Investigadores del MIT y otros lugares han construido un receptor de activación que se comunica mediante ondas de terahercios, lo que les permite producir un chip 10 veces más pequeño que dispositivos similares. Su receptor, que también incluye autenticación para protegerlo de cierto tipo de ataque, puede ayudar a preservar la vida útil de la batería de pequeños sensores o robots. Crédito: Jose-Luis Olivares/MIT con figura cortesía de los investigadores
Los investigadores demuestran un receptor de «despertador» de baja potencia de una décima parte del tamaño de otros dispositivos.
Los investigadores del MIT han creado un receptor de activación basado en terahercios para dispositivos IoT, que reduce significativamente el tamaño y el consumo de energía y mejora las características de seguridad.
Los científicos se esfuerzan por desarrollar dispositivos IoT cada vez más pequeños, como sensores más pequeños que la yema de un dedo que pueden hacer que casi cualquier objeto sea rastreable. Estos sensores diminutos tienen baterías diminutas que a menudo son casi imposibles de reemplazar, por lo que los ingenieros incorporan receptores de activación que mantienen los dispositivos en modo de «reposo» de bajo consumo cuando no están en uso, preservando la vida útil de la batería.
Los investigadores del MIT han desarrollado un nuevo receptor despertador que tiene menos de una décima parte del tamaño de los dispositivos anteriores y consume solo unos pocos microvatios de energía. Su receptor también incorpora un sistema de autenticación de bajo consumo incorporado, que protege el dispositivo de cierto tipo de ataque que puede agotar rápidamente su batería.
Muchos tipos comunes de receptores de estela se construyen a escala centimétrica, ya que sus antenas deben ser proporcionales al tamaño de las ondas de radio que utilizan para comunicarse. En cambio, el equipo del MIT construyó un receptor que utiliza ondas de terahercios, que tienen aproximadamente una décima parte de la longitud de las ondas de radio. Su chip tiene un tamaño de poco más de 1 milímetro cuadrado.
Usaron su receptor de estela para demostrar una comunicación inalámbrica efectiva con una fuente de señal que estaba a varios metros de distancia, mostrando un rango que permitiría usar su chip en sensores miniaturizados.
Por ejemplo, el receptor de activación se puede incorporar en microbots que monitorean los cambios ambientales en áreas demasiado pequeñas o peligrosas para que otros robots las alcancen. Además, dado que el dispositivo utiliza ondas de terahercios, se puede utilizar en aplicaciones emergentes, como redes de radio implementables en campo que funcionan como enjambres para recopilar datos localizados.
“Usando frecuencias de terahercios, podemos hacer una antena con solo unos pocos cientos de micrómetros en cada lado, que es un tamaño muy pequeño. Esto significa que podemos integrar estas antenas en el chip, creando una solución completamente integrada. En última instancia, esto nos permitió construir un receptor de estela muy pequeño que podría conectarse a pequeños sensores o radios”, dice Eunseok Lee, estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática (EECS) y autor principal de un artículo sobre el despertar. receptor arriba.
Lee escribió el artículo con sus co-supervisores y autores principales Anantha Chandrakasan, decano de la Escuela de Ingeniería del MIT y profesor Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, quien dirige el Grupo de Sistemas y Circuitos de Eficiencia Energética, y Ruonan Han, profesor asociado. en EECS, quien dirige el Grupo de Electrónica Integrada de Terahercios en el Laboratorio de Investigación de Electrónica; así como otros en el MIT, el Instituto Indio de Ciencias y la Universidad de Boston. La investigación se presenta en la Conferencia de circuitos integrados personalizados de IEEE.
Reduciendo el receptor
Las ondas de terahercios, que se encuentran en el espectro electromagnético entre las microondas y la luz infrarroja, tienen frecuencias muy altas y viajan mucho más rápido que las ondas de radio. A veces llamadas «haces de lápiz», las ondas de terahercios viajan en un camino más directo que otras señales, lo que las hace más seguras, explica Lee.
