科學家們正在努力開發越來越小的物聯網設備，比如比指尖還小(xiao)(xiao)的傳感(gan)器，可以(yi)(yi)使幾(ji)乎任何物體都(dou)可以(yi)(yi)被追(zhui)蹤(zong)。這些微(wei)小(xiao)(xiao)的傳感(gan)器有(you)極小(xiao)(xiao)的電池(chi)，通常幾(ji)乎不(bu)可能更(geng)換，因此工程師們(men)加入了喚醒(xing)接(jie)收(shou)器，使設備在不(bu)使用時(shi)處于低功耗(hao)的"睡(shui)眠(mian)"模式，以(yi)(yi)保存電池(chi)壽命
麻(ma)省理工(gong)學院的(de)研究人員已經開發出一種新的(de)喚醒接(jie)收(shou)器(qi)(qi)，其大小不到以(yi)前設(she)備(bei)的(de)十分之一，而且只消耗幾微(wei)瓦(wa)的(de)功率。他們的(de)接(jie)收(shou)器(qi)(qi)還集成了一個低功耗的(de)內置認證系統，可以(yi)保護設(she)備(bei)免受(shou)某種可能(neng)迅速耗盡其電(dian)池(chi)的(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(chi)寸幾乎不(bu)超過1平方毫米。
研究人員用(yong)他(ta)們的(de)喚醒接收器(qi)演示(shi)了與幾(ji)米外的(de)信(xin)號源進行有效的(de)無線通信(xin)，展示(shi)了一個能夠使他(ta)們的(de)芯片用(yong)于小(xiao)型化傳(chuan)感器(qi)的(de)范圍。
例如，喚(huan)醒(xing)接(jie)收(shou)器可(ke)以(yi)被(bei)納入微(wei)型機器人中，以(yi)監(jian)測其他機器人無(wu)法到達的(de)(de)太(tai)小或危險區域的(de)(de)環(huan)境變化(hua)。此(ci)外，由于該(gai)設備使用(yong)太(tai)赫茲波，它可(ke)以(yi)被(bei)用(yong)于新(xin)興(xing)的(de)(de)應用(yong)中，如現場部(bu)署的(de)(de)無(wu)線電網(wang)絡(luo)，該(gai)網(wang)絡(luo)以(yi)群組(zu)的(de)(de)形式工作，收(shou)集局部(bu)數據。
"通過使用太赫茲頻(pin)率，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)制作(zuo)一(yi)(yi)個(ge)(ge)每邊只有幾(ji)百(bai)微(wei)米的(de)天線(xian)(xian)，這(zhe)是一(yi)(yi)個(ge)(ge)非常(chang)(chang)小(xiao)的(de)尺(chi)寸。這(zhe)意味著我(wo)們(men)可(ke)以(yi)將這(zhe)些天線(xian)(xian)集成(cheng)到芯片上(shang)，形成(cheng)一(yi)(yi)個(ge)(ge)完全集成(cheng)的(de)解決方案。最(zui)終，這(zhe)使我(wo)們(men)能夠建(jian)立一(yi)(yi)個(ge)(ge)非常(chang)(chang)小(xiao)的(de)喚醒接收器，可(ke)以(yi)連(lian)接到微(wei)小(xiao)的(de)傳感器或(huo)收音機上(shang)，"電子工(gong)程和計算機科學(xue)（EECS）的(de)研究生和關于喚醒接收器的(de)論文的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)者Eunseok Lee說。
