MIT开发太赫兹波唤醒接收器，支持物联网设备“安全休眠”
2023-04-26 16:57:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

科学家们一直在努力开发尺寸越来越小的物联网设备，例如比指尖还小的传感器，从而能够追踪几乎任何物体。这些小型传感器装置采用的电池体积很小，通常很难更换，因此工程师需要应用唤醒接收器，以使设备在不需要工作时保持低功耗的“睡眠”模式，从而延长电池寿命。

据麦姆斯咨询报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发了一种新型唤醒接收器，其尺寸不到目前类似器件的十分之一，功耗仅为几个微瓦。他们开发的唤醒接收器还集成了一款低功耗的内置身份验证系统，可以保护器件免受恶意攻击而迅速耗尽电池。

许多常见唤醒接收器的尺寸大多以厘米为单位，因为它们的天线必须与用于通信的无线电波成比例。麻省理工学院的研究团队另辟蹊径，打造了一款利用太赫兹波的唤醒接收器，太赫兹波长约为无线电波的十分之一。他们开发的芯片只有1平方毫米大小。

他们利用这款唤醒接收器验证了与数米外信号源的有效无线通信，展示了这款芯片能够用于微型传感器的有效范围。

这种唤醒接收器可以集成到微型机器人中，用于监测其他机器人无法到达的狭小或危险区域的环境变化。此外，由于该芯片采用太赫兹波，可以用于新兴的应用，例如可现场部署的无线电网络，作为Swarm网络来收集本地数据。

MIT电气工程和计算机科学（EECS）研究生，关于唤醒接收器论文的主要作者Eunseok Lee说：“通过使用太赫兹频率，我们可以制造出每边仅几百微米的天线，这是一个非常小的尺寸。这意味着我们可以将这些天线集成到芯片上，从而创建完全集成的解决方案。最终，这使我们能够打造一款非常微型化的唤醒接收器，它可以连接小型传感器或无线电设备。”

接收器微型化

相比无线电波，在微波和红外光之间的太赫兹波具有非常高的频率。Lee解释称，太赫兹波有时被称为“笔形波束”，它比其他信号传播的路径更狭窄更直接，这使它们更安全。

不过，太赫兹波如此高的频率，以至于太赫兹接收器经常需要将太赫兹信号乘以另一个信号来改变频率，这一过程被称为混频调制。太赫兹混频会消耗大量功率。

与此相反，Lee及其研究人员开发了一种零功耗检测器，可以在不需要混频的情况下检测太赫兹波。其探测器采用一对微型晶体管作为天线，消耗的功率非常小。

即使芯片上有两个天线，其唤醒接收器的尺寸也只有1.54平方毫米，功耗不到3微瓦。这种双天线设置最大限度地提高了器件性能，使读取信号更加容易。

太赫兹唤醒接收器芯片示意图

一旦接收到信号，他们开发的芯片会放大太赫兹信号，然后将模拟数据转换为数字信号进行处理。这个数字信号携带一个令牌，它是一串0和1组成的比特串。如果令牌与唤醒接收器的令牌相对应，那么将激活设备。

安全性更高

在大多数唤醒接收器中，同一个令牌会多次重复使用，给了窃听攻击者可乘之机。破解令牌后，黑客可以发送信号进行所谓的拒绝睡眠攻击，一次又一次地激活设备。

“例如，有了唤醒接收器，设备的寿命原本可以从一天提高到一个月，但攻击者可以使用拒绝睡眠攻击，在不到一天的时间内耗尽整个电池寿命。这就是为什么我们在唤醒接收器中加入了身份验证。”他解释道。

添加身份验证模块，拒绝攻击

研究人员添加了一种身份验证模块，利用算法对设备的令牌进行随机化，每次使用与可信发送者共享的密钥。这个密钥的作用就像密码，如果发送者知道密码，就可以用正确的令牌发送信号。研究人员使用一种轻量级加密技术实现了这种密钥，该技术确保整个身份验证过程只需额外消耗几纳瓦的功率。

他们向唤醒接收器发送太赫兹信号进行了测试，同时不断增加芯片和太赫兹源之间的距离。通过这种方式，他们测试了这款接收器的灵敏度，即设备成功检测信号所需要的最小信号功率。他们以更小的功耗实现了更远的接收距离。

Lee说：“我们开发了一种尺寸非常小、功耗微瓦级的接收器件，实现了比其他器件长5到10米的接收距离。”

为了达到最有效的结果，太赫兹波需要直接击中探测器。如果芯片处于一个倾斜角度，将丢失部分信号。因此，研究人员将他们开发的接收器与研究小组最近开发的太赫兹波束可控阵列配对，以精确地引导太赫兹波。利用这种技术，能够以最小的信号损耗将通信发送到多个芯片。

未来，Lee及其合作研究人员希望解决信号衰减的问题。如果他们能找到一种方法，在接收器芯片轻微移动或倾斜时保持信号强度，就能进一步提高这些器件的性能。他们还将在非常小的传感器中验证他们的唤醒接收器，并对该技术进行微调，以便应用于现实世界的设备。

研究人员表示：“我们已经为未来的毫米级传感、标记和认证平台开发了丰富的技术组合，包括太赫兹反向散射、能量收集、电子束转向和聚焦。现在，我们开发的这款太赫兹唤醒接收器使这一技术组合更加完整，这对于能源极其宝贵的微型平台至关重要。”

延伸阅读：

《光学和射频应用的超构材料-2022版》