科學(xué)家們正在努力開發(fā)越來越小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，比如比指尖還小的傳感器，可以使幾乎任何物體都可以被追蹤。這些微小的傳感器有極小的電池，通常幾乎不可能更換，因此工程師們加入了喚醒接收器，使設(shè)備在不使用時(shí)處于低功耗的"睡眠"模式，以保存電池壽命。

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新的喚醒接收器，其大小不到以前設(shè)備的十分之一，而且只消耗幾微瓦的功率。他們的接收器還集成了一個(gè)低功耗的內(nèi)置認(rèn)證系統(tǒng)，可以保護(hù)設(shè)備免受某種可能迅速耗盡其電池的攻擊。

(相關(guān)資料圖)

許多常見類型的喚醒接收器是以厘米為單位制造的，因?yàn)樗鼈兊奶炀€必須與它們用來通信的無線電波的大小相匹配。相反，麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)建立了一個(gè)利用太赫茲波的接收器，其長(zhǎng)度約為無線電波的十分之一。他們的芯片尺寸幾乎不超過1平方毫米。

研究人員用他們的喚醒接收器演示了與幾米外的信號(hào)源進(jìn)行有效的無線通信，展示了一個(gè)能夠使他們的芯片用于小型化傳感器的范圍。

例如，喚醒接收器可以被納入微型機(jī)器人中，以監(jiān)測(cè)其他機(jī)器人無法到達(dá)的太小或危險(xiǎn)區(qū)域的環(huán)境變化。此外，由于該設(shè)備使用太赫茲波，它可以被用于新興的應(yīng)用中，如現(xiàn)場(chǎng)部署的無線電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)以群組的形式工作，收集局部數(shù)據(jù)。

"通過使用太赫茲頻率，我們可以制作一個(gè)每邊只有幾百微米的天線，這是一個(gè)非常小的尺寸。這意味著我們可以將這些天線集成到芯片上，形成一個(gè)完全集成的解決方案。最終，這使我們能夠建立一個(gè)非常小的喚醒接收器，可以連接到微小的傳感器或收音機(jī)上，"電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）的研究生和關(guān)于喚醒接收器的論文的主要作者Eunseok Lee說。

Lee與他的共同導(dǎo)師和資深作者Anantha Chandrakasan（麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長(zhǎng)兼電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)的Vannevar Bush教授，領(lǐng)導(dǎo)節(jié)能電路和系統(tǒng)小組）和Ruonan Han（EECS的副教授，領(lǐng)導(dǎo)電子研究實(shí)驗(yàn)室的太赫茲集成電子小組）一起撰寫了這篇論文；還有麻省理工學(xué)院、印度科學(xué)研究所和波士頓大學(xué)的其他人。這項(xiàng)研究將在IEEE定制集成電路會(huì)議上發(fā)表。

縮小接收器的規(guī)模

太赫茲波在電磁波譜上發(fā)現(xiàn)，介于微波和紅外光之間，具有非常高的頻率，傳播速度比無線電波快得多。Lee解釋說，太赫茲波有時(shí)被稱為"鉛筆波"，它的傳播路徑比其他信號(hào)更直接，這使它們更安全。

然而，這種波具有如此高的頻率，太赫茲接收器通常將太赫茲信號(hào)乘以另一個(gè)信號(hào)來改變頻率，這一過程被稱為頻率混合調(diào)制。太赫茲混合調(diào)制會(huì)消耗大量的電力。

相反，Lee和他的合作者開發(fā)了一種零功耗的探測(cè)器，可以在不需要混頻的情況下探測(cè)太赫茲波。該探測(cè)器使用一對(duì)微小的晶體管作為天線，其消耗的功率非常小。

即使芯片上有兩根天線，他們的喚醒接收器也只有1.54平方毫米大小，消耗的功率不到3微瓦。這種雙天線設(shè)置最大限度地提高了性能，使其更容易讀取信號(hào)。

