科學家們一直在努力開發尺寸越來越小的物聯網設備，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，因此工程師需要應用喚醒接收器，以使設備在不需要工作時保持低功耗的“睡眠”模式，從而延長電池壽命。

據麥姆斯咨詢報道，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員開發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，功耗僅為幾個微瓦。他們開發的喚醒接收器還集成了一款低功耗的內置身份驗證系統，可以保護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，因為它們的天線必須與用于通信的無線電波成比例。麻省理工學院的研究團隊另辟蹊徑，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。他們開發的芯片只有1平方毫米大小。

他們利用這款喚醒接收器驗證了與數米外信號源的有效無線通信，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器人中，用于監測其他機器人無法到達的狹小或危險區域的環境變化。此外，由于該芯片采用太赫茲波，可以用于新興的應用，例如可現場部署的無線電網絡，作為Swarm網絡來收集本地數據。

MIT電氣工程和計算機科學（EECS）研究生，關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，太赫茲波有時被稱為“筆形波束”，它比其他信號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常需要將太赫茲信號乘以另一個信號來改變頻率，這一過程被稱為混頻調制。太赫茲混頻會消耗大量功率。

與此相反，Lee及其研究人員開發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。這種雙天線設置最大限度地提高了器件性能，使讀取信號更加容易。

太赫茲喚醒接收器芯片示意圖

一旦接收到信號，他們開發的芯片會放大太赫茲信號，然后將模擬數據轉換為數字信號進行處理。這個數字信號攜帶一個令牌，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，那么將激活設備。

安全性更高

在大多數喚醒接收器中，同一個令牌會多次重復使用，給了竊聽攻擊者可乘之機。破解令牌后，黑客可以發送信號進行所謂的拒絕睡眠攻擊，一次又一次地激活設備。

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

添加身份驗證模塊，拒絕攻擊

研究人員添加了一種身份驗證模塊，利用算法對設備的令牌進行隨機化，每次使用與可信發送者共享的密鑰。這個密鑰的作用就像密碼，如果發送者知道密碼，就可以用正確的令牌發送信號。研究人員使用一種輕量級加密技術實現了這種密鑰，該技術確保整個身份驗證過程只需額外消耗幾納瓦的功率。

他們向喚醒接收器發送太赫茲信號進行了測試，同時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，即設備成功檢測信號所需要的最小信號功率。他們以更小的功耗實現了更遠的接收距離。

Lee說：“我們開發了一種尺寸非常小、功耗微瓦級的接收器件，實現了比其他器件長5到10米的接收距離。”

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

未來，Lee及其合作研究人員希望解決信號衰減的問題。如果他們能找到一種方法，在接收器芯片輕微移動或傾斜時保持信號強度，就能進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證他們的喚醒接收器，并對該技術進行微調，以便應用于現實世界的設備。

研究人員表示：“我們已經為未來的毫米級傳感、標記和認證平臺開發了豐富的技術組合，包括太赫茲反向散射、能量收集、電子束轉向和聚焦。現在，我們開發的這款太赫茲喚醒接收器使這一技術組合更加完整，這對于能源極其寶貴的微型平臺至關重要。”

審核編輯：劉清