近日，麻省理工學院（MIT）的研究人員宣布研發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行，進一步擴大了物聯網的應用范疇。這一器件的創新，也在很大程度上成為無源物聯網的一個突破，尤其是支持面向6G的無源物聯網場景。

 無源物聯網已經成為物聯網圈子最新的“流量明星”，因為相比于有源物聯網產品而言，無源物聯網標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別的。

低功耗是物聯網發展的一條主線

 在物聯網發展過程中，物聯網設備小型化是產業發展的一個重要方向。物聯網需要服務于各行各業，由于自然環境和行業自身特點的限制，大量場景需要非常小型化、微型化的傳感器，而這些傳感器往往部署在無法持續供電的場景，需要小體積電池或外部環境能量源來供電。在這種情況下，超低功耗的設計就非常重要，尤其是一些無需實時在線采集數據的傳感器，在不工作的時段保持休眠，需要工作時再由專門的器件“喚醒”，從而達到節電的目的，超低功耗的喚醒芯片就發揮了核心作用。

 降低終端節點功耗一直是物聯網發展中的核心主題之一，過去十余年產生了多項技術創新，對降低物聯網節點功耗有明顯的作用，目前也已發展成為物聯網產業界最受關注的領域，可以說低功耗是物聯網發展的一條主路徑。以蜂窩物聯網為例，早在2009年，3GPP在其R8版本標準中，就對低功耗的蜂窩物聯網接入終端定義了LTE Cat.1的標準，經過多年發展，Cat.1已成為蜂窩物聯網的主力之一；更吸引業界目光的NB-IoT在2016年推出首個標準，其最大的賣點也是進一步降低了功耗，在特定場景電池供電5-10年也能驅動其工作；近期，5G R17凍結在即，其中RedCap（縮減能力終端）備受關注，也是在很大程度上降低了5G物聯網終端的功耗。

 在非蜂窩物聯網領域，最為典型的低功耗廣域網絡技術LoRa也是近年來物聯網的熱點，支持了大量傳感器終端低功耗接入；局域物聯領域也將降低功耗作為其核心技術路徑之一，如藍牙每推出一代新技術都會將低功耗作為其重要亮點，WiFi聯盟推出專門的低功耗標準WiFi Halow來支持海量節點通過WiFi接入。

 以上各類低功耗的技術和標準大大擴展了物聯網連接的范疇。近年來，物聯網新增的連接節點中，采用低功耗技術的連接占比最大，可以說低功耗已成為物聯網連接的絕對主力。不過，現有低功耗技術支持的物聯網節點依然需要各種形式主動供電，雖然大部分僅需普通電池或紐扣電池，但很多場景并不具備電池供電的條件，或者場景生命周期大于電池壽命會產生較高維護成本，這些是無源物聯網需要支持的場景。

 目前大規模商用的低功耗廣域網絡主要以NB-IoT、LoRa為代表，相關節點通過電池驅動工作。不過，業界已經開始探索對其無源化升級，通過環境能量采集技術，為NB-IoT、LoRa節點提供能量支持，做到免電池、免維護并永久供能，在很多場景擴大了NB-IoT、LoRa的應用范圍和降低成本。

MIT新型接收芯片的特點

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密切相關，MIT這一款接收器利用太赫茲頻段來喚醒，太赫茲由于波長極短，因此所需的天線尺寸非常小，易于在較小的空間內實現集成，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備。雖然這款芯片上集成了兩個天線，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證了與數米外信號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，能夠適應多樣化供電方案

 由于太赫茲頻段較高，因此太赫茲調制過程較為復雜。MIT研究人員認為，通過混頻調制的形勢，會消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人員們開發了一種零功耗檢測器，可以在不需要混頻的情況下檢測太赫茲電磁波，其探測器采用一對微型晶體管作為天線，消耗的功率非常小。一旦接收到信號，他們開發的芯片會放大太赫茲信號，然后將模擬數據轉換為數字信號進行處理。這個數字信號攜帶一個令牌，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應，那么將激活設備。

 在多種技術的加持下，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，還是采用環境能力采集的方案，均能對其形成有效支持。

3.加入身份驗證，保證安全機制

 低功耗的芯片也不會忘記設置安全機制。在大多數喚醒接收器中，同一個令牌會多次重復使用，給了竊 聽攻擊者可乘之機。破解令牌后，黑客可以發送信號進行所謂的拒絕睡眠攻擊，一次又一次地激活設備。研究人員解釋，有了喚醒接收器，設備的壽命原本可以從一天提高到一個月，但攻擊者可以使用拒絕睡眠的攻擊，在不到一天的時間內耗盡整個電池壽命。因此，MIT研究人員在喚醒接收器中加入了身份驗證模塊，拒絕攻擊。

 這一身份驗證模塊是利用算法對設備的令牌進行隨機化，每次使用與可信發送者共享的密鑰。這個密鑰的作用就像密碼，如果發送者知道密碼，就可以用正確的令牌發送信號。研究人員使用一種輕量級加密技術實現了這種密鑰，該技術確保整個身份驗證過程只需額外消耗幾納瓦的功率。

6G助推“萬物智聯，數字孿生”

 目前，全球主要經濟體已啟動了6G的前期研究，采用太赫茲通信技術已成為一個共識。根據IMT 2030（6G）推進組發布的《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》，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、抗干擾能力強和易于實現通信探測一體化等特點，重點滿足Tbps量級大容量、超高傳輸速率的系統需求。其中，微小尺寸通信是一個潛在的應用場景，而小型化、低成本、高效率的太赫茲收發架構是亟待解決的技術問題。

 本次MIT團隊推出的新型接收器，可以說是太赫茲通信器件的一個突破。“萬物智聯，數字孿生”是未來6G的愿景，無源物聯網作為海量設備連接的基礎，也是未來6G標準的重點方向之一。基于太赫茲的微小尺寸、超低功耗通信構成了6G無源物聯網技術的組成部分，在未來6G太赫茲商用后，能夠顯著發揮作用，充分利用6G太赫茲基礎設施，擴大無源物聯網涵蓋的范圍，推動6G網絡“應聯盡聯”的實現。

 當然，太赫茲通信需要解決的關鍵核心技術及難點問題還很多，MIT本次探索可以說是為6G無源物聯系統提供了有益參考，相信未來針對6G無源物聯會產生大量的創新，助推“萬物智聯，數字孿生”愿景的到來。

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