一旦接收到，他們的芯片會(huì)放大太赫茲信號(hào)，然后將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。這個(gè)數(shù)字信號(hào)帶有一個(gè)令牌，是一串比特（0和1）。如果該令牌與喚醒接收器的令牌相對(duì)應(yīng)，它將激活設(shè)備。

提高安全性

在大多數(shù)喚醒接收器中，相同的令牌被多次重復(fù)使用，因此竊聽的攻擊者可以弄清它是什么。然后黑客可以發(fā)送一個(gè)信號(hào)，一次又一次地激活設(shè)備，使用所謂的拒絕睡眠攻擊。

"有了喚醒接收器，設(shè)備的使用壽命可以從一天提高到一個(gè)月，例如，但攻擊者可以使用拒絕睡眠攻擊，甚至在不到一天的時(shí)間內(nèi)耗盡整個(gè)電池壽命。他解釋說："這就是為什么我們把認(rèn)證過程放入我們的喚醒接收器中。"

他們添加了一個(gè)認(rèn)證塊，利用一種算法每次隨機(jī)化設(shè)備的令牌，使用一個(gè)與受信任的發(fā)送者共享的密鑰。這個(gè)密鑰的作用就像一個(gè)密碼--如果發(fā)送者知道這個(gè)密碼，他們就可以用正確的令牌發(fā)送信號(hào)。研究人員使用一種被稱為輕量級(jí)密碼學(xué)的技術(shù)來做到這一點(diǎn)，這確保了整個(gè)認(rèn)證過程只需額外消耗幾納瓦的電力。

他們通過向喚醒接收器發(fā)送太赫茲信號(hào)來測(cè)試他們的設(shè)備，因?yàn)樗麄冊(cè)黾恿诵酒吞掌澰粗g的距離。通過這種方式，他們測(cè)試了他們的接收器的靈敏度--設(shè)備成功檢測(cè)到信號(hào)所需的最小信號(hào)功率。傳得更遠(yuǎn)的信號(hào)的功率更小。

"我們實(shí)現(xiàn)了比別人長(zhǎng)5到10米的距離演示，使用的是一個(gè)尺寸非常小、功耗為微瓦級(jí)的設(shè)備，""說。

但是為了發(fā)揮最大的作用，太赫茲波需要準(zhǔn)確地聯(lián)系上探測(cè)器。如果芯片處于一個(gè)角度，一些信號(hào)就會(huì)丟失。因此，研究人員將他們的設(shè)備與Han小組最近開發(fā)的太赫茲波束可轉(zhuǎn)向陣列配對(duì)，以精確引導(dǎo)太赫茲波。利用這種技術(shù)，通信可以被發(fā)送到多個(gè)芯片上，而且信號(hào)損失最小。

在未來，Lee和他的合作者希望解決這個(gè)信號(hào)衰減的問題。如果他們能找到一種方法，在接收芯片輕微移動(dòng)或傾斜時(shí)保持信號(hào)強(qiáng)度，他們可以提高這些設(shè)備的性能。他們還想在非常小的傳感器中展示他們的喚醒接收器，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，以便在現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備中使用。

"我們已經(jīng)為未來的毫米級(jí)傳感、標(biāo)簽和認(rèn)證平臺(tái)開發(fā)了豐富的技術(shù)組合，包括太赫茲反散射、能量采集和電波束轉(zhuǎn)向和聚焦。Han說："現(xiàn)在，有了Eunseok公司有史以來第一個(gè)太赫茲喚醒接收器，這個(gè)組合就更加完整了，這對(duì)節(jié)省那些迷你平臺(tái)上極其有限的能源至關(guān)重要。"

其他共同作者包括Muhammad Ibrahim Wasiq Khan博士"22；EECS研究生Xibi Chen；印度科學(xué)研究所助理教授Ustav Banerjee博士"21；Nathan Monroe博士"22；以及波士頓大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程助理教授Rabia Tugce Yazicigil。