Lee與他的(de)(de)(de)共同(tong)導(dao)(dao)師和(he)(he)資(zi)深作者(zhe)Anantha Chandrakasan（麻(ma)省理工學(xue)(xue)院(yuan)工程學(xue)(xue)院(yuan)院(yuan)長兼電(dian)子工程和(he)(he)計算機科學(xue)(xue)的(de)(de)(de)Vannevar Bush教授，領導(dao)(dao)節能(neng)電(dian)路(lu)和(he)(he)系統(tong)小(xiao)組）和(he)(he)Ruonan Han（EECS的(de)(de)(de)副(fu)教授，領導(dao)(dao)電(dian)子研(yan)究(jiu)實驗室的(de)(de)(de)太(tai)赫茲集成電(dian)子小(xiao)組）一起撰寫了這篇論(lun)文；還(huan)有(you)麻(ma)省理工學(xue)(xue)院(yuan)、印(yin)度科學(xue)(xue)研(yan)究(jiu)所和(he)(he)波士頓大學(xue)(xue)的(de)(de)(de)其(qi)他人(ren)。這項(xiang)研(yan)究(jiu)將(jiang)在IEEE定制(zhi)集成電(dian)路(lu)會(hui)議上發表。
縮小接收器的規模
太(tai)赫茲波在電(dian)磁波譜上發現，介于微波和紅外光(guang)之間，具(ju)有非常高的頻率，傳(chuan)播(bo)速度比無線電(dian)波快得多。Lee解釋說，太(tai)赫茲波有時被稱為"鉛筆波"，它(ta)的傳(chuan)播(bo)路徑比其他信號(hao)更(geng)直接，這使它(ta)們更(geng)安全。
然(ran)而，這(zhe)種(zhong)波具有如(ru)此高(gao)的頻(pin)率(lv)，太赫(he)茲接收(shou)器通常將太赫(he)茲信號乘以另一(yi)個信號來(lai)改變頻(pin)率(lv)，這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)被稱為(wei)頻(pin)率(lv)混合(he)調制。太赫(he)茲混合(he)調制會(hui)消(xiao)耗大量(liang)的電力。
相反，Lee和他(ta)的(de)合作者開發了一種零功耗的(de)探(tan)(tan)測器，可以在不需要混頻的(de)情況下探(tan)(tan)測太赫茲(zi)波。該探(tan)(tan)測器使(shi)用一對微小(xiao)的(de)晶體管作為天(tian)線，其(qi)消耗的(de)功率非常小(xiao)。
即使(shi)芯片(pian)上有兩根天線(xian)，他們的喚醒(xing)接收器也只(zhi)有1.54平方毫米大小，消耗的功(gong)率(lv)不到3微瓦。這種雙天線(xian)設置最大限度地提高了性能，使(shi)其更容易讀(du)取信號。
一(yi)旦(dan)接收(shou)到，他(ta)們(men)的芯(xin)片會放大(da)太(tai)赫茲信(xin)(xin)號，然后將模擬數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)為數(shu)字(zi)信(xin)(xin)號進行處理。這個數(shu)字(zi)信(xin)(xin)號帶(dai)有(you)一(yi)個令(ling)牌(pai)(pai)，是一(yi)串比特（0和(he)1）。如(ru)果該令(ling)牌(pai)(pai)與喚(huan)醒接收(shou)器的令(ling)牌(pai)(pai)相對應，它將激(ji)活設備(bei)。
提高安全性
在大多數喚醒接(jie)收器中，相(xiang)同的(de)(de)令牌被多次重(zhong)復使用，因此(ci)竊聽的(de)(de)攻(gong)擊者(zhe)可(ke)以弄(nong)清它是什么(me)。然(ran)后黑客可(ke)以發送一個信號，一次又一次地激(ji)活設(she)備，使用所(suo)謂(wei)的(de)(de)拒絕睡眠攻(gong)擊。
"有了喚醒接收器，設備的使(shi)用壽命可(ke)(ke)以從一天提高到(dao)一個月，例如，但攻(gong)擊者可(ke)(ke)以使(shi)用拒(ju)絕睡(shui)眠攻(gong)擊，甚(shen)至(zhi)在不到(dao)一天的時間內(nei)耗盡整(zheng)個電池壽命。他(ta)解釋說："這就是為什么我們(men)把(ba)認證過程放入我們(men)的喚醒接收器中。"
