Исследователи из Массачусетского технологического института и других стран создали пробуждающий приемник, который обменивается данными с использованием терагерцовых волн, что позволило им создать чип, который более чем в 10 раз меньше, чем аналогичные устройства. Их приемник, который также включает аутентификацию для защиты от атак определенного типа, может помочь продлить срок службы батареи крошечных датчиков или роботов. Изображение: Хосе-Луис Оливарес/MIT, рисунок предоставлен исследователями.

Адам Зеве | Офис новостей Массачусетского технологического института

Ученые стремятся разработать все более компактные устройства Интернета вещей, такие как датчики размером меньше кончика пальца, которые могли бы сделать практически любой объект отслеживаемым. Эти крошечные датчики имеют крошечные батареи, которые часто почти невозможно заменить, поэтому инженеры используют приемники пробуждения, которые удерживают устройства в «спящем» режиме с низким энергопотреблением, когда они не используются, продлевая срок службы батареи.

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый пробуждающий приемник, который в десять раз меньше предыдущих устройств и потребляет всего несколько микроватт энергии. Их приемник также включает маломощную встроенную систему аутентификации, которая защищает устройство от атак определенного типа, которые могут быстро разрядить его аккумулятор.

Многие распространенные типы приемников пробуждения построены на сантиметровой шкале, поскольку их антенны должны быть пропорциональны размеру радиоволн, которые они используют для связи. Вместо этого команда Массачусетского технологического института создала приемник, использующий терагерцовые волны, длина которых составляет примерно одну десятую длины радиоволн. Размер их чипа едва превышает 1 квадратный миллиметр.

Они использовали свой пробуждающий приемник, чтобы продемонстрировать эффективную беспроводную связь с источником сигнала, который находился на расстоянии нескольких метров, продемонстрировав диапазон, который позволил бы использовать их чип в миниатюрных датчиках.

Например, будильник может быть встроен в микророботов, которые отслеживают изменения окружающей среды в областях, слишком маленьких или опасных для других роботов. Кроме того, поскольку устройство использует терагерцовые волны, его можно использовать в новых приложениях, таких как развертываемые в полевых условиях радиосети, которые работают как рои для сбора локализованных данных.

«Используя терагерцовые частоты, мы можем сделать антенну размером всего в несколько сотен микрометров с каждой стороны, что является очень маленьким размером. Это означает, что мы можем интегрировать эти антенны в чип, создавая полностью интегрированное решение. В конечном счете, это позволило нам создать очень маленький будильник, который можно было подключить к крошечным датчикам или радиоприемникам», — говорит Ынсок Ли, аспирант по электротехнике и компьютерным наукам (EECS) и ведущий автор статьи о пробуждении. вверх приемник.

Ли написал бумага со своими советниками и старшими авторами Анантой Чандракасан, деканом Инженерной школы Массачусетского технологического института и профессором электротехники и компьютерных наук Ванневара Буша, который возглавляет Группа энергоэффективных цепей и системи Руонан Хан, адъюнкт-профессор EECS, который возглавляет Группа интегрированной электроники Терагерц в Научно-исследовательская лаборатория электроники; а также другие в Массачусетском технологическом институте, Индийском институте науки и Бостонском университете. Исследование будет представлено на конференции IEEE Custom Integrated Circuits Conference.

Уменьшение размера приемника

Терагерцовые волны, обнаруженные в электромагнитном спектре между микроволнами и инфракрасным светом, имеют очень высокие частоты и распространяются намного быстрее, чем радиоволны. Иногда называемые «карандашными лучами», терагерцовые волны распространяются по более прямому пути, чем другие сигналы, что делает их более безопасными, объясняет Ли.

Однако волны имеют такие высокие частоты, что приемники терагерцового диапазона часто умножают терагерцовый сигнал на другой сигнал для изменения частоты. Этот процесс известен как модуляция смешения частот. Терагерцовое микширование потребляет много энергии.

