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物联传输讯号测试环境建置一把罩
掌握世界三大物联网组织

【作者: 余天華】2016年06月13日 星期一

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物联网发展至今,百家争鸣,在大方向上分为感知层、传输层、应用层,再结合App及大数据的统合应用,也就是说,「物联网」几乎是结合当今所有能利用到的资源及技术,而产生的一次应用统合。就产业面的角度来看,已非单一技术可以涵盖。笔者观察到,目前各家终端装置业者,已将物联网视为下一世代决战场时,投入资金及人力,避免在这一个世代被淘汰。


以医疗照顾为例,血压/血糖/心律/移动等感知技术已逐步建立。各大医疗中心发展出来的分析技术数据,以BT、Wi-Fi、LTF为传输介面,传送到各大伺服中心,


结合APP的应用介面,将可发展出一套结合监控、慢性病医疗、急症后送,甚至突发状况的紧急通报系统,将有机会挑战「挂号看病」、「健诊」、「急诊」的传统医疗行为,最近的消息显示Apple Watch将企图在下一代产品通过美国FDA的认证,大家都在观察以这样的应用发展下去是否会引发下一世代的医疗革命。


此外,物联网运用在汽车上,所谓的车联网,其所需要移动通讯技术、快速的资料处理及安全的防火墙等技术,皆有庞大的想像空间。既然物联网商机如此庞大,又需整合如此大的庞大技术,产业界已有几大策略联盟组织/论坛形成,企图掌握或主导这方面的技术。


本文第一部分将简介目前较为活跃的三大物联网组织,第二部分,将从笔者服务于宜特实验室的角度,深入探讨,如何建置物联传输讯号测试环境,协助厂商可以在开发产品时,如何测试验证,有效加快产品上市时间。


国际三大活耀的物联网组织

在物联网相关组织中相对比较活跃的有三个,成立的时间最早为Allseen alliance(2013年底),旗下的Framework group Alljoyn在2011年就开始有活动,而Thread Group及OIC大约同一个时间点成立( 2014年7月),由于必须整合出各种介面联络传输的平台,各组织不约而同地定义出架构(Frame work)与技术等规范,以控制产品物件的成熟度,简介如下:


Allseen Group

Allseen Group定义的架构为Alljoyn,使用的介面并没有强制约束,大致上是以NFC/Wi-Fi/BT/LTE等为主;主要成员为Microsoft、Qualcomm与Cisco,涵盖软体晶片及系统商,宜特科技亦为此组织的成员。在这不难看出Microsoft在失去手持装置的软体市场后,欲企图着力在物联网上。


以下概略介绍Allseen组织:


1.主席:Danny Lousberg/ Qeo LLC


2.工作小组:


*Technical Steering Committee and Core Working Group


*Common Frameworks Working Group


*Gateway Working Group


*Smart Spaces Working Group


*Compliance and Certification Working Group


3.认证计画(Certification program):Alljoyn


4.测试实验室:AT4


值得注意的是,该组织已经具备比较完整的应用及测试架构,目前AT4 (Taiwan, Japan, Spain, US)可以执行Allseen 测试。


台湾的AT4 lab是可以执行测试与发证的单位,有需要进行Alljoyn 认证可以 与AT4 Taiwan接洽。目前已通过AT4测试的产品包括Micosoft的Windows 10及Surface Pro 3;智慧型电视类的LG Smart TV MagicBeam live;无线路由器类的BUFFALO AirStation;照明设备类的LIFX Color LIFX White 系列;音乐播放器类的Gramofon Musaic MPL;智慧家庭类的Heaven FreshHeaven Fresh等。


OIC(OPEN INTERCONNECT Consortium)

OIC定义的架构为IoTivity, 使用的介面未有强制约束,大致仍以NFC/WiFi/BT/LTE等为主;主要成员为Intel、Samsung与Dell,一样涵盖了晶片及系统商,而宜特科技亦为此组织的成员。


1.主席:Jong-Deok Choi - Samsung Electronics


2.工作小组


*Certification Work Group


*Standards Work Group,


*Smart Home Task Group


*UPnP Work Group.


3.语言:Linux.


OIC目前正朝着软体标准化及标准认证进行,其中在2016年1月13日公告了OIC Logo:



图1
图1

紧接着在2016年2月22日至26日Beaverton城市,举办Plugfast#6.在该


会议的认证章节中讨论到​​的认证程序如下:


*Test Tools - Develop/ Acquire/ Evaluate


*Test Plans(maybe generated不要individual Task Groups)


*Certification Policy


*Authorized Test Lab Guidelines


*Re-certification Policy


*Plug-fest Guidelines


*Certification Audit/Update/Enforcement Policy


*Registry of OIC Certified Products


而在2015年底,OIC宣布合并成立15年的通用随插即用论坛UPnP Forum,除了直接结合UPnP的现有技术,也取得UPnP在智慧家庭产业上的优势。


同时OIC并随即成立UPnP Work Group,以维持原先的UPnP Forum运作。其子群组包含有UPnP AV Task Group、UPnP IoT Data Modeling Task Group、UPnP Certification Task Group。


Thread group

Thread Group的主要成员为Nest(Google)、Samsung与ARM,同样涵盖软体晶片及系统商,架构上并没有特别规画及定义,比较特别的是,使用的传输介面主要应用​​于ZigBee(IEEE802.15.4 )。


相对于Wi-Fi,IEEE802.15.4具备了低能耗及网状网路(Mesh)可自动修复连结的优势,但因Data Rate(250K)只能达到250Kpbs,也限制此技术只能在低网路流量应用。


以下简单介绍Thread Group的组织:


1.主席:Chris Boross


2.工作小组:


*Certification Committee(CC)


*Testing Working Group(TWG)


*Plugfest Working Group(PWG)


*Lab Qualification Working Group(LQG)


*Technical Committee(TC)


*Use Case Committee


*Ecosystem Committee


3.测试实验室:UL


相对于Wi-Fi,IEEE802.15.4具备了低能耗及网状网路(Mesh)可自动修复连结的优势,但因Data Rate只能达到250Kbps,也限制此技术只能在低网路流量应用。


Thread 认证产品需要通过以下行为测试:


A.Commissioning


B.Network functionality


C.Device operation in network


由于官方的正式测试活动已于2015年11月正式开始,并有超过30个产品参加了第一批测试认证,近期即有可能看到Thread Group 的认证通过的产品出现。


IOT传输讯号测试环境建置

在万物相连的物联网架构中,手机、平板等智慧手持装置将处于各种应用情境的核心地位,藉由无线通讯则是最便捷的连线方式,这凸显出无线通讯的速度及品质的重要性。因此,当各家终端装置业者,将物联网视为下一世代决战场时,除积极做产品布局外,更关注产品OTA(Over the Air,空中下载)的性能,进而带出庞大的测试与认证需求。


在IOT的实际应用上,遵循各组织所定义的架构及通讯介面的稳定度,仅是具备最基础的工作能力,,然而更进一步的相容性及系统稳定性,绝对需要更精确而且多项的测试,以达到消费者对于使用者经验上的期待。


由于IOT整体应用的实现,必须架构于多项传输同时启动的状态之下。例如,NFC感知后由Wi-Fi传输至云端,同时LTE正在进行通话而USB port也正在做资料传输;总体效能的评估就不能以单项效能测试的数据为主。除了firmware loading考量外,多项介面同时运作之间的干扰也会有所影响。


宜特科技,在IOT整体环境上,规划了模拟实际应用及消费行为层面的客制化环境,特别强调四大区块:


*Wi-Fi传输层讯号测试


*LTE传输层讯号测试


*无线多工讯号DEsense,有线多工讯号De-sense


*APP客制化软体及环境综合模拟测试


以下就前三项做进一步说明。


Wi-Fi传输层讯号测试

由于Wi-Fi在传输层扮演极重要的角色,在Wi-Fi传输方面必须建置WFA基 础测试能力及客制化IOT Validation的环境。


而在WFA标准测试上建置,则包含WPA2、WMM、Certified n、WPS2.0、Certified ac、 CWG-RF,由金字塔型底端网上堆叠作为基本测试。



图2
图2

而在Wi-Fi IOT environment validation上,则须着重在IOT特别重视的安全性 加密及传输效能Throughput流量测试。


宜特科技实验室则在加密测试上,提供更高层级的环境如下:


1. iST Wi-Fi validation service ─ Security


*测试物件的流量及CPU在不同安全防护措施下的使用率.


