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MIT研发的微型太赫兹接收器可长时间保护物联网设备的电池续航能力 关注

时间：2023-05-04 18:19:30 来源: cnBeta

科学家们正在努力开发越来越小的物联网设备，比如比指尖还小的传感器，可以使几乎任何物体都可以被追踪。这些微小的传感器有极小的电池，通常几乎不可能更换，因此工程师们加入了唤醒接收器，使设备在不使用时处于低功耗的"睡眠"模式，以保存电池寿命

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种新的唤醒接收器，其大小不到以前设备的十分之一，而且只消耗几微瓦的功率。他们的接收器还集成了一个低功耗的内置认证系统，可以保护设备免受某种可能迅速耗尽其电池的攻击。


(相关资料图)

许多常见类型的唤醒接收器是以厘米为单位制造的，因为它们的天线必须与它们用来通信的无线电波的大小相匹配。相反，麻省理工学院的团队建立了一个利用太赫兹波的接收器，其长度约为无线电波的十分之一。他们的芯片尺寸几乎不超过1平方毫米。

研究人员用他们的唤醒接收器演示了与几米外的信号源进行有效的无线通信，展示了一个能够使他们的芯片用于小型化传感器的范围。

例如，唤醒接收器可以被纳入微型机器人中，以监测其他机器人无法到达的太小或危险区域的环境变化。此外，由于该设备使用太赫兹波，它可以被用于新兴的应用中，如现场部署的无线电网络，该网络以群组的形式工作，收集局部数据。

"通过使用太赫兹频率，我们可以制作一个每边只有几百微米的天线，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，形成一个完全集成的解决方案。最终，这使我们能够建立一个非常小的唤醒接收器，可以连接到微小的传感器或收音机上，"电子工程和计算机科学（EECS）的研究生和关于唤醒接收器的论文的主要作者Eunseok Lee说。

Lee与他的共同导师和资深作者Anantha Chandrakasan（麻省理工学院工程学院院长兼电子工程和计算机科学的Vannevar Bush教授，领导节能电路和系统小组）和Ruonan Han（EECS的副教授，领导电子研究实验室的太赫兹集成电子小组）一起撰写了这篇论文；还有麻省理工学院、印度科学研究所和波士顿大学的其他人。这项研究将在IEEE定制集成电路会议上发表。

缩小接收器的规模

太赫兹波在电磁波谱上发现，介于微波和红外光之间，具有非常高的频率，传播速度比无线电波快得多。Lee解释说，太赫兹波有时被称为"铅笔波"，它的传播路径比其他信号更直接，这使它们更安全。

然而，这种波具有如此高的频率，太赫兹接收器通常将太赫兹信号乘以另一个信号来改变频率，这一过程被称为频率混合调制。太赫兹混合调制会消耗大量的电力。

相反，Lee和他的合作者开发了一种零功耗的探测器，可以在不需要混频的情况下探测太赫兹波。该探测器使用一对微小的晶体管作为天线，其消耗的功率非常小。

即使芯片上有两根天线，他们的唤醒接收器也只有1.54平方毫米大小，消耗的功率不到3微瓦。这种双天线设置最大限度地提高了性能，使其更容易读取信号。

一旦接收到，他们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。这个数字信号带有一个令牌，是一串比特（0和1）。如果该令牌与唤醒接收器的令牌相对应，它将激活设备。

提高安全性

在大多数唤醒接收器中，相同的令牌被多次重复使用，因此窃听的攻击者可以弄清它是什么。然后黑客可以发送一个信号，一次又一次地激活设备，使用所谓的拒绝睡眠攻击。

"有了唤醒接收器，设备的使用寿命可以从一天提高到一个月，例如，但攻击者可以使用拒绝睡眠攻击，甚至在不到一天的时间内耗尽整个电池寿命。他解释说："这就是为什么我们把认证过程放入我们的唤醒接收器中。"

他们添加了一个认证块，利用一种算法每次随机化设备的令牌，使用一个与受信任的发送者共享的密钥。这个密钥的作用就像一个密码--如果发送者知道这个密码，他们就可以用正确的令牌发送信号。研究人员使用一种被称为轻量级密码学的技术来做到这一点，这确保了整个认证过程只需额外消耗几纳瓦的电力。

他们通过向唤醒接收器发送太赫兹信号来测试他们的设备，因为他们增加了芯片和太赫兹源之间的距离。通过这种方式，他们测试了他们的接收器的灵敏度--设备成功检测到信号所需的最小信号功率。传得更远的信号的功率更小。

"我们实现了比别人长5到10米的距离演示，使用的是一个尺寸非常小、功耗为微瓦级的设备，""说。

但是为了发挥最大的作用，太赫兹波需要准确地联系上探测器。如果芯片处于一个角度，一些信号就会丢失。因此，研究人员将他们的设备与Han小组最近开发的太赫兹波束可转向阵列配对，以精确引导太赫兹波。利用这种技术，通信可以被发送到多个芯片上，而且信号损失最小。

在未来，Lee和他的合作者希望解决这个信号衰减的问题。如果他们能找到一种方法，在接收芯片轻微移动或倾斜时保持信号强度，他们可以提高这些设备的性能。他们还想在非常小的传感器中展示他们的唤醒接收器，并对该技术进行微调，以便在现实世界的设备中使用。

"我们已经为未来的毫米级传感、标签和认证平台开发了丰富的技术组合，包括太赫兹反散射、能量采集和电波束转向和聚焦。Han说："现在，有了Eunseok公司有史以来第一个太赫兹唤醒接收器，这个组合就更加完整了，这对节省那些迷你平台上极其有限的能源至关重要。"

其他共同作者包括Muhammad Ibrahim Wasiq Khan博士"22；EECS研究生Xibi Chen；印度科学研究所助理教授Ustav Banerjee博士"21；Nathan Monroe博士"22；以及波士顿大学电子和计算机工程助理教授Rabia Tugce Yazicigil。

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