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。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。

无源物联网已经成为物联网圈子最新的“流量明星”，因为相比于有源物联网产品而言，无源物联网标签可以做到极致的低成本与低功耗，适用于生活中常见的消耗品，比如鞋服，零售，快递包裹，食品，药品等等，每年的消耗量至少是千亿级别的。

低功耗是物联网发展的一条主线

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。

降低终端节点功耗一直是物联网发展中的核心主题之一，过去十余年产生了多项技术创新，对降低物联网节点功耗有明显的作用，目前也已发展成为物联网产业界最受关注的领域，可以说低功耗是物联网发展的一条主路径。以蜂窝物联网为例，早在2009年，3GPP在其R8版本标准中，就对低功耗的蜂窝物联网接入终端定义了LTE Cat.1的标准，经过多年发展，Cat.1已成为蜂窝物联网的主力之一；更吸引业界目光的NB-IoT在2016年推出首个标准，其最大的卖点也是进一步降低了功耗，在特定场景电池供电5-10年也能驱动其工作；近期，5G R17冻结在即，其中RedCap（缩减能力终端）备受关注，也是在很大程度上降低了5G物联网终端的功耗。

在非蜂窝物联网领域，最为典型的低功耗广域网络技术LoRa也是近年来物联网的热点，支持了大量传感器终端低功耗接入；局域物联领域也将降低功耗作为其核心技术路径之一，如蓝牙每推出一代新技术都会将低功耗作为其重要亮点，WiFi联盟推出专门的低功耗标准WiFi Halow来支持海量节点通过WiFi接入。

以上各类低功耗的技术和标准大大扩展了物联网连接的范畴。近年来，物联网新增的连接节点中，采用低功耗技术的连接占比最大，可以说低功耗已成为物联网连接的绝对主力。不过，现有低功耗技术支持的物联网节点依然需要各种形式主动供电，虽然大部分仅需普通电池或纽扣电池，但很多场景并不具备电池供电的条件，或者场景生命周期大于电池寿命会产生较高维护成本，这些是无源物联网需要支持的场景。

目前大规模商用的低功耗广域网络主要以NB-IoT、LoRa为代表，相关节点通过电池驱动工作。不过，业界已经开始探索对其无源化升级，通过环境能量采集技术，为NB-IoT、LoRa节点提供能量支持，做到免电池、免维护并永久供能，在很多场景扩大了NB-IoT、LoRa的应用范围和降低成本。

MIT新型接收芯片的特点

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。

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。

6G助推“万物智联，数字孪生”

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。

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