科学家们正在努力开发更小的物联网设备，比如比指尖还小的传感器，几乎可以追踪任何物体。这些微型传感器的电池很小，通常几乎无法更换，因此工程师采用了唤醒接收器，使设备在不使用时保持低功耗“睡眠”模式，从而延长电池寿命。
麻省理工学院的研究人员开发出一种新的唤醒接收器，它的尺寸不到以前设备的十分之一，功耗仅为几微瓦。他们的接收器还集成了一个低功耗的内置身份验证系统，可以保护设备免受某种类型的攻击，这种攻击可能会迅速耗尽电池电量。
许多常见类型的唤醒接收器都是以厘米为单位构建的，因为它们的天线必须与用于通信的无线电波的大小成比例。相反，麻省理工学院的团队建造了一个利用太赫兹波的接收器，太赫兹波的长度约为无线电波的十分之一。他们的芯片只有1平方毫米大小。
他们使用唤醒接收器展示了与几米外的信号源的有效无线通信，展示了使他们的芯片能够用于微型传感器的范围。
例如，唤醒接收器可以集成到微型机器人中，以监测其他机器人无法到达的太小或危险区域的环境变化。此外，由于该设备使用太赫兹波，它可以用于新兴应用，例如作为蜂群收集本地数据的可现场部署的无线电网络。
电气工程和计算机科学研究生，该研究的主要作者Eunseok Lee说：“通过使用太赫兹频率，我们可以制造出每侧只有几百微米的天线，这是一个非常小的尺寸。这意味着我们可以将这些天线集成到芯片上，从而创建一个完全集成的解决方案。最终，这使我们能够制造一个非常小型的唤醒接收器，可以连接到微小的传感器或无线电上。”
Lee与他的共同顾问和资深作者Anantha Chandrakasan一起撰写了这篇论文，Anantha Chandrakasan是麻省理工学院工程学院院长和Vannevar Bush电气工程与计算机科学教授，他领导着节能电路和系统小组，以及Ruonan Han， EECS副教授，电子研究实验室太赫兹集成电子组组长；以及麻省理工学院、印度科学研究所和波士顿大学的其他人。该研究正在IEEE定制集成电路会议上展示。
按比例缩小接收器
在微波和红外光之间的电磁波谱中发现的太赫兹波具有非常高的频率，传播速度比无线电波快得多。Lee解释说，太赫兹波有时被称为“笔形波束”，其传播路径比其他信号更直接，这使得它们更安全。
然而，这些波具有如此高的频率，以至于太赫兹接收器经常将太赫兹信号乘以另一个信号以改变频率，这一过程称为混频调制。太赫兹混频消耗大量功率。
相反，Lee和他的合作者开发了一种零功耗检测器，无需混频即可检测太赫兹波。探测器使用一对微型晶体管作为天线，消耗的功率非常小。
即使芯片上有两个天线，它们的唤醒接收器的尺寸也只有1.54平方毫米，功耗不到 3 微瓦。这种双天线设置可最大限度地提高性能并更容易读取信号。
一旦接收到，他们的芯片就会放大太赫兹信号，然后将模拟数据转换为数字信号进行处理。这个数字信号携带一个令牌，它是一串比特，0 和 1。如果令牌对应于唤醒接收器的令牌，它将激活设备。
加强安全
在大多数唤醒接收器中，同一个令牌会被重复使用多次，因此窃听攻击者可以弄清楚它是什么。然后，黑客可以发送一个信号，使用所谓的拒绝睡眠攻击，一次又一次地激活设备。
“例如，使用唤醒接收器，设备的使用寿命可以从一天缩短到一个月，但攻击者可以使用拒绝睡眠攻击，在不到一天的时间内耗尽整个电池寿命。这就是为什么我们在唤醒接收器中加入身份验证，”他解释道。
他们添加了一个身份验证模块，该模块每次使用与可信发送者共享的密钥，使用算法对设备的令牌进行随机化。这个密钥就像一个密码——如果发送者知道密码，他们可以发送一个带有正确令牌的信号。研究人员使用一种称为轻量级加密技术的技术来做到这一点，该技术可确保整个身份验证过程仅消耗几纳瓦的额外功率。
他们通过在增加芯片和太赫兹源之间的距离时向唤醒接收器发送太赫兹信号来测试他们的设备。通过这种方式，他们测试了接收器的灵敏度——设备成功检测到信号所需的最小信号功率。传播得更远的信号功率更小。
“我们使用尺寸非常小且功耗为微瓦级的设备实现了比其他人长5到10米的演示距离，”Lee说。
但为了最有效，太赫兹波需要直接击中探测器。如果芯片倾斜，部分信号将会丢失。因此，研究人员将他们的设备与Han小组最近开发的太赫兹波束可控阵列配对，以精确引导太赫兹波。使用这种技术，可以将通信发送到多个芯片，同时信号损失最小。
在未来，Lee和他的合作者想要解决这个信号衰减的问题。如果他们能找到一种方法在接收器芯片移动或轻微倾斜时保持信号强度，就可以提高这些设备的性能。他们还想在非常小的传感器中展示他们的唤醒接收器，并微调该技术以用于现实世界的设备。
“我们已经为未来的毫米级传感、标记和认证平台开发了丰富的技术组合，包括太赫兹反向散射、能量收集、电子束转向和聚焦。现在，Eunseok的第一个太赫兹唤醒接收器使这一组合更加完整，这对于节省这些迷你平台上极其有限的可用能量至关重要，”Han说。
其他合著者包括Muhammad Ibrahim Wasiq Khan PhD 22；EEC研究生Xibi Chen；Ustav Banerjee PhD 21，印度科学研究所助理教授；Nathan Monroe博士22；以及波士顿大学电气和计算机工程助理教授Rabia Tugce Yazicigil。
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