麻省理工学院的Minuscule唤醒接收器节省传感器电池寿命

设备小型化和功耗是物联网设计中最重要的两个考虑因素。有时，这些目标可能与物联网设备的固有性质不一致：它们必须无线传输和接收数据才能进行通信。

确保物联网设备低功耗的一种方法是使用唤醒接收器，该接收器将设备保持在低功耗模式，除非它被触发唤醒。本周，麻省理工学院的研究人员宣布了一种新型唤醒接收器，该接收器使用太赫兹波实现极小尺寸。

通过太赫兹波通信，麻省理工学院的唤醒接收器比类似设备小10倍。图片由Jose Luis Olivares/MIT提供

在本文中，我们将评估唤醒接收器背后的工作原理、扩展这些设备的挑战，以及麻省理工学院的新型太赫兹唤醒接收器。

唤醒接收机的功耗

唤醒接收器（WuRx），也称为唤醒无线电，是物联网设备中提供低功耗的基本组件。

为了使物联网设备正常工作，它们必须通过无线方式向中央集线器传输数据。然而，连续无线通信需要大量的功耗，这对于小型电池供电的物联网设备来说是不可行的。此外，传输的大多数数据都没有用处；相反，设备只需要对感兴趣的事件周围的数据做出响应。

物联网设备中唤醒接收器的图示。图片由爱立信提供

为了克服这一点，物联网设计师使用唤醒接收器：专门的低功率无线接收器，作为主收发器的伴侣，并调谐到特定的无线频率。在这种设置中，主收发器处于休眠状态（消耗可忽略不计的功率），而WuRx等待从主集线器接收被称为唤醒包（WUP）的特殊信号。当WuRx检测到WUP时，WuRx通知物联网设备打开主收发器并开始将数据通信回集线器。

该方案类似于具有从外部触发器唤醒的MCU的睡眠模式。通过保持物联网设备的主要耗电部分处于休眠状态，直到需要时，唤醒接收器可以实现极低功耗的物联网设备。

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WuRx的扩展挑战

虽然唤醒接收器是一种功能强大且广泛使用的工具，但由于其尺寸，它们仅限于某些应用。

值得注意的是，唤醒接收器需要天线来接收WUP，并且天线的大小由无线载波波长确定。虽然WuRx传输显示在GHz范围内，但最终的天线仍在厘米范围内^2.级别很小，但还不够小，无法构建许多开发人员设想的微型机器人。相反，小型化物联网设备需要在极高的载波频率下工作的WuRx，从而允许更小的形状因子。

麻省理工学院构建太赫兹可操作的WuRx

为了开发小型、低功耗的物联网设备，麻省理工学院的研究人员最近设计了一种在太赫兹（THz）频率范围内工作的WuRx。

研究人员采用了一种由太赫兹前端组成的能量检测架构，该前端由一对具有双天线馈电的伪差分CMOS检测器组成。该检测器的输出被馈送到放大器滤波器比较器链中，并最终被馈送到唤醒认证引擎中。验证引擎将传入的数据包与存储的令牌进行比较，以查看接收到的消息是否是正确的WUP，然后打开主收发器。

THz-WuRx系统的框图。图片由Lee等人提供。

由此产生的WuRx在性能、功率和尺寸之间取得了有效的平衡。WuRx尺寸为1.54平方毫米，工作电压为0.8伏，功耗为2.88µW，同时在1.02 kbps的数据速率下保持低至-48 dBm的灵敏度。

新的解决方案消除了频率混合的需要，并增加了针对拒绝睡眠攻击的安全功能。

物联网设备的萎缩

麻省理工学院的研究人员希望通过他们的新设计，开发出一种新型的小型化设备，这种设备在一次电池充电时具有超长的寿命。未来，研究人员表示，他们计划通过提高信号完整性和将WuRx应用于现实世界的设备来改进设计。