Sin embargo, las ondas tienen frecuencias tan altas que los receptores de terahercios a menudo multiplican la señal de terahercios por otra señal para cambiar la frecuencia, un proceso conocido como modulación de mezcla de frecuencias. Mezclar en terahercios consume mucha energía.
En cambio, Lee y sus colaboradores desarrollaron un detector de potencia cero que puede detectar ondas de terahercios sin necesidad de mezclar frecuencias. El detector utiliza un par de diminutos transistores como antenas, que consumen muy poca energía.
Incluso con las dos antenas en chip, su receptor de activación tenía un tamaño de solo 1,54 milímetros cuadrados y consumía menos de 3 microvatios de potencia. Esta configuración de antena dual maximiza el rendimiento y facilita la lectura de las señales.
Una vez recibido, su chip amplifica una señal de terahercios y convierte los datos analógicos en una señal digital para su procesamiento. Esta señal digital lleva un token, que es una secuencia de bits (0 y 1). Si el token coincide con el token del receptor de activación, activa el dispositivo.
aumentar la seguridad
En la mayoría de los receptores de activación, el mismo token se reutiliza varias veces, por lo que un atacante puede averiguar de qué se trata. Luego, el hacker podría enviar una señal que activaría el dispositivo repetidamente, usando lo que se llama un ataque de negación del sueño.
“Con un receptor de activación, la vida útil de un dispositivo se puede mejorar de un día a un mes, por ejemplo, pero un atacante puede usar un ataque de negación del sueño para agotar la vida útil de la batería en menos de un día. . . Por eso ponemos autenticación en nuestro receptor de activación”, explica.
Agregaron un bloque de autenticación que usa un algoritmo para aleatorizar el token del dispositivo cada vez, usando una clave que se comparte con remitentes confiables. Esta clave funciona como una frase de contraseña: si un remitente conoce la frase de contraseña, puede enviar un token con el token correcto. Los investigadores hacen esto utilizando una técnica conocida como criptografía ligera, que garantiza que todo el proceso de autenticación consuma solo unos pocos nanovatios de energía adicionales.
Probaron su dispositivo enviando señales de terahercios al receptor de activación a medida que aumentaban la distancia entre el chip y la fuente de terahercios. Entonces probaron la sensibilidad de su receptor: la potencia de señal mínima necesaria para que el dispositivo detecte una señal con éxito. Las señales que viajan más lejos tienen menos energía.
“Hemos podido demostrar distancias de 5 a 10 metros más que otros utilizando un dispositivo con un tamaño muy pequeño y un consumo de energía de nivel de microvatios”, dice Lee.
Pero para ser más efectivas, las ondas de terahercios deben golpear el detector directamente. Si el chip está en ángulo, se perderá parte de la señal. Entonces, los investigadores combinaron su dispositivo con una matriz orientable de haz de terahercios, desarrollada recientemente por el grupo Han, para apuntar con precisión a las ondas de terahercios. Con esta técnica, la comunicación se puede enviar a varios chips con una pérdida de señal mínima.
En el futuro, Lee y sus colaboradores quieren resolver este problema de degradación de la señal. Si pueden encontrar una manera de mantener la intensidad de la señal cuando los chips receptores se mueven o se inclinan ligeramente, podrían aumentar el rendimiento de esos dispositivos. También quieren demostrar su receptor de estela en sensores muy pequeños y ajustar la tecnología para su uso en dispositivos del mundo real.
“Hemos desarrollado una rica cartera de tecnología para futuras plataformas de autenticación, marcado y detección de tamaño milimétrico, que incluyen retrodispersión de terahercios, recolección de energía y dirección y enfoque de haz eléctrico. Ahora esa cartera se completa aún más con el primer receptor de activación de terahercios de Eunseok, que es clave para ahorrar la energía extremadamente limitada disponible en estos miniequipos”, dice Han.
Los coautores adicionales incluyen a Muhammad Ibrahim Wasiq Khan PhD ’22; Xibi Chen, estudiante de posgrado de EECS; Ustav Banerjee PhD ’21, profesor asistente en el Instituto Indio de Ciencias; Doctorado Nathan Monroe ’22; y Rabia Tugce Yazicigil, profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston.
