科學(xué)家們一直在努力開發(fā)尺寸越來越小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如比指尖還小的傳感器，從而能夠追蹤幾乎任何物體。這些小型傳感器裝置采用的電池體積很小，通常很難更換，因此工程師需要應(yīng)用喚醒接收器，以使設(shè)備在不需要工作時(shí)保持低功耗的“睡眠”模式，從而延長電池壽命。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)了一種新型喚醒接收器，其尺寸不到目前類似器件的十分之一，功耗僅為幾個(gè)微瓦。他們開發(fā)的喚醒接收器還集成了一款低功耗的內(nèi)置身份驗(yàn)證系統(tǒng)，可以保護(hù)器件免受惡意攻擊而迅速耗盡電池。

許多常見喚醒接收器的尺寸大多以厘米為單位，因?yàn)樗鼈兊?a target="_blank">天線必須與用于通信的無線電波成比例。麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，打造了一款利用太赫茲波的喚醒接收器，太赫茲波長約為無線電波的十分之一。他們開發(fā)的芯片只有1平方毫米大小。

他們利用這款喚醒接收器驗(yàn)證了與數(shù)米外信號(hào)源的有效無線通信，展示了這款芯片能夠用于微型傳感器的有效范圍。

這種喚醒接收器可以集成到微型機(jī)器人中，用于監(jiān)測其他機(jī)器人無法到達(dá)的狹小或危險(xiǎn)區(qū)域的環(huán)境變化。此外，由于該芯片采用太赫茲波，可以用于新興的應(yīng)用，例如可現(xiàn)場部署的無線電網(wǎng)絡(luò)，作為Swarm網(wǎng)絡(luò)來收集本地?cái)?shù)據(jù)。

MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）研究生，關(guān)于喚醒接收器論文的主要作者Eunseok Lee說：“通過使用太赫茲頻率，我們可以制造出每邊僅幾百微米的天線，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，從而創(chuàng)建完全集成的解決方案。最終，這使我們能夠打造一款非常微型化的喚醒接收器，它可以連接小型傳感器或無線電設(shè)備。”

接收器微型化

相比無線電波，在微波和紅外光之間的太赫茲波具有非常高的頻率。Lee解釋稱，太赫茲波有時(shí)被稱為“筆形波束”，它比其他信號(hào)傳播的路徑更狹窄更直接，這使它們更安全。

不過，太赫茲波如此高的頻率，以至于太赫茲接收器經(jīng)常需要將太赫茲信號(hào)乘以另一個(gè)信號(hào)來改變頻率，這一過程被稱為混頻調(diào)制。太赫茲混頻會(huì)消耗大量功率。

與此相反，Lee及其研究人員開發(fā)了一種零功耗檢測器，可以在不需要混頻的情況下檢測太赫茲波。其探測器采用一對微型晶體管作為天線，消耗的功率非常小。

即使芯片上有兩個(gè)天線，其喚醒接收器的尺寸也只有1.54平方毫米，功耗不到3微瓦。這種雙天線設(shè)置最大限度地提高了器件性能，使讀取信號(hào)更加容易。

太赫茲喚醒接收器芯片示意圖

一旦接收到信號(hào)，他們開發(fā)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)攜帶一個(gè)令牌，它是一串0和1組成的比特串。如果令牌與喚醒接收器的令牌相對應(yīng)，那么將激活設(shè)備。

安全性更高

在大多數(shù)喚醒接收器中，同一個(gè)令牌會(huì)多次重復(fù)使用，給了竊聽攻擊者可乘之機(jī)。破解令牌后，黑客可以發(fā)送信號(hào)進(jìn)行所謂的拒絕睡眠攻擊，一次又一次地激活設(shè)備。

“例如，有了喚醒接收器，設(shè)備的壽命原本可以從一天提高到一個(gè)月，但攻擊者可以使用拒絕睡眠攻擊，在不到一天的時(shí)間內(nèi)耗盡整個(gè)電池壽命。這就是為什么我們在喚醒接收器中加入了身份驗(yàn)證。”他解釋道。

添加身份驗(yàn)證模塊，拒絕攻擊

研究人員添加了一種身份驗(yàn)證模塊，利用算法對設(shè)備的令牌進(jìn)行隨機(jī)化，每次使用與可信發(fā)送者共享的密鑰。這個(gè)密鑰的作用就像密碼，如果發(fā)送者知道密碼，就可以用正確的令牌發(fā)送信號(hào)。研究人員使用一種輕量級(jí)加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種密鑰，該技術(shù)確保整個(gè)身份驗(yàn)證過程只需額外消耗幾納瓦的功率。

他們向喚醒接收器發(fā)送太赫茲信號(hào)進(jìn)行了測試，同時(shí)不斷增加芯片和太赫茲源之間的距離。通過這種方式，他們測試了這款接收器的靈敏度，即設(shè)備成功檢測信號(hào)所需要的最小信號(hào)功率。他們以更小的功耗實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)的接收距離。

Lee說：“我們開發(fā)了一種尺寸非常小、功耗微瓦級(jí)的接收器件，實(shí)現(xiàn)了比其他器件長5到10米的接收距離。”

為了達(dá)到最有效的結(jié)果，太赫茲波需要直接擊中探測器。如果芯片處于一個(gè)傾斜角度，將丟失部分信號(hào)。因此，研究人員將他們開發(fā)的接收器與研究小組最近開發(fā)的太赫茲波束可控陣列配對，以精確地引導(dǎo)太赫茲波。利用這種技術(shù)，能夠以最小的信號(hào)損耗將通信發(fā)送到多個(gè)芯片。

未來，Lee及其合作研究人員希望解決信號(hào)衰減的問題。如果他們能找到一種方法，在接收器芯片輕微移動(dòng)或傾斜時(shí)保持信號(hào)強(qiáng)度，就能進(jìn)一步提高這些器件的性能。他們還將在非常小的傳感器中驗(yàn)證他們的喚醒接收器，并對該技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，以便應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備。

研究人員表示：“我們已經(jīng)為未來的毫米級(jí)傳感、標(biāo)記和認(rèn)證平臺(tái)開發(fā)了豐富的技術(shù)組合，包括太赫茲反向散射、能量收集、電子束轉(zhuǎn)向和聚焦。現(xiàn)在，我們開發(fā)的這款太赫茲喚醒接收器使這一技術(shù)組合更加完整，這對于能源極其寶貴的微型平臺(tái)至關(guān)重要。”

審核編輯：劉清