Маленький терагерцевий приймач зберігає термін служби батареї IoT

Вчені прагнуть розробити дедалі менші пристрої Інтернету речей, такі як датчики, менші за кінчик пальця, які могли б зробити майже будь-який об’єкт відстежуваним. Ці мініатюрні датчики мають мініатюрні батареї, які часто майже неможливо замінити, тому інженери включають приймачі пробудження, які тримають пристрої в режимі сну з низьким енергоспоживанням, коли вони не використовуються, зберігаючи термін служби батареї.

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту розробили новий приймач пробудження, розмір якого менше однієї десятої порівняно з попередніми пристроями та споживає лише кілька мікроват енергії. Їхній приймач також містить вбудовану систему автентифікації з низьким енергоспоживанням, яка захищає пристрій від певного типу атак, які можуть швидко розрядити акумулятор.

Багато поширених типів приймачів будильника побудовано на сантиметровій шкалі, оскільки їхні антени мають бути пропорційними розміру радіохвиль, які вони використовують для зв’язку. Натомість команда Массачусетського технологічного інституту побудувала приймач, який використовує хвилі терагерцового діапазону, які становлять приблизно одну десяту довжини радіохвиль. Розмір їх мікросхеми ледве перевищує 1 квадратний міліметр.

Вони використали свій приймач пробудження, щоб продемонструвати ефективний бездротовий зв’язок із джерелом сигналу, яке знаходилося на відстані кількох метрів, продемонструвавши діапазон, який дозволить використовувати їхній чіп у мініатюрних датчиках.

Наприклад, приймач пробудження може бути вбудований в мікророботи, які відстежують зміни навколишнього середовища в областях, які або занадто малі, або небезпечні для інших роботів. Крім того, оскільки пристрій використовує хвилі терагерцового діапазону, його можна використовувати в нових програмах, таких як радіомережі, що розгортаються в польових умовах, які працюють як зграї для збору локалізованих даних.

«Використовуючи терагерцові частоти, ми можемо зробити антену розміром лише кілька сотень мікрометрів з кожного боку, що є дуже малим розміром. Це означає, що ми можемо інтегрувати ці антени в чіп, створюючи повністю інтегроване рішення. Зрештою, це дозволило нам побудувати дуже маленький приймач пробудження, який можна було б приєднати до крихітних датчиків або радіоприймачів», — говорить Юнсок Лі, аспірант з електротехніки та інформатики (EECS) і провідний автор статті про пробудження. вгору приймач.

Лі написав статтю разом зі своїми співрадниками та старшими авторами Анантою Чандракасан, деканом Інженерної школи Массачусетського технологічного інституту та професором електротехніки та комп’ютерних наук Ванневара Буша, який очолює групу енергоефективних схем і систем, і Руонаном Ханом, доцент EECS, який очолює групу терагерцевої інтегрованої електроніки в науково-дослідній лабораторії електроніки; а також інші в MIT, Індійському інституті науки та Бостонському університеті. Дослідження представлено на конференції IEEE Custom Integrated Circuits Conference.

Зменшення розміру приймача

Терагерцові хвилі, розташовані в електромагнітному спектрі між мікрохвилями та інфрачервоним світлом, мають дуже високі частоти та поширюються набагато швидше, ніж радіохвилі. Хвилі терагерцового діапазону, які іноді називають «променями олівця», поширюються більш прямо, ніж інші сигнали, що робить їх більш безпечними, пояснює Лі.

Однак хвилі мають такі високі частоти, що терагерцові приймачі часто помножують терагерцовий сигнал на інший сигнал, щоб змінити частоту, процес, відомий як модуляція змішування частот. Терагерцеве змішування споживає багато енергії.

Замість цього Лі та його співробітники розробили детектор з нульовим енергоспоживанням, який може виявляти терагерцові хвилі без необхідності змішування частот. У детекторі використовується пара крихітних транзисторів як антени, які споживають дуже мало енергії.

Навіть з обома антенами на чіпі їх приймач пробудження мав розмір лише 1,54 квадратних міліметрів та споживав менше ніж 3 мікроват енергії. Ця установка з подвійною антеною максимізує продуктивність і полегшує читання сигналів.

Після отримання їх чіп підсилює терагерцовий сигнал, а потім перетворює аналогові дані в цифровий сигнал для обробки. Цей цифровий сигнал містить маркер, який є рядком бітів (0 і 1). Якщо токен відповідає токенові приймача пробудження, він активує пристрій.

Посилення безпеки

У більшості приймачів пробудження один і той самий маркер повторно використовується кілька разів, тому зловмисник, який підслуховує, може зрозуміти, що це таке. Тоді хакер міг би надіслати сигнал, який активував би пристрій знову і знову, використовуючи так звану атаку «відмова в сні».

«За допомогою приймача пробудження термін служби пристрою можна збільшити з одного дня до одного місяця, наприклад, але зловмисник може використати атаку на відмову в режимі сну, щоб розрядити весь час роботи батареї навіть менш ніж за день. . Ось чому ми проводимо автентифікацію в нашому приймачі пробудження», — пояснює він.

Вони додали блок автентифікації, який використовує алгоритм для рандомізації маркера пристрою кожного разу, використовуючи ключ, який надається довіреним відправникам. Цей ключ діє як пароль — якщо відправник знає пароль, він може надіслати сигнал із потрібним маркером. Дослідники роблять це за допомогою техніки, відомої як полегшена криптографія, яка гарантує, що весь процес автентифікації споживає лише кілька додаткових нановатів енергії.

Вони протестували свій пристрій, посилаючи сигнали терагерцового діапазону на приймач пробудження, коли вони збільшували відстань між чіпом і джерелом терагерцового сигналу. Таким чином вони перевірили чутливість свого приймача — мінімальну потужність сигналу, необхідну пристрою для успішного виявлення сигналу. Сигнали, які поширюються далі, мають меншу потужність.

«Ми продемонстрували відстань на 5-10 метрів більшу, ніж інші, використовуючи пристрій із дуже малим розміром і рівнем споживання електроенергії мікроват», — каже Лі.

Але щоб бути найбільш ефективними, хвилі терагерцового діапазону повинні влучити в детектор. Якщо чіп знаходиться під кутом, частина сигналу буде втрачена. Отже, дослідники з’єднали свій пристрій з терагерцевою керованою решіткою, нещодавно розробленою групою Хана, для точного напрямку терагерцових хвиль. Використовуючи цей метод, зв’язок може бути відправлений на кілька мікросхем з мінімальною втратою сигналу.

У майбутньому Лі та його співробітники хочуть розв’язувати цю проблему погіршення сигналу. Якщо вони знайдуть спосіб підтримувати потужність сигналу, коли мікросхеми приймача рухаються або трохи нахиляються, вони зможуть підвищити продуктивність цих пристроїв. Вони також хочуть продемонструвати свій приймач пробудження в дуже маленьких датчиках і точно налаштувати технологію для використання в реальних пристроях.