*OPEN


*WEP


*WPA


*WPA2



图3
图3

在Wi-Fi效能throughput测试方面,建立三大Throughput测试环境:


1.iST WiFi validation service ─ Throughput test


*Ixchariot 系统


*IxChariot:可以评估待测物与系统间在实际工作负载下的综合流量。


*The IxChariot 藉由Endpoint 模拟各种网路应用,由各种不同情境script 执行流量测试。



图4
图4

2.iST WiFi validation service ─ Throughput test (Conductive)


*Throughput vs. Signal Strength Measurement


*测试系统将与待测物隔离,以控制WIFI的讯号强度及衰减度。


*测试是由系统环境中所找到的待测物最佳讯号强度开始。



图5
图5

3.iST WiFi validation service ─ Throughput test (OTA)


*Throughput vs. Angle Measurement


*测量并预测待测物在实际应用环境下的真实信赖度及效能。


*验证待测物各角度的Throughput量测,是否和天线场型设计特性一致。



图6
图6

LTE传输层讯号测试

1. LTE throughput测试


手机的天线测试,除了大家已经熟悉的CTIA单天线SISO测试之外,在2016年将步入多天线MIMO的测试,而MIMO TM3测试的项目就Thorughput。 CTIA在2015年8月底公布了1.0版的MIMO OTA 测试计画,虽然还没正式实施,但也正式宣告MIMO OTA测试的开始。以下针对最近公布的MIMO test plan V1.0重点整理。


Ver. 1.0版测试计画重点摘要如下:


(1)使用SCME UMa(spatial channel models enhanced, Urban Macro)通道模型


进行FDD LTE在TM3模式下的Downlink 2x2的throughput。


(2)测试系统仅可使用MPAC(Multiprobe Anechoic)架构,如ETS或Satimo。


(3)Test Zone为1λ。


(4)增加控制SIR变化的方式进行throughput测试。


(5)待测手机摆在站台上,倾斜45度,Portrait或Landscape摆法。


(6)在Ψ平面上每30度进行一次测试,总共要进行12次测试,再取平均值。


(7)测试目标为找到70% peak throughput时的SNR数值,此为其sensitivity。


MIMO V1.0虽然是以MIMO SINR作为throughput data,作为判别效能的依据,但Power其实也是影响MIMO throughput的重要因素,SIR有时并不能直接反映所有现象。


宜特科技实验室为CITA的发证实验室,同样也建置了MIMO SIR的标准量测环境;此外,同时为了能够更深入分析throughput效能,更建置MIMO power的环境,借以协助了解实际的应用状态。



图7
图7

无线多工讯号DEsense, 有线多工讯号De-sense

无线讯号相互干扰De-sense

CWG-RF (WiFi OTA)

*在360度Over the air的环境下,执行由CWG-RF (Converged Wireless Group Radiate Frequency)定义的WiFi RF效能测试。


*在无线通讯介面开启的环境下,测试WiFi 效能降低的程度。


*在Wi-Fi介面开启的环境下,无线通讯效能降低的程度。


*TRP - WiFi transmit power


*TIS – WiFi receiver sensitivity



图8
图8

有线讯号干扰无线De-sense.

USB-Wifi de-sense

*USB GEN1 5GHz 及GEN2 10GHz 在频谱上,将对WiFi 2.4GHz 及5GHz 产生效能干扰。


*Intel在2012年就预告了有线传输将对无线讯号造成干扰,特别指出IEEE b/g/n 及蓝牙。


*测量在USB 开启时,WiFi效能降低的程度。


图9
图9

USB-LTE desense

*USB GEN1 5GHz 及GEN2 10GHz ,在频谱上将对LTE 2.4GHz ~6GHz 频段产