Вместо этого Ли и его сотрудники разработали детектор с нулевым энергопотреблением, который может обнаруживать терагерцовые волны без необходимости смешивания частот. Детектор использует пару крошечных транзисторов в качестве антенн, которые потребляют очень мало энергии.

Даже с обеими антеннами на чипе их пробуждающий приемник имел размер всего 1,54 квадратных миллиметра и потреблял менее 3 микроватт энергии. Эта установка с двумя антеннами максимизирует производительность и упрощает считывание сигналов.

После получения их чип усиливает терагерцовый сигнал, а затем преобразует аналоговые данные в цифровой сигнал для обработки. Этот цифровой сигнал содержит маркер, представляющий собой строку битов (0 и 1). Если токен соответствует токену приемника пробуждения, он активирует устройство.

Повышение безопасности

В большинстве приемников пробуждения один и тот же токен повторно используется несколько раз, поэтому злоумышленник, подслушивающий, может выяснить, что это такое. Затем хакер может отправить сигнал, который будет активировать устройство снова и снова, используя так называемую атаку отказа в спящем режиме.

«С помощью пробуждающего приемника срок службы устройства может быть увеличен, например, с одного дня до одного месяца, но злоумышленник может использовать атаку отказа в спящем режиме, чтобы полностью разрядить аккумулятор даже менее чем за день. . Вот почему мы добавили аутентификацию в наш будильник», — объясняет он.

Они добавили блок аутентификации, в котором используется алгоритм для случайного выбора токена устройства каждый раз с использованием ключа, который передается доверенным отправителям. Этот ключ действует как пароль — если отправитель знает пароль, он может отправить сигнал с правильным токеном. Исследователи делают это, используя технику, известную как облегченная криптография, которая гарантирует, что весь процесс аутентификации потребляет всего несколько дополнительных нановатт энергии.

Они протестировали свое устройство, посылая терагерцовые сигналы на будильник, увеличивая расстояние между чипом и терагерцовым источником. Таким образом они проверили чувствительность своего приемника — минимальную мощность сигнала, необходимую для того, чтобы устройство успешно обнаружило сигнал. Сигналы, которые распространяются дальше, имеют меньшую силу.

«Мы добились демонстрации на расстоянии от 5 до 10 метров больше, чем другие, используя устройство с очень маленьким размером и потребляемой мощностью на уровне микроватт», — говорит Ли.

Но чтобы быть наиболее эффективными, терагерцовые волны должны попасть в детектор точно в цель. Если чип находится под углом, часть сигнала будет потеряна. Итак, исследователи соединили свое устройство с терагерцовая решетка с управляемым лучом, недавно разработанный группой Han, для точного направления терагерцовых волн. Используя этот метод, связь может быть отправлена ​​​​на несколько микросхем с минимальной потерей сигнала.

В будущем Ли и его сотрудники хотят решить эту проблему деградации сигнала. Если они смогут найти способ поддерживать мощность сигнала, когда чипы приемника слегка перемещаются или наклоняются, они могут повысить производительность этих устройств. Они также хотят продемонстрировать свой пробуждающий приемник на очень маленьких датчиках и точно настроить технологию для использования в реальных устройствах.

«Мы разработали обширный портфель технологий для будущих платформ обнаружения, маркировки и аутентификации миллиметрового размера, включая обратное терагерцовое рассеяние, сбор энергии, а также управление и фокусировку электрического луча. Теперь это портфолио более полно благодаря первому в мире приемнику пробуждения терагерцового диапазона от Eunseok, который имеет решающее значение для экономии крайне ограниченной энергии, доступной на этих мини-платформах», — говорит Хан.

Среди дополнительных соавторов Мухаммад Ибрагим Васик Хан, доктор философии ’22; Сиби Чен, аспирант EECS; Устав Банерджи, доктор философии ’21, доцент Индийского института науки; Натан Монро, доктор философии ’22; и Рабиа Тугче Язиджигил, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета.