科學家們正在努力開發越來越小的物聯網設備，比如比指尖還小的傳感器，可以使幾乎任何物體都可以被追踪。這些微小的傳感器有極小的電池，通常幾乎不可能更換，因此工程師們加入了喚醒接收器，使設備在不使用時處於低功耗的”睡眠”模式，以保存電池壽命。

麻省理工學院的研究人員已經開發出一種新的喚醒接收器，其大小不到以前設備的十分之一，而且只消耗幾微瓦的功率。他們的接收器還集成了一個低功耗的內置認證系統，可以保護設備免受某種可能迅速耗盡其電池的攻擊。

許多常見類型的喚醒接收器是以厘米為單位製造的，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不超過1平方毫米。

研究人員用他們的喚醒接收器演示了與幾米外的信號源進行有效的無線通信，展示了一個能夠使他們的芯片用於小型化傳感器的範圍。

例如，喚醒接收器可以被納入微型機器人中，以監測其他機器人無法到達的太小或危險區域的環境變化。此外，由於該設備使用太赫茲波，它可以被用於新興的應用中，如現場部署的無線電網絡，該網絡以群組的形式工作，收集局部數據。

“通過使用太赫茲頻率，我們可以製作一個每邊只有幾百微米的天線，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，形成一個完全集成的解決方案。最終，這使我們能夠建立一個非常小的喚醒接收器，可以連接到微小的傳感器或收音機上，”電子工程和計算機科學（EECS）的研究生和關於喚醒接收器的論文的主要作者Eunseok Lee說。

Lee與他的共同導師和資深作者Anantha Chandrakasan（麻省理工學院工程學院院長兼電子工程和計算機科學的Vannevar Bush教授，領導節能電路和系統小組）和Ruonan Han（EECS的副教授，領導電子研究實驗室的太赫茲集成電子小組）一起撰寫了這篇論文；還有麻省理工學院、印度科學研究所和波士頓大學的其他人。這項研究將在IEEE定制集成電路會議上發表。

縮小接收器的規模

太赫茲波在電磁波譜上發現，介於微波和紅外光之間，具有非常高的頻率，傳播速度比無線電波快得多。Lee解釋說，太赫茲波有時被稱為”鉛筆波”，它的傳播路徑比其他信號更直接，這使它們更安全。

然而，這種波具有如此高的頻率，太赫茲接收器通常將太赫茲信號乘以另一個信號來改變頻率，這一過程被稱為頻率混合調製。太赫茲混合調製會消耗大量的電力。

相反，Lee和他的合作者開發了一種零功耗的探測器，可以在不需要混頻的情況下探測太赫茲波。該探測器使用一對微小的晶體管作為天線，其消耗的功率非常小。

即使芯片上有兩根天線，他們的喚醒接收器也只有1.54平方毫米大小，消耗的功率不到3微瓦。這種雙天線設置最大限度地提高了性能，使其更容易讀取信號。

一旦接收到，他們的芯片會放大太赫茲信號，然後將模擬數據轉換為數字信號進行處理。這個數字信號帶有一個令牌，是一串比特（0和1）。如果該令牌與喚醒接收器的令牌相對應，它將激活設備。

提高安全性

在大多數喚醒接收器中，相同的令牌被多次重複使用，因此竊聽的攻擊者可以弄清它是什麼。然後黑客可以發送一個信號，一次又一次地激活設備，使用所謂的拒絕睡眠攻擊。

“有了喚醒接收器，設備的使用壽命可以從一天提高到一個月，例如，但攻擊者可以使用拒絕睡眠攻擊，甚至在不到一天的時間內耗盡整個電池壽命。他解釋說：”這就是為什麼我們把認證過程放入我們的喚醒接收器中。”

他們添加了一個認證塊，利用一種算法每次隨機化設備的令牌，使用一個與受信任的發送者共享的密鑰。這個密鑰的作用就像一個密碼–如果發送者知道這個密碼，他們就可以用正確的令牌發送信號。研究人員使用一種被稱為輕量級密碼學的技術來做到這一點，這確保了整個認證過程只需額外消耗幾納瓦的電力。

他們通過向喚醒接收器發送太赫茲信號來測試他們的設備，因為他們增加了芯片和太赫茲源之間的距離。通過這種方式，他們測試了他們的接收器的靈敏度–設備成功檢測到信號所需的最小信號功率。傳得更遠的信號的功率更小。

“我們實現了比別人長5到10米的距離演示，使用的是一個尺寸非常小、功耗為微瓦級的設備，””說。

但是為了發揮最大的作用，太赫茲波需要準確地聯繫上探測器。如果芯片處於一個角度，一些信號就會丟失。因此，研究人員將他們的設備與Han小組最近開發的太赫茲波束可轉向陣列配對，以精確引導太赫茲波。利用這種技術，通信可以被發送到多個芯片上，而且信號損失最小。

在未來，Lee和他的合作者希望解決這個信號衰減的問題。如果他們能找到一種方法，在接收芯片輕微移動或傾斜時保持信號強度，他們可以提高這些設備的性能。他們還想在非常小的傳感器中展示他們的喚醒接收器，並對該技術進行微調，以便在現實世界的設備中使用。

“我們已經為未來的毫米級傳感、標籤和認證平台開發了豐富的技術組合，包括太赫茲反散射、能量採集和電波束轉向和聚焦。Han說：”現在，有了Eunseok公司有史以來第一個太赫茲喚醒接收器，這個組合就更加完整了，這對節省那些迷你平台上極其有限的能源至關重要。”

其他共同作者包括Muhammad Ibrahim Wasiq Khan博士’22；EECS研究生Xibi Chen；印度科學研究所助理教授Ustav Banerjee博士’21；Nathan Monroe博士’22；以及波士頓大學電子和計算機工程助理教授Rabia Tugce Yazicigil。