近日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員宣布研發(fā)了一款利用太赫茲頻段的新型芯片，該芯片作為喚醒接收器，其功耗僅為幾微瓦，能夠在很大程度上支持微型傳感器的有效運(yùn)行，進(jìn)一步擴(kuò)大了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范疇。在筆者看來，這一器件的創(chuàng)新，也在很大程度上成為無源物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)突破，尤其是支持面向6G的無源物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。
MIT新型接收芯片進(jìn)一步擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍
在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備小型化是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。物聯(lián)網(wǎng)需要服務(wù)于各行各業(yè)，由于自然環(huán)境和行業(yè)自身特點(diǎn)的限制，大量場(chǎng)景需要非常小型化、微型化的傳感器，而這些傳感器往往部署在無法持續(xù)供電的場(chǎng)景，需要小體積電池或外部環(huán)境能量源來供電。在這種情況下，超低功耗的設(shè)計(jì)就非常重要，尤其是一些無需實(shí)時(shí)在線采集數(shù)據(jù)的傳感器，在不工作的時(shí)段保持休眠，需要工作時(shí)再由專門的器件“喚醒”，從而達(dá)到節(jié)電的目的，超低功耗的喚醒芯片就發(fā)揮了核心作用。
本次MIT研究人員成功研發(fā)的這款器件就是一款喚醒的接收器，與微型傳感器集成，在接收到指令后喚醒傳感器完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。這款芯片的特點(diǎn)包括：
(1)大幅減小器件尺寸，與微型傳感器能夠適配
由于所使用頻段的原因，許多常見喚醒接收器的尺寸大多以厘米為單位。接收器的尺寸與通信的無線電波長(zhǎng)密切相關(guān)，MIT這一款接收器利用太赫茲頻段來喚醒，太赫茲由于波長(zhǎng)極短，因此所需的天線尺寸非常小，易于在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)集成，大幅縮減器件的尺寸。
MIT研究人員提到：通過使用太赫茲頻率，我們可以制造出僅幾百微米的天線，這是一個(gè)非常小的尺寸，這意味著我們可以將這些天線集成到微型芯片上，從而創(chuàng)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(shè)備。
雖然這款芯片上集成了兩個(gè)天線，但其尺寸也僅有1.54平方毫米，是常見的喚醒接收器尺寸的十分之一。而且研究人員利用這款喚醒接收器驗(yàn)證了與數(shù)米外信號(hào)源的有效的無線通信，展示了這款芯片能夠用于微型傳感器的有效范圍。
目前，不少采用MEMS工藝的傳感器的尺寸也可以做到毫米級(jí)，與這款喚醒接收器的集成，能夠支持大量需要小尺寸器件的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。
(2)極低功耗，能夠適應(yīng)多樣化供電方案
由于太赫茲頻段較高，因此太赫茲調(diào)制過程較為復(fù)雜。MIT研究人員認(rèn)為，通過混頻調(diào)制的形勢(shì)，會(huì)消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人員們開發(fā)了一種零功耗檢測(cè)器，可以在不需要混頻的情況下檢測(cè)太赫茲電磁波，其探測(cè)器采用一對(duì)微型晶體管作為天線，消耗的功率非常小。
一旦接收到信號(hào)，他們開發(fā)的芯片會(huì)放大太赫茲信號(hào)，然后將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。這個(gè)數(shù)字信號(hào)攜帶一個(gè)令牌，它是一串0和1組成的字符串，如果令牌與喚醒接收器的令牌相對(duì)應(yīng)，那么將激活設(shè)備。
在多種技術(shù)的加持下，這一芯片的工作電壓為0.8V，功耗為2.88微瓦。在這一功耗水平下，不論是采用微型電池，還是采用環(huán)境能力采集的方案，均能對(duì)其形成有效支持。
(3)加入身份驗(yàn)證，保證安全機(jī)制
低功耗的芯片也不會(huì)忘記設(shè)置安全機(jī)制。在大多數(shù)喚醒接收器中，同一個(gè)令牌會(huì)多次重復(fù)使用，給了竊聽攻擊者可乘之機(jī)。破解令牌后，黑客可以發(fā)送信號(hào)進(jìn)行所謂的拒絕睡眠攻擊，一次又一次地激活設(shè)備。
研究人員解釋，有了喚醒接收器，設(shè)備的壽命原本可以從一天提高到一個(gè)月，但攻擊者可以使用拒絕睡眠的攻擊，在不到一天的時(shí)間內(nèi)耗盡整個(gè)電池壽命。因此，MIT研究人員在喚醒接收器中加入了身份驗(yàn)證模塊，拒絕攻擊。
這一身份驗(yàn)證模塊是利用算法對(duì)設(shè)備的令牌進(jìn)行隨機(jī)化，每次使用與可信發(fā)送者共享的密鑰。這個(gè)密鑰的作用就像密碼，如果發(fā)送者知道密碼，就可以用正確的令牌發(fā)送信號(hào)。研究人員使用一種輕量級(jí)加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這種密鑰，該技術(shù)確保整個(gè)身份驗(yàn)證過程只需額外消耗幾納瓦的功率。
