Lec 7无电池传感与智慧城市（Batteryless Sensing & Smart Cities）

讲义完成更新于 2026-08-27

摘要

按供电：主动标签（Active Tag）内置电池，可主动发射；被动标签（Passive Tag）无电池，从读取器（Reader）发射的射频中收集能量后回应。

承接Lec 6 · 网状网络与多跳路由（Mesh Networking & Multi-Hop Routing）

后续Lec 8 · 自动驾驶汽车（Self-Driving Cars）

Lec 7 无电池传感与智慧城市（Batteryless Sensing & Smart Cities）

MIT 6.1820/MAS.453 · Mobile and Sensor Computing 阅读材料：Hacking RFIDs，Caraoke [MobiSys'13]

1. RFID 基础（Radio-Frequency Identification）

1.1 RFID 分类

定义 — RFID 标签类型

按频率：LF（125 kHz，门禁卡）、HF（13.56 MHz，NFC/地铁卡）、UHF（860–960 MHz，超市条码），UHF 读取距离最远（可达 10 m）。

按供电：**主动标签（Active Tag）**内置电池，可主动发射；**被动标签（Passive Tag）**无电池，从读取器（Reader）发射的射频中收集能量后回应。

1.2 能量收集与反向散射（Energy Harvesting & Backscatter）

被动 RFID 工作原理：

读取器发射连续波（CW）
标签的整流电路（Rectifier）将射频信号转为直流电
标签控制天线的匹配/失配状态，改变反射系数，调制出数据

$V_\text{harvested} = \eta \cdot \sqrt{\frac{P_{rx} \cdot Z_A}{2}}$

其中 $\eta$ 为整流效率， $Z_A$ 为天线阻抗， $P_{rx}$ 为接收功率。

推论 — 反向散射的能效优势

反向散射只需切换天线阻抗，消耗微瓦级功率，而主动发射需毫瓦级功率，差距约 1000 倍，这使被动 RFID 无需电池即可长期工作。

1.3 OOK 调制（On-Off Keying）

标签通过在两个天线负载状态之间切换实现二进制调制：

$s(t) = \begin{cases} A \cdot \cos(2\pi f t) & \text{bit = 1（ON）} \\ 0 & \text{bit = 0（OFF）}\end{cases}$

2. EPC Gen2 协议与 Slotted Aloha MAC

当多个标签同时存在时，必须解决读取碰撞（Tag Collision）问题。

定义

定义 — 分时隙 Aloha（Slotted Aloha）

读取器宣布共有 $Q = 2^K$ 个时隙（Slot），每个标签随机选择一个时隙回应。若某时隙只有一个标签回应，则读取成功；若多个标签碰撞，本轮不成功，下轮重试。

2.1 最优参数

设共有 $N$ 个标签，时隙数 $Q$ 的最优取值：

例题 — 最优时隙数与效率

当 $Q = N$ 时，Slotted Aloha 的吞吐量（Throughput）最高：

$\text{Throughput} = N \cdot P_\text{success} = N \cdot \frac{1}{Q}\left(1 - \frac{1}{Q}\right)^{N-1}$

当 $Q = N \to \infty$ 时：

$\text{Throughput}_\text{max} = N \cdot \frac{1}{N}\left(1 - \frac{1}{N}\right)^{N-1} \to \frac{1}{e} \approx 37\%$

Sol：即使在最优参数下，Slotted Aloha 的信道利用率上限约为 $1/e \approx 37\%$ 。

2.2 EPC Gen2 动态调整

EPC Gen2 通过 Q 参数动态调整时隙数：若碰撞率高则增大 Q，若空槽率高则减小 Q，趋近最优效率。

3. Hacking RFIDs：安全视角

核心问题：大多数被动 RFID 标签不具备认证机制，任何合法读取器均可读出标签 EPC（Electronic Product Code）编号。

攻击场景：

窃听（Eavesdropping）：读取器到标签的通信功率大，远距离可被截获
克隆（Cloning）：读取合法护照/门禁卡的 ID，伪造相同 ID 的标签
重放攻击（Replay Attack）：重放已截获的认证序列（若无随机挑战）

防御方向：加密、挑战-响应（Challenge-Response）协议、法拉第笼屏蔽。

4. Caraoke：基于 ETC 基础设施的智慧城市

背景：E-ZPass（美国电子不停车收费，Electronic Toll Collection）的 RFID 读取器已沿高速公路大量部署。

Caraoke 核心思想：复用现有 ETC 基础设施，提供新型智慧城市服务，无需额外部署基础设施。

4.1 可实现的应用

应用	原理
交通流量统计	计数通过读取器的车辆
行驶时间估算	两个读取器之间的时间差
道路拥堵检测	通过时间差推算车速
停车场管理	读取器部署于停车场入口

4.2 隐私问题

ETC 读取器会记录车辆 ID 与时间戳，可重建行驶轨迹（Location Trajectory），引发严重隐私顾虑。研究者提出使用假名（Pseudonyms）或定期更换 ID 以降低可追踪性。

推论 — 机会性基础设施复用

Caraoke 的设计哲学是"不重造轮子"——已经铺设好的感知基础设施（ETC 路侧单元）是一种宝贵资源，适当复用可以极低成本提供大量城市感知服务。

5. 无电池传感技术对比

技术	能量来源	通信距离	数据率
被动 RFID	RF（读取器）	< 10 m	kbps
NFC	RF（读取器）	< 20 cm	kbps
反向散射 Wi-Fi	Wi-Fi AP	< 50 m	Mbps
反向散射 LoRa	环境 LoRa 信号	< 1 km	kbps
能量采集 + 超级电容	太阳能/振动	任意（主动发射）	任意

本讲小结

被动 RFID 通过反向散射实现无电池通信，EPC Gen2 Slotted Aloha 协议提供多标签并发读取能力（效率上限 37%）；Caraoke 展示了复用已有 ETC 基础设施提供低成本智慧城市服务的思路，同时引出了位置隐私保护这一关键设计挑战。