物聯網的發展大略分為應用層、傳輸層、感知層,再結合App及大數據(big data)的統合應用,亦即「物聯網」幾乎可說是,結合當今所有能利用到的資源及技術而產生的一次應用統合。就產業面的角度來看,已非單一技術可以涵蓋。

根據筆者的觀察,目前各家終端裝置業者已將物聯網視為下一世代決戰場,大力投入資金及人力,避免在這一個世代被淘汰。

以醫療照顧為例,遠距醫療將成為未來醫療的行為之一,各國都有計劃修法使遠距醫療成為正式的服務,而血壓/血糖/心律/移動等感知技術已逐步建立。各大醫療中心發展出來的分析技術資料,以BT、Wi-Fi、LTE為傳輸介面,傳送到各大伺服中心,結合APP的應用介面,將可發展出一套結合監控、慢性病醫療、急症後送,甚至突發狀況之緊急通報系統,將有機會挑戰「掛號看病」、「健診」、「急診」的傳統醫療行為,大家都在觀察以這樣的應用發展下去是否會引發下一世代的醫療革命。

此外,物聯網運用在汽車上,即所謂的車聯網,需要行動通訊技術、快速的資料處理及安全的防火牆等技術,皆有龐大的想像空間。

既然物聯網商機如此龐大,又需整合如此大的龐大技術,產業界已有幾大策略聯盟組織/論壇形成,企圖掌握或主導這方面的技術。

本文第一部份將簡介目前較為活躍的物聯網組織,第二部分,將從筆者服務于宜特科技實驗室的角度,深入探討,如何建置物聯傳輸訊號測試環境,協助廠商在開發產品時,瞭解如何測試驗證,有效加快產品上市時間。

國際主要物聯網組織

在物聯網相關組織中相對比較活躍的有三大組織,成立之時間最早為Allseen alliance(2013年底),旗下的Framework group Alljoyn在2011年就開始有活動,而OIC及Thread Group大約同一個時間點成立(2014年7月)。

由於必須整合出各種介面聯絡傳輸的平台,各組織不約而同地定義出架構與技術等規範,以控制產品物件的成熟度,簡介如下:

(一) 開放互連基金會(OCF)

OCF原名OIC,於2016年合併Allseen alliance後更名為OCF。OIC定義的架構為IoTivity,使用的介面未有強制約束,大致仍以NFC/Wi-Fi/BT/LTE等為主;主要成員為Samsung與Dell、IBM、Microsoft、Cisco,一樣涵蓋了晶片及系統商,宜特科技亦為此組織成員。

  1. 主席:Daniel Park - Samsung Electronics
  2. 工作小組
  • Certification Work Group
  • Standards Work Group,
  • Smart Home Task Group
  • UPnP Work Group
  1. 語言:未特別定義(C, C++,……) OCF目前正朝著軟體標準化及標準認證進行,並中在2016年1月13日公告了OIC Logo。

緊接著在2016年2月22日至26日Beaverton城市,舉辦Plugfast#6.在該會議的認證章節中討論到的認證程式(Certification Procedure)如下:

  • Test Tools - Develop/ Acquire/ Evaluate
  • Test Plans (maybe generated by individual Task Groups)
  • Certification Policy
  • Re-certification Policy
  • Plug-fest Guidelines
  • Certification Audit/Update/Enforcement Policy
  • Registry of OIC Certified Products

而在2015年底,OIC 宣佈合併成立15年的通用隨插即用論壇UPnP Forum,除了直接結合UPnP的現有技術,也取得UPnP在智慧家庭產業上的優勢。

同時OIC並隨即成立UPnP Work Group,以維持原先的UPnP Forum運作。其子群組包含有UPnP AV Task Group、UPnP IoT Data Modeling Task Group、UPnP Certification Task Group。

(二) Thread group

Thread Group的主要成員為Nest (Google)、Samsung與ARM,同樣涵蓋軟體晶片及系統商,架構(Frame work)上並沒有特別規劃及定義,比較特別的是,使用的傳輸介面主要應用於ZigBee (IEEE802.15.4)。

相對於Wi-Fi,IEEE802.15.4具備了低能耗及網狀網路(Mesh)可自動修復連結的優勢,但因Data Rate (250K)只能達到250Kpbs,也限制此技術只能在低網路流量應用。

Thread Group的組織:

  1. 主席:Chris Boross (Nest)~2016.3.1
  2. 工作小組:
  • Certification Committee (CC)
  • Testing Working Group (TWG)   * Plugfest Working Group (PWG)*   * Lab Qualification Working Group (LQWG)*
  • Technical Committee (TC)
  • Use Case Committee
  • Ecosystem Committee

相對於Wi-Fi,IEEE802.15.4具備了低能耗及網狀網路(Mesh)可自動修復連結的優勢,但因Data Rate只能達到250Kbps,也限制此技術只能在低網路流量應用。

Thread 認證產品需要通過以下行為測試: A. Commissioning B. Network functionality C. Device operation in network

