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。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。

無源物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)圈子最新的“流量明星”，因?yàn)橄啾扔谟性次锫?lián)網(wǎng)產(chǎn)品而言，無源物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽可以做到極致的低成本與低功耗，適用于生活中常見的消耗品，比如鞋服，零售，快遞包裹，食品，藥品等等，每年的消耗量至少是千億級(jí)別的。

低功耗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一條主線

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。

降低終端節(jié)點(diǎn)功耗一直是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的核心主題之一，過去十余年產(chǎn)生了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗有明顯的作用，目前也已發(fā)展成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)界最受關(guān)注的領(lǐng)域，可以說低功耗是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一條主路徑。以蜂窩物聯(lián)網(wǎng)為例，早在2009年，3GPP在其R8版本標(biāo)準(zhǔn)中，就對(duì)低功耗的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)接入終端定義了LTE Cat.1的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多年發(fā)展，Cat.1已成為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的主力之一；更吸引業(yè)界目光的NB-IoT在2016年推出首個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其最大的賣點(diǎn)也是進(jìn)一步降低了功耗，在特定場(chǎng)景電池供電5-10年也能驅(qū)動(dòng)其工作；近期，5G R17凍結(jié)在即，其中RedCap（縮減能力終端）備受關(guān)注，也是在很大程度上降低了5G物聯(lián)網(wǎng)終端的功耗。

在非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，最為典型的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)LoRa也是近年來物聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)，支持了大量傳感器終端低功耗接入；局域物聯(lián)領(lǐng)域也將降低功耗作為其核心技術(shù)路徑之一，如藍(lán)牙每推出一代新技術(shù)都會(huì)將低功耗作為其重要亮點(diǎn)，WiFi聯(lián)盟推出專門的低功耗標(biāo)準(zhǔn)WiFi Halow來支持海量節(jié)點(diǎn)通過WiFi接入。

以上各類低功耗的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)大大擴(kuò)展了物聯(lián)網(wǎng)連接的范疇。近年來，物聯(lián)網(wǎng)新增的連接節(jié)點(diǎn)中，采用低功耗技術(shù)的連接占比最大，可以說低功耗已成為物聯(lián)網(wǎng)連接的絕對(duì)主力。不過，現(xiàn)有低功耗技術(shù)支持的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)依然需要各種形式主動(dòng)供電，雖然大部分僅需普通電池或紐扣電池，但很多場(chǎng)景并不具備電池供電的條件，或者場(chǎng)景生命周期大于電池壽命會(huì)產(chǎn)生較高維護(hù)成本，這些是無源物聯(lián)網(wǎng)需要支持的場(chǎng)景。

目前大規(guī)模商用的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)主要以NB-IoT、LoRa為代表，相關(guān)節(jié)點(diǎn)通過電池驅(qū)動(dòng)工作。不過，業(yè)界已經(jīng)開始探索對(duì)其無源化升級(jí)，通過環(huán)境能量采集技術(shù)，為NB-IoT、LoRa節(jié)點(diǎn)提供能量支持，做到免電池、免維護(hù)并永久供能，在很多場(chǎng)景擴(kuò)大了NB-IoT、LoRa的應(yīng)用范圍和降低成本。

MIT新型接收芯片的特點(diǎn)

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。

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。

6G助推“萬物智聯(lián)，數(shù)字孿生”

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。“萬物智聯(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。

鄭州博觀電子科技有限公司是一家提供科技類物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)軟硬件定制化方案服務(wù)商、也是中原地區(qū)領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備解決方案提供商。致力共享?yè)Q電柜、智能充電樁、共享洗車機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)軟硬件等服務(wù)平臺(tái)的方案開發(fā)與運(yùn)維。總部位于河南省鄭州市高新區(qū)，已取得國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)證證書。經(jīng)過10多年的業(yè)務(wù)開拓，公司已經(jīng)形成了以中原地區(qū)為中心、業(yè)務(wù)遍布全國(guó)的經(jīng)營(yíng)格局。