微型太赫茲喚醒接收器的潛在應(yīng)用

無線頻譜的太赫茲區(qū)域是電磁頻譜中一個(gè)非常令人抓狂的部分，它有時(shí)被稱為無線電信號(hào)和光學(xué)信號(hào)頻率之間的“死區(qū)（dead zone）”。頻段（300千兆赫到30太赫茲）有其吸引人的特性，但其令人生畏的物理特性在歷史上使其難以用于實(shí)際應(yīng)用。

然而，該區(qū)域?qū)ρ芯咳藛T仍然很有吸引力，近年來出現(xiàn)了一系列新的應(yīng)用。其中最新的是麻省理工學(xué)院工程師設(shè)計(jì)的超小型太赫茲喚醒接收器芯片。該接收器只需要幾微瓦的功率，并包括一個(gè)低功耗身份驗(yàn)證系統(tǒng)，使其免受拒絕睡眠攻擊。

麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究生Eunseok Lee表示，隨著小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增，喚醒接收器在今天變得越來越重要。Lee和麻省理工學(xué)院的其他研究人員在4月于圣安東尼奧舉行的2023 IEEE Custom Integrated Circuits Conference上發(fā)表了一篇關(guān)于他們研究的論文（https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/150157/Lee-eunseok-SM-EECS-2022-thesis.pdf？sequence=1&isAllowed=y）。Lee在Terahertz Integrated Electronics Group工作，該集團(tuán)目前正在使用太赫茲頻率開發(fā)超小型平臺(tái)。Lee說：“我們想為這些頻率找到［不同的］應(yīng)用……并認(rèn)為它們也是超小型傳感平臺(tái)的一個(gè)很好的備選者?！?/p>

喚醒接收器使電子設(shè)備保持休眠狀態(tài)，直到需要為止。“想想你的手機(jī)，”Lee說，“如果它一直打開常亮，它會(huì)消耗大量的電力，對(duì)吧？所以喚醒接收器所做的就是將電子設(shè)備保持在非常低的功率模式，直到我們向接收器發(fā)送信號(hào)，使其能夠激活整個(gè)系統(tǒng)?！?換句話說，微小的接收器可以保持非常小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命，這些設(shè)備的電池容量有限。

與所有天線一樣，用于喚醒接收器的天線需要與它們接收的波長大小成比例。大多數(shù)傳統(tǒng)的喚醒接收器使用Wi-Fi或藍(lán)牙，頻率約為2.4 GHz，波長約為12.5厘米。這就要求現(xiàn)有的接收器也要建立在厘米級(jí)上。Lee說：“然而，如果我們將載波頻率提高到幾十或幾百吉赫茲，其波長也會(huì)減少，這有助于減小天線尺寸，使其能夠安裝在非常小的毫米級(jí)傳感平臺(tái)上。”

麻省理工學(xué)院的研究人員建造了他們的接收器，以在太赫茲頻率上進(jìn)行通信，太赫茲頻率對(duì)應(yīng)于1到0.03毫米之間的波長。他們的接收器芯片是1.54mm2，使用的功率不到3微瓦。Lee說：“我們證明，我們的接收器可以支持5到10米的通信，功耗為微瓦?！?/p>

太赫茲波有時(shí)也被稱為鉛筆束，因?yàn)樗鼈冊诮o定距離內(nèi)的散射比無線電波少。這使得太赫茲波更安全，但在高頻下，它們也不能傳播很遠(yuǎn)。通常，太赫茲信號(hào)與另一個(gè)信號(hào)相乘，以改變其頻率并幫助其傳播，但這種混合使用了大量功率。Lee說：“由于傳感器上的電池非常小，我們的電力預(yù)算有限，我們所做的就是使用太赫茲自混合?！?該團(tuán)隊(duì)使用一對(duì)微小的晶體管作為探測器的天線，并以微不足道的電力成本混合了兩個(gè)太赫茲頻率。

Lee表示：“我們還在太赫茲接收器內(nèi)部部署了喚醒認(rèn)證電路?！?他說，雖然有許多用于喚醒接收器的安全協(xié)議，但在集成電路領(lǐng)域，以前沒有人試圖開發(fā)喚醒認(rèn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)可防止拒絕睡眠攻擊，即攻擊者試圖反復(fù)激活設(shè)備以耗盡電池電量。麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)使用了一種算法，使用與可信發(fā)送者共享的密鑰來隨機(jī)化設(shè)備的令牌。他們采用了一種名為輕量級(jí)密碼學(xué)的技術(shù)來結(jié)合令牌隨機(jī)化，這只消耗了幾毫瓦的功率。

微型太赫茲喚醒接收器的潛在應(yīng)用包括將其安裝在監(jiān)測對(duì)人類來說太小或太不安全的區(qū)域的微型基站內(nèi)，可以不引人注目地部署傳感器的室內(nèi)安全應(yīng)用，以及在機(jī)器人群中收集本地化數(shù)據(jù)。Lee補(bǔ)充道：“目前，我們也在研究使用太赫茲波的采集平臺(tái)，以及喚醒接收器的角度靈敏度。”他們還希望能夠?qū)μ掌澕夹g(shù)進(jìn)行微調(diào)，以供現(xiàn)實(shí)世界使用。