由於官方的正式測試活動已於2015年11月正式開始,並有超過30個產品參加了第一批測試認證,近期即有可能看到Thread Group 的認證通過的產品出現。

IoT傳輸訊號測試與環境建置

在萬物相連的物聯網架構中,手機、平板等智慧手持裝置將處於各種應用情境的核心地位,藉由無線通訊則是最便捷的連線方式,這凸顯出無線通訊的速度及品質的重要性。因此,當各家終端裝置業者,將物聯網視為下一世代決戰場時,除積極做產品佈局外,更關注產品的「空中下載」 (Over the Air,OTA)的性能,進而帶出龐大的測試與認證需求。

在IoT的實際應用上,遵循各組織所定義的架構及通訊介面的穩定度,僅是具備最基礎的工作能力,然而更進一步的相容性及系統穩定性,絕對需要更精確且多項的測試,以達到消費者對於使用者經驗上的期待。

由於IoT整體應用的實現,必須架構於多項傳輸同時啟動的狀態之下。例如,NFC感知後由WiFi傳輸至雲端,同時LTE正在進行通話而USB port也正在做資料傳輸;總體效能的評估就不能以單項效能測試的資料為主。除了Firmware loading考慮外,多項介面同時運作之間的干擾也會有所影響。

以下章節,將介紹宜特科技在IoT整體環境上,在「Wi-Fi傳輸層訊號測試」上,所規劃的模擬實際應用及消費行為層面的客製化環境;此外亦針對‘LoRaWAN’、‘NB-IoT’與‘Wireless Charging’做進一步說明。

(一) Wi-Fi傳輸層訊號測試

由於Wi-Fi在傳輸層扮演極重要的角色,在Wi-Fi傳輸方面必須建置WFA基 礎測試能力及客製化IoT Validation 的環境。而在WFA標準測試上建置,則包含WPA2、WMM、Certified n、WPS2.0、Certified ac、CWG-RF,由金字塔型底端網上堆疊作為基本測試。

20170707_iST_TA41P1

在Wi-Fi IoT環境驗證上,則須著重在IoT特別重視的安全性加密及傳輸效能(Throughput)流量測試。

宜特科技在客製化測試上,以OctoBox實現更高層級的環境如下:

  1. 針對Wi-Fi傳輸效能量測,Octobox 使用IEEE802.11 定義的Multipath Emulation (MPE)完成近似於Wi-Fi使用者實際使用空間下的效能表現,並帶來下列三項主要的傳輸效能量測項目:

(1) 傳輸效率 vs. 距離:以程式衰減器模擬距離並配合量測系統,進而得到衰減值(距離)和Throughput之對應資料。 20170707_iST_TA41P2 (2) 傳輸效率 vs. 方位:以程式衰減器模擬距離並搭配轉檯,配合量測系統,進而得到衰減值(距離)及待測樣品角度對Throughput之對應資料。 iot17070704 (3) 傳輸效率 vs. 干擾:以上測試皆可搭配其他無線訊號(Wi-Fi, BT, Microwave) 做干擾測試。

  1. 漫遊測試(Roaming Test):藉由Octobox系統模擬行動裝置移動時AP訊號強度之變化,並測得漫遊所需時間 iot17070705

(二) LoRaWAN訊號測試

LoRa技術其實是近幾年才發展出的一種IoT無線通訊技術,採用免授權的開放頻段,具備能實現長距離且低功耗的傳輸特性,包括了傳輸距離可涵蓋從1公里到10公里之間的範圍,甚至最遠可達20公里遠,而靠著IoT裝置內建的電池,即可維繫長達10年以上的使用時間,企業安裝部署所需負擔的成本也較低。

  • 低功耗、電池壽命10 年
  • 低速,小於10kbps
  • 免授權頻段
  • 目前僅有一間IC 應商——SemTech
  • 星狀佈點、長距離
  • 電錶、煙霧偵測等等

(三) NB-IoT傳輸層訊號測試

2015年8月,3GPP RAN開始立項研究窄頻無線接取全新的空中技術,稱為Clean Slate CIoT,這一Clean Slate方案覆蓋了NB-CIoT。

NB-CIoT是由華為、高通和Neul聯合提出,NB-LTE是由愛立信、諾基亞等廠家提出。NB-LTE更傾向于與現有LTE相容,其主要優勢在於容易佈署。NB-IoT可認為是NB-CIoT和NB-LTE的融合,優勢如下:

  • 中低低功耗、電池壽命也宣稱10 年
  • 中高速,100’s kbps
  • 已有多家晶片供應商(Multi-vendor)
  • 長距離
  • 高速傳輸

(四) 無線充電訊號測試

針對無線充電(Wireless Charging)目前共有兩大陣營,如下簡介

  1. Airfuel (A4WP、PMA)陣營
  • 高通、三星、Duracell Powermat和英特爾、星巴克、Google和AT&T主導
  • 6.78MHz磁共振技術標準
  • 該頻率與NFC/RFID的13.56MHz是整數倍的關係,兩者之間會產生強烈的訊號干擾
  • 磁共振方案的效率是85%,實測只有67%左右
  1. Qi-WPC (無線電力聯盟)陣營
  • 諾基亞、HTC、LG、Sony、三星、高通,還有新加入的蘋果
  • 87~205KHz、300KHz電磁感應
  • 充電效率80%,實測50%~60%

然而Airfuel工作頻率會跟NFC產生干擾的現象,在實際應用上必須要將這個問題解決。WPC目前已有較多的產品導入,兩種規範在未來都需要更進一步提升正常使用下的充電效率,未來全面導入無線充電是指日可待的。