(4)進(jìn)一步提升的通信效率
研究人員向喚醒接收器發(fā)送太赫茲信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)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(cè)試了這款接收器的靈敏度，即設(shè)備成功檢測(cè)信號(hào)所需要的最小信號(hào)功率，最終實(shí)驗(yàn)是比現(xiàn)有接收器遠(yuǎn)5-10米的接收距離，在1.02kbps的數(shù)據(jù)速率下保持低至-48dBm的靈敏度。
為了達(dá)到最有效的結(jié)果，太赫茲信號(hào)需要直接擊中探測(cè)器，如果芯片處于一個(gè)傾斜角度，將丟失部分信號(hào)。因此，研究人員將他們開發(fā)的接收器與太赫茲波束可控陣列配對(duì)，以精確地引導(dǎo)太赫茲信號(hào)。通過這種方式，能夠以最小的信號(hào)損耗發(fā)送到多個(gè)芯片。
未來，研究人員希望解決信號(hào)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(dòng)或傾斜時(shí)保持信號(hào)強(qiáng)度，就能進(jìn)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(yàn)證這一喚醒接收器，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行微調(diào)，以便應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備。
面向6G的無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
當(dāng)然，僅僅有了基于太赫茲的接收芯片還不足以完全支持無源物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。MIT的研究團(tuán)隊(duì)也表示他們已建立起一系列技術(shù)組合，能夠支持微型、超低功耗的傳感物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，這些技術(shù)組合中包括基于太赫茲的反向散射通信、能量采集技術(shù)和太赫茲波束管理等，在能量管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娲蛳禄A(chǔ)。
截至當(dāng)前，3GPP R18已將無源物聯(lián)網(wǎng)列為研究課題，預(yù)計(jì)R19版本中將形成首個(gè)基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，屆時(shí)5.5G網(wǎng)絡(luò)能夠支持無源物聯(lián)網(wǎng)的能量采集、反向散射等。
目前，全球主要經(jīng)濟(jì)體已啟動(dòng)了6G的前期研究，采用太赫茲通信技術(shù)已成為一個(gè)共識(shí)。根據(jù)IMT 2030(6G)推進(jìn)組發(fā)布的《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》，太赫茲頻段(0.1~10THz)位于微波與光波之間，頻譜資源極為豐富，具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)通信探測(cè)一體化等特點(diǎn)，重點(diǎn)滿足Tbps量級(jí)大容量、超高傳輸速率的系統(tǒng)需求。其中，微小尺寸通信(片間通信及納米通信)是一個(gè)潛在的應(yīng)用場(chǎng)景，而小型化、低成本、高效率的太赫茲收發(fā)架構(gòu)是亟待解決的技術(shù)問題。
本次MIT團(tuán)隊(duì)推出的新型接收器，可以說是太赫茲通信器件的一個(gè)突破?！叭f物智聯(lián)，數(shù)字孿生”是未來6G的愿景，無源物聯(lián)網(wǎng)作為海量設(shè)備連接的基礎(chǔ)，也是未來6G標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)方向之一?；谔掌澋奈⑿〕叽?、超低功耗通信構(gòu)成了6G無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的組成部分，在未來6G太赫茲商用后，能夠顯著發(fā)揮作用，充分利用6G太赫茲基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)大無源物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的范圍，推動(dòng)6G網(wǎng)絡(luò)“應(yīng)聯(lián)盡聯(lián)”的實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)然，太赫茲通信需要解決的關(guān)鍵核心技術(shù)及難點(diǎn)問題還很多，MIT本次探索可以說是為6G無源物聯(lián)系統(tǒng)提供了有益參考，相信未來針對(duì)6G無源物聯(lián)會(huì)產(chǎn)生大量的創(chuàng)新，助推“萬物智聯(lián)，數(shù)字孿生”愿景的到來。
