Neue Sensoren für IoT-Geräte: Klein und energiesparend

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) arbeiten an einem neuen Sensortyp. Das Besondere an diesem Sensor: Er ist kleiner als eine Fingerspitze. Dieser technische Fortschritt könnte auch den Weg für kompaktere Geräte des Internets der Dinge (IoT) bereiten. Zudem verwenden die neuen Sensoren Aktivierungsempfänger, die die Geräte in einem stromsparenden und Batterie schonenden Suspend-Modus halten, wenn sie gerade nicht in Verwendung sind.

Der neue Aktivierungsempfänger ist weniger als ein Zehntel so groß wie ältere Modelle. Auch der Verbrauch des nur 1 Quadratmillimeter großen Chips ist revolutionär: Er benötigt nur wenige Mikrowatt. Darüber hinaus verfügt er über ein modernes Authentifizierungssystem, das vor spezifischen Angriffen schützt, welche die Batterie schnell entleeren können.

Andere gängige Aktivierungsempfänger waren bisher mehrere Zentimeter groß, da ihre Antennen zur Kommunikation proportional zur Größe der Funkwellen sein mussten. Das neue Modell vom Team des MIT verwendet hingegen Wellen im Terahertz-Bereich. Der Vorteil: Sie haben nur etwa ein Zehntel der Länge von Radiowellen.

Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht. Sie haben sehr hohe Frequenzen und breiten sich viel schneller aus als Radiowellen. Manchmal werden Terahertz-Wellen auch als Bleistiftstrahlen bezeichnet und sind besonders sicher, da sie einen direkteren Weg als andere Signale nehmen.

Die Forscher haben mit diesem Aktivierungsempfänger eine drahtlose Kommunikation über mehrere Meter Entfernung demonstriert und so bewiesen, dass die Reichweite den Einsatz in kleineren Sensoren ermöglichen könnte. Dieser Empfänger ließe sich beispielsweise in Mikroroboter einbauen, um Umweltveränderungen in Bereichen zu überwachen, die für andere Roboter zu klein sind. Da das Gerät Wellen im Terahertz-Bereich nutzt, könnte es außerdem in neu entstehenden Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in feldverlegbaren Funknetzen. Diese mit Schwarmintelligenz und sammeln lokalisierte Daten.

Eunseok Lee, ein Doktorand in Elektrotechnik und Informatik, erklärt: „Wir können eine Antenne mit nur wenigen hundert Mikrometern auf jeder Seite herstellen und in den Chip integrieren. So können wir einen sehr kleinen Empfänger bauen, der sich an ebenso kleine Sensoren oder Funkgeräte anschließen lässt.“ Die Forschungsergebnisse von Dr. Lee wurden auf der IEEE Custom Integrated Circuits Conference vorgestellt.

Zum Energieverbrauch

Häufig multiplizieren Empfänger das Terahertz-Signal mit einem anderen Signal, um dessen hohe Frequenz zu ändern. Dieser Prozess wird auch als Frequenzmischmodulation bezeichnet. Allerdings verbraucht das Mischen im Terahertz-Bereich viel Energie.

Daher haben die MIT-Forscher einen Detektor entwickelt, der weniger Strom verbraucht. Dieser kann Terahertz-Wellen erkennen, ohne dass eine Frequenzmischung notwendig ist. Er nutzt nur wenige winzige Transistoren als Antennen, die dementsprechend einen geringen Energieverbrauch haben.

Selbst mit zwei Antennen auf dem Chip ist der neue Aktivierungsempfänger nur 1,54 Quadratmillimeter groß und verbraucht weniger als 3 Mikrowatt Strom. Diese Konfiguration mit zwei Antennen maximiert die Leistung und erleichtert nahezu beiläufig das Lesen der Signale.

Die Signale werden als analoge Daten empfangen, vom Chip verstärkt und anschließend in ein digitales Signal umgewandelt. Das finale Signal enthält ein Token (eine Bitfolge), welches das IoT-Gerät aktiviert, sofern es mit dem Token des Empfängers übereinstimmt.

Wie steht es um die Sicherheit?

In vielen Aktivierungsempfängern wird derselbe Token mehrfach verwendet. Ein Angreifer könnte diesen Token erkennen und ein passendes Signal senden. Dies würde das Gerät immer wieder aktivieren und eine sogenannte Denial-of-Sleep-Attacke auslösen.

„Ein Aktivierungsempfänger kann die Lebensdauer von Geräten erheblich verlängern, da ein Angreifer durch eine Denial-of-Sleep-Attacke die gesamte Batterielebensdauer in weniger als einem Tag aufbrauchen könnte. Aus diesem Grund haben wir unseren Aktivierungsempfänger mit einer Authentifizierung ausgestattet“, erklärt Lee.

Der neue Authentifizierungsblock des Empfängers verwendet einen Algorithmus, um die Token auf dem Gerät nach dem Zufallsprinzip zu generieren. Dabei wird ein Schlüssel verwendet, der ausschließlich mit vertrauenswürdigen Sendern geteilt wird. Dieser Schlüssel funktioniert wie ein Passwort: Nur wenn ein Absender das Passwort kennt, kann er Signale mit dem richtigen Token senden. Die Forscher verwenden dazu eine Technik, die als leichtgewichtige Kryptographie bekannt ist. Diese sorgt für den geringen Energieverbrauch während des Authentifizierungsprozesses.

Die Forscher haben ein Gerät getestet, das Terahertz-Signale an den Aktivierungsempfänger sendet. Sie erhöhten die Entfernung zwischen Chip und Quelle, um die Empfindlichkeit des Empfängers zu ermitteln. Somit bestimmten sie die minimale Signalstärke, die für die erfolgreiche Übertragung benötigt wird.

„Wir konnten Entfernungen von 5 bis 10 Metern mehr als andere erreichen. Und das mit einem Gerät, das nicht nur sehr klein ist, sondern zusätzlich auch nur einen Stromverbrauch im Mikrowattbereich hat“, erklärt Dr. Lee.

Um besonders effektiv zu arbeiten, müssen die Terahertz-Wellen direkt auf den Detektor treffen. Steht der Chip schräg, geht ein Teil des Signals verloren. Deshalb haben die Forscher eine steuerbare Anordnung von Terahertz-Strahlen entwickelt: Mit dieser Technik ist es möglich, die Kommunikation an mehrere Chips mit minimalem Signalverlust zu senden.

In Zukunft wollen die Forscher das Problem der Signalverschlechterung anderweitig lösen. Dafür müssten sie einen Weg finden, um die Signalstärke zu erhalten – auch wenn sich die Empfängerchips nur leicht bewegen oder neigen. Außerdem wollen sie ihren Wake-up-Empfänger an sehr kleinen Sensoren demonstrieren und die Technologie für den Einsatz in realen Geräten optimieren.

Die Forscher haben bereits ein umfangreiches Technologieportfolio entwickelt. Dieses umfasst Technologien zur Erkennung, Markierung und Authentifizierung im Millimeterbereich. Dazu gehören die Terahertz-Rückstreuung, Energy Harvesting, elektrische Strahlsteuerung und -fokussierung. Nun wird das Portfolio durch den ersten Terahertz-Aktivierungsempfänger ergänzt – und eben dieser ist entscheidend zur Einsparung von Energie in den Miniaturplattformen.