科學家們正在努力開發越來越小的物聯網設(she)備(bei)(bei)，比如比指(zhi)尖還(huan)小的(de)傳感器，可(ke)以使(shi)幾乎任何物體都(dou)可(ke)以被追蹤。這些微小的(de)傳感器有極(ji)小的(de)電池，通常幾乎不(bu)可(ke)能更換，因此工程師們加入了喚醒接收器，使(shi)設(she)備(bei)(bei)在不(bu)使(shi)用時處于(yu)低(di)功耗的(de)"睡眠"模式，以保(bao)存電池壽(shou)命
麻(ma)省(sheng)理工學院的(de)(de)研究人員(yuan)已經開發出一(yi)種新(xin)的(de)(de)喚醒接收器(qi)，其大小不到以(yi)前設(she)備(bei)的(de)(de)十分之(zhi)一(yi)，而且只(zhi)消耗幾微瓦(wa)的(de)(de)功(gong)率。他們的(de)(de)接收器(qi)還集成了一(yi)個低功(gong)耗的(de)(de)內(nei)置(zhi)認證系統(tong)，可(ke)以(yi)保(bao)護設(she)備(bei)免(mian)受某種可(ke)能迅速耗盡其電(dian)池的(de)(de)攻擊。
許多常見類型的喚醒接收器是以厘米為單位制造的，因為它們的天線必須與它們用來通信的無線電波的大小相匹配。相反，麻省理工學院的團隊建立了一個利用太赫茲波的接收器，其長度約為無線電波的十分之一。他們的芯片尺寸幾乎(hu)不超過1平(ping)方(fang)毫(hao)米(mi)。
研究人員用他(ta)們的(de)喚醒接收器演示了與幾米(mi)外(wai)的(de)信號源進行有效的(de)無線通信，展示了一個能夠(gou)使他(ta)們的(de)芯片用于小(xiao)型(xing)化傳感器的(de)范(fan)圍。
例如(ru)，喚醒(xing)接收器(qi)可以被納(na)入微型(xing)機(ji)器(qi)人中，以監(jian)測其他機(ji)器(qi)人無法到達的太小或(huo)危險區域的環境(jing)變化。此(ci)外，由于(yu)該設備使用(yong)太赫(he)茲波，它可以被用(yong)于(yu)新興的應用(yong)中，如(ru)現(xian)場部署的無線電網(wang)絡，該網(wang)絡以群組的形式工(gong)作，收集局部數據。
"通過使用(yong)太赫茲頻率，我們(men)可(ke)(ke)以(yi)制作一個每邊只有幾(ji)百(bai)微米(mi)的(de)(de)天線，這是一個非(fei)常小的(de)(de)尺寸。這意味(wei)著(zhu)我們(men)可(ke)(ke)以(yi)將(jiang)這些天線集(ji)成(cheng)到芯片(pian)上，形(xing)成(cheng)一個完全集(ji)成(cheng)的(de)(de)解決(jue)方案(an)。最終，這使我們(men)能夠(gou)建立(li)一個非(fei)常小的(de)(de)喚醒接(jie)收(shou)器，可(ke)(ke)以(yi)連(lian)接(jie)到微小的(de)(de)傳感器或(huo)收(shou)音機上，"電子(zi)工程和計算機科學（EECS）的(de)(de)研(yan)究生和關于(yu)喚醒接(jie)收(shou)器的(de)(de)論文的(de)(de)主要作者Eunseok Lee說。
Lee與他(ta)的(de)共(gong)同導(dao)師和資深(shen)作(zuo)者Anantha Chandrakasan（麻(ma)省理工(gong)學(xue)(xue)院工(gong)程(cheng)學(xue)(xue)院院長兼(jian)電(dian)子(zi)工(gong)程(cheng)和計算機科學(xue)(xue)的(de)Vannevar Bush教授，領導(dao)節能電(dian)路和系統小組(zu)）和Ruonan Han（EECS的(de)副(fu)教授，領導(dao)電(dian)子(zi)研究(jiu)實驗室的(de)太赫(he)茲集(ji)成電(dian)子(zi)小組(zu)）一起撰寫了這篇論文；還有麻(ma)省理工(gong)學(xue)(xue)院、印(yin)度(du)科學(xue)(xue)研究(jiu)所和波士頓大學(xue)(xue)的(de)其他(ta)人。這項研究(jiu)將在IEEE定制集(ji)成電(dian)路會議上發表。