他們(men)添(tian)加了一(yi)個(ge)認證(zheng)塊，利用(yong)(yong)(yong)一(yi)種(zhong)算法每次隨機(ji)化設備的令牌(pai)，使用(yong)(yong)(yong)一(yi)個(ge)與受(shou)信(xin)任的發(fa)送者共享的密鑰(yao)(yao)。這(zhe)(zhe)個(ge)密鑰(yao)(yao)的作用(yong)(yong)(yong)就像一(yi)個(ge)密碼--如果發(fa)送者知道這(zhe)(zhe)個(ge)密碼，他們(men)就可以用(yong)(yong)(yong)正(zheng)確的令牌(pai)發(fa)送信(xin)號(hao)。研究人員使用(yong)(yong)(yong)一(yi)種(zhong)被(bei)稱(cheng)為輕量級(ji)密碼學(xue)的技術來(lai)做到(dao)這(zhe)(zhe)一(yi)點，這(zhe)(zhe)確保了整(zheng)個(ge)認證(zheng)過(guo)程只需額外消耗幾(ji)納瓦(wa)的電力(li)。
他們(men)(men)(men)通(tong)過(guo)向喚醒接收(shou)器發送太(tai)赫(he)茲(zi)信號(hao)來(lai)測試他們(men)(men)(men)的設備，因(yin)為他們(men)(men)(men)增加了(le)(le)芯片和太(tai)赫(he)茲(zi)源之(zhi)間的距離。通(tong)過(guo)這種方式，他們(men)(men)(men)測試了(le)(le)他們(men)(men)(men)的接收(shou)器的靈敏度--設備成功(gong)檢測到信號(hao)所(suo)需的最小信號(hao)功(gong)率(lv)。傳得更遠的信號(hao)的功(gong)率(lv)更小。
"我(wo)們實現了(le)比別(bie)人長5到10米(mi)的(de)(de)距(ju)離(li)演示(shi)，使用的(de)(de)是一個尺寸非常小、功耗為微瓦級(ji)的(de)(de)設備，""說(shuo)。
但是為了發(fa)(fa)揮最大的作(zuo)用，太赫(he)茲(zi)波(bo)需要準確地聯系上探(tan)測器。如果芯(xin)片處于一個角度(du)，一些信(xin)號(hao)就會丟失。因此，研(yan)究人(ren)員(yuan)將他們的設備與Han小(xiao)組最近開發(fa)(fa)的太赫(he)茲(zi)波(bo)束(shu)可轉向陣列配對(dui)，以(yi)精確引導(dao)太赫(he)茲(zi)波(bo)。利用這(zhe)種技術(shu)，通信(xin)可以(yi)被(bei)發(fa)(fa)送(song)到多(duo)個芯(xin)片上，而且(qie)信(xin)號(hao)損失最小(xiao)。
在未來，Lee和他的合作者(zhe)希望解決(jue)這個信號(hao)衰減的問題(ti)。如果他們(men)(men)能找到一種方(fang)法(fa)，在接收(shou)芯片輕(qing)微移動或傾(qing)斜時(shi)保持信號(hao)強度(du)，他們(men)(men)可以提(ti)高這些設備(bei)的性能。他們(men)(men)還想在非常小的傳感器(qi)中展示他們(men)(men)的喚醒接收(shou)器(qi)，并對該技術(shu)進行微調(diao)，以便在現實世(shi)界的設備(bei)中使用。
"我們已經為未來的(de)毫米級傳感、標(biao)簽和認證平(ping)臺開(kai)發了(le)豐富的(de)技術(shu)組合(he)，包括太赫茲(zi)反散(san)射(she)、能(neng)量采(cai)集和電波束轉向和聚(ju)焦。Han說："現(xian)在，有(you)了(le)Eunseok公司(si)有(you)史以來第一個太赫茲(zi)喚醒接收器(qi)，這個組合(he)就(jiu)更加完整了(le)，這對節(jie)省那些迷(mi)你平(ping)臺上極其有(you)限的(de)能(neng)源至關重要(yao)。"
其他共同(tong)作(zuo)者包括(kuo)Muhammad Ibrahim Wasiq Khan博(bo)士(shi)(shi)'22；EECS研究(jiu)生Xibi Chen；印度科學(xue)(xue)研究(jiu)所助(zhu)理教授Ustav Banerjee博(bo)士(shi)(shi)'21；Nathan Monroe博(bo)士(shi)(shi)'22；以及波士(shi)(shi)頓大學(xue)(xue)電子和計算機工(gong)程助(zhu)理教授Rabia Tugce Yazicigil。
