面向6G！无源物联网重要突破

2023-05-04 14:15

作者：赵小飞

物联网智库原创

导读

“万物智联，数字孪生”是未来6G的愿景，无源物联网作为海量设备连接的基础，也是未来6G标准的重点方向之一。

近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员宣布研发了一款利用太赫兹频段的新型芯片，该芯片作为唤醒接收器，其功耗仅为几微瓦，能够在很大程度上支持微型传感器的有效运行，进一步扩大了物联网的应用范畴。在笔者看来，这一器件的创新，也在很大程度上成为无源物联网的一个突破，尤其是支持面向6G的无源物联网场景。

MIT新型接收芯片进一步扩展物联网应用范围

在物联网发展过程中，物联网设备小型化是产业发展的一个重要方向。物联网需要服务于各行各业，由于自然环境和行业自身特点的限制，大量场景需要非常小型化、微型化的传感器，而这些传感器往往部署在无法持续供电的场景，需要小体积电池或外部环境能量源来供电。在这种情况下，超低功耗的设计就非常重要，尤其是一些无需实时在线采集数据的传感器，在不工作的时段保持休眠，需要工作时再由专门的器件“唤醒”，从而达到节电的目的，超低功耗的唤醒芯片就发挥了核心作用。

本次MIT研究人员成功研发的这款器件就是一款唤醒的接收器，与微型传感器集成，在接收到指令后唤醒传感器完成数据的采集和传输。这款芯片的特点包括：

（1）大幅减小器件尺寸，与微型传感器能够适配

由于所使用频段的原因，许多常见唤醒接收器的尺寸大多以厘米为单位。接收器的尺寸与通信的无线电波长密切相关，MIT这一款接收器利用太赫兹频段来唤醒，太赫兹由于波长极短，因此所需的天线尺寸非常小，易于在较小的空间内实现集成，大幅缩减器件的尺寸。

MIT研究人员提到：通过使用太赫兹频率，我们可以制造出仅几百微米的天线，这是一个非常小的尺寸，这意味着我们可以将这些天线集成到微型芯片上，从而创建完全集成的解决方案，最终这使我们能够打造一款非常微型化的唤醒接收器，它可以连接小型传感器或无线电设备。

虽然这款芯片上集成了两个天线，但其尺寸也仅有1.54平方毫米，是常见的唤醒接收器尺寸的十分之一。而且研究人员利用这款唤醒接收器验证了与数米外信号源的有效的无线通信，展示了这款芯片能够用于微型传感器的有效范围。

目前，不少采用MEMS工艺的传感器的尺寸也可以做到毫米级，与这款唤醒接收器的集成，能够支持大量需要小尺寸器件的物联网场景。

（2）极低功耗，能够适应多样化供电方案

由于太赫兹频段较高，因此太赫兹调制过程较为复杂。MIT研究人员认为，通过混频调制的形势，会消耗大量的功率，不利于接收器低功耗工作。研究人员们开发了一种零功耗检测器，可以在不需要混频的情况下检测太赫兹电磁波，其探测器采用一对微型晶体管作为天线，消耗的功率非常小。

一旦接收到信号，他们开发的芯片会放大太赫兹信号，然后将模拟数据转换为数字信号进行处理。这个数字信号携带一个令牌，它是一串0和1组成的字符串，如果令牌与唤醒接收器的令牌相对应，那么将激活设备。

在多种技术的加持下，这一芯片的工作电压为0.8V，功耗为2.88微瓦。在这一功耗水平下，不论是采用微型电池，还是采用环境能力采集的方案，均能对其形成有效支持。

（3）加入身份验证，保证安全机制

低功耗的芯片也不会忘记设置安全机制。在大多数唤醒接收器中，同一个令牌会多次重复使用，给了窃听攻击者可乘之机。破解令牌后，黑客可以发送信号进行所谓的拒绝睡眠攻击，一次又一次地激活设备。

研究人员解释，有了唤醒接收器，设备的寿命原本可以从一天提高到一个月，但攻击者可以使用拒绝睡眠的攻击，在不到一天的时间内耗尽整个电池寿命。因此，MIT研究人员在唤醒接收器中加入了身份验证模块，拒绝攻击。

这一身份验证模块是利用算法对设备的令牌进行随机化，每次使用与可信发送者共享的密钥。这个密钥的作用就像密码，如果发送者知道密码，就可以用正确的令牌发送信号。研究人员使用一种轻量级加密技术实现了这种密钥，该技术确保整个身份验证过程只需额外消耗几纳瓦的功率。

（4）进一步提升的通信效率

研究人员向唤醒接收器发送太赫兹信号进行了测试，同时不断增加芯片和太赫兹源之间的距离。通过这种方式，他们测试了这款接收器的灵敏度，即设备成功检测信号所需要的最小信号功率，最终实验是比现有接收器远5-10米的接收距离，在1.02kbps的数据速率下保持低至-48dBm的灵敏度。

为了达到最有效的结果，太赫兹信号需要直接击中探测器，如果芯片处于一个倾斜角度，将丢失部分信号。因此，研究人员将他们开发的接收器与太赫兹波束可控阵列配对，以精确地引导太赫兹信号。通过这种方式，能够以最小的信号损耗发送到多个芯片。

未来，研究人员希望解决信号衰减的问题。如果他们能找到一种方法，在接收器芯片轻微移动或倾斜时保持信号强度，就能进一步提高这些器件的性能。他们还将在非常小的传感器中验证这一唤醒接收器，并对该技术进行微调，以便应用于现实世界的设备。

面向6G的无源物联网系统

当然，仅仅有了基于太赫兹的接收芯片还不足以完全支持无源物联网系统的运行。MIT的研究团队也表示他们已建立起一系列技术组合，能够支持微型、超低功耗的传感物联网系统，这些技术组合中包括基于太赫兹的反向散射通信、能量采集技术和太赫兹波束管理等，在能量管理、数据传输等方面打下基础。

截至当前，3GPP R18已将无源物联网列为研究课题，预计R19版本中将形成首个基于蜂窝网络的无源物联网标准，届时5.5G网络能够支持无源物联网的能量采集、反向散射等。

目前，全球主要经济体已启动了6G的前期研究，采用太赫兹通信技术已成为一个共识。根据IMT 2030（6G）推进组发布的《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》，太赫兹频段（0.1~10THz）位于微波与光波之间，频谱资源极为丰富，具有传输速率高、抗干扰能力强和易于实现通信探测一体化等特点，重点满足Tbps量级大容量、超高传输速率的系统需求。其中，微小尺寸通信（片间通信及纳米通信）是一个潜在的应用场景，而小型化、低成本、高效率的太赫兹收发架构是亟待解决的技术问题。

本次MIT团队推出的新型接收器，可以说是太赫兹通信器件的一个突破。“万物智联，数字孪生”是未来6G的愿景，无源物联网作为海量设备连接的基础，也是未来6G标准的重点方向之一。基于太赫兹的微小尺寸、超低功耗通信构成了6G无源物联网技术的组成部分，在未来6G太赫兹商用后，能够显著发挥作用，充分利用6G太赫兹基础设施，扩大无源物联网涵盖的范围，推动6G网络“应联尽联”的实现。

当然，太赫兹通信需要解决的关键核心技术及难点问题还很多，MIT本次探索可以说是为6G无源物联系统提供了有益参考，相信未来针对6G无源物联会产生大量的创新，助推“万物智联，数字孪生”愿景的到来。

原文标题 : 面向6G！无源物联网重要突破