縮小接收器的規模
太(tai)赫(he)茲(zi)(zi)波(bo)在電(dian)磁波(bo)譜上發現，介于微波(bo)和紅外光之(zhi)間(jian)，具有非常(chang)高的頻(pin)率，傳播速(su)度比無線電(dian)波(bo)快得多。Lee解釋說，太(tai)赫(he)茲(zi)(zi)波(bo)有時被稱為"鉛筆波(bo)"，它的傳播路徑(jing)比其他信號更(geng)直接，這使它們更(geng)安全。
然(ran)而，這種波具有如此高的頻率，太(tai)赫(he)(he)茲(zi)接收器(qi)通(tong)常將太(tai)赫(he)(he)茲(zi)信(xin)號乘以另一個信(xin)號來改變(bian)頻率，這一過程被(bei)稱(cheng)為頻率混合調制。太(tai)赫(he)(he)茲(zi)混合調制會消耗大量的電力。
相(xiang)反，Lee和他的(de)(de)合(he)作者開發(fa)了一(yi)種零(ling)功耗(hao)的(de)(de)探(tan)測(ce)器，可以在不需(xu)要混頻的(de)(de)情況(kuang)下探(tan)測(ce)太(tai)赫茲波。該探(tan)測(ce)器使用一(yi)對微小的(de)(de)晶(jing)體(ti)管作為天線，其(qi)消耗(hao)的(de)(de)功率非常小。
即使(shi)芯片(pian)上有(you)兩(liang)根天(tian)線(xian)，他們的喚醒接收(shou)器也(ye)只有(you)1.54平方毫(hao)米大小，消耗的功(gong)率不到3微(wei)瓦。這種雙天(tian)線(xian)設置最大限度地提高了性(xing)能，使(shi)其更(geng)容易讀取信號(hao)。
一(yi)旦接收(shou)到，他們的(de)芯(xin)片(pian)會放大太赫茲信(xin)號(hao)(hao)，然后將模擬數據轉(zhuan)換(huan)為數字信(xin)號(hao)(hao)進行(xing)處理。這個數字信(xin)號(hao)(hao)帶有一(yi)個令牌，是一(yi)串比特(te)（0和(he)1）。如果該令牌與(yu)喚(huan)醒接收(shou)器(qi)的(de)令牌相對應(ying)，它將激活設備。
提高安全性
在大多數喚醒接(jie)收器中(zhong)，相(xiang)同的(de)令牌被(bei)多次(ci)重復使(shi)用(yong)，因此竊聽(ting)的(de)攻擊(ji)(ji)者可以弄清它是什(shen)么。然后黑客(ke)可以發送一(yi)(yi)個信(xin)號，一(yi)(yi)次(ci)又一(yi)(yi)次(ci)地激活設備，使(shi)用(yong)所(suo)謂(wei)的(de)拒(ju)絕睡眠攻擊(ji)(ji)。
"有了喚醒接(jie)收器，設備的使(shi)用壽命(ming)可以從一(yi)天提高到一(yi)個月，例(li)如，但攻(gong)擊者可以使(shi)用拒絕(jue)睡(shui)眠攻(gong)擊，甚(shen)至在不到一(yi)天的時間內耗盡(jin)整(zheng)個電(dian)池壽命(ming)。他解(jie)釋說："這就(jiu)是為什(shen)么我們把認證過程放入我們的喚醒接(jie)收器中。"
他們添(tian)加(jia)了一(yi)個(ge)認(ren)(ren)證塊，利用(yong)(yong)一(yi)種算(suan)法每(mei)次(ci)隨機化設備的令牌，使用(yong)(yong)一(yi)個(ge)與受信(xin)任的發送(song)者共(gong)享的密鑰(yao)。這(zhe)個(ge)密鑰(yao)的作(zuo)用(yong)(yong)就像一(yi)個(ge)密碼(ma)--如果(guo)發送(song)者知(zhi)道這(zhe)個(ge)密碼(ma)，他們就可(ke)以用(yong)(yong)正(zheng)確的令牌發送(song)信(xin)號。研究人員使用(yong)(yong)一(yi)種被(bei)稱為輕量級密碼(ma)學(xue)的技術來做到這(zhe)一(yi)點，這(zhe)確保了整個(ge)認(ren)(ren)證過程只需額外消(xiao)耗幾納(na)瓦的電力(li)。
他(ta)(ta)們(men)(men)通過向喚(huan)醒(xing)接收器(qi)發送太(tai)赫(he)茲信(xin)(xin)(xin)號來(lai)測(ce)試(shi)他(ta)(ta)們(men)(men)的(de)設(she)備(bei)，因為(wei)他(ta)(ta)們(men)(men)增(zeng)加(jia)了芯片和太(tai)赫(he)茲源之間的(de)距離。通過這(zhe)種(zhong)方式，他(ta)(ta)們(men)(men)測(ce)試(shi)了他(ta)(ta)們(men)(men)的(de)接收器(qi)的(de)靈敏(min)度--設(she)備(bei)成功(gong)檢測(ce)到信(xin)(xin)(xin)號所需(xu)的(de)最小(xiao)信(xin)(xin)(xin)號功(gong)率。傳得(de)更(geng)遠的(de)信(xin)(xin)(xin)號的(de)功(gong)率更(geng)小(xiao)。
"我們實現(xian)了比別人長5到10米的(de)(de)距離演示(shi)，使用的(de)(de)是一個(ge)尺寸非常小、功(gong)耗(hao)為微瓦級的(de)(de)設備(bei)，""說。
但是為了發揮最大(da)的(de)作用，太赫(he)(he)茲(zi)波(bo)需要(yao)準確地聯(lian)系上探測器。如果(guo)芯片處于一個角度，一些(xie)信號就會丟(diu)失。因(yin)此(ci)，研究人員將他們的(de)設備(bei)與(yu)Han小組最近開發的(de)太赫(he)(he)茲(zi)波(bo)束可轉向陣列配對(dui)，以(yi)精(jing)確引導太赫(he)(he)茲(zi)波(bo)。利用這種(zhong)技(ji)術，通信可以(yi)被發送到多個芯片上，而(er)且(qie)信號損失最小。
在(zai)未來，Lee和他(ta)(ta)的(de)(de)合作者希望解決(jue)這(zhe)個信(xin)號衰(shuai)減的(de)(de)問(wen)題。如果他(ta)(ta)們能(neng)找(zhao)到一種方(fang)法，在(zai)接收芯片輕微移(yi)動或傾斜時保(bao)持信(xin)號強度，他(ta)(ta)們可以(yi)提高這(zhe)些設備(bei)的(de)(de)性(xing)能(neng)。他(ta)(ta)們還(huan)想在(zai)非常小的(de)(de)傳感器中(zhong)展示他(ta)(ta)們的(de)(de)喚(huan)醒接收器，并(bing)對該技術進行微調，以(yi)便在(zai)現實(shi)世界的(de)(de)設備(bei)中(zhong)使用(yong)。
"我們已經(jing)為未來的毫(hao)米(mi)級傳感、標簽和認證平(ping)臺開發(fa)了(le)豐(feng)富的技術組(zu)合，包(bao)括太赫(he)茲反散射、能量采(cai)集和電波束(shu)轉(zhuan)向和聚(ju)焦。Han說："現在(zai)，有(you)了(le)Eunseok公司(si)有(you)史以(yi)來第一(yi)個(ge)(ge)太赫(he)茲喚醒接收器(qi)，這(zhe)個(ge)(ge)組(zu)合就更(geng)加(jia)完整了(le)，這(zhe)對節省那些迷你平(ping)臺上極其有(you)限的能源(yuan)至關重要(yao)。"
其(qi)他共同(tong)作(zuo)者包括(kuo)Muhammad Ibrahim Wasiq Khan博士(shi)(shi)(shi)(shi)'22；EECS研究生Xibi Chen；印度科學研究所助理(li)教授Ustav Banerjee博士(shi)(shi)(shi)(shi)'21；Nathan Monroe博士(shi)(shi)(shi)(shi)'22；以及波士(shi)(shi)(shi)(shi)頓大學電子和計算機工程助理(li)教授Rabia Tugce Yazicigil。
