if the reader receiver (RX) sensitivity is -85 dBm.

Read Range of a BAP Tag Measured with Tagformance Pro; 2W ERP & -85 dBm Sensitivity

By changing the reader sensitivity in the Tagformance software, we can see what reader sensitivity would be needed to reach the theoretical read range maximum. This situation is shown in the yellow curve below. The reader sensitivity required to reach the 37-meter read range is -97 dBm.

Read Range of a BAP Tag Measured with Tagformance Pro; 2W ERP & -97 dBm Sensitivity

From my experiences, it may not be easy nowadays to find a reader with the RX sensitivity of -97 dBm. Therefore, in order to reach the read range of 37 meters, I have suggested my customer redesign the BAP tag’s antenna to make the tag having stronger backscatter power and use a higher sensitivity reader if possible.

Reader receiver sensitivity is getting more attention in the RFID market after the increase of tag sensitivity both in BAP tags and normal passive tags. This means that the limiting factor for the read range is the return link. Receiver sensitivity is the key to optimizing the read range. Interestingly, most system integrators and even UHF reader suppliers do not know how to measure the receiver sensitivity. Voyantic’s Readformance reader tester is designed to tackle this challenge.

How to Measure Reader Receiver Sensitivity?

Do you want to learn how to measure the receiver sensitivity of RFID readers? Download the Voyantic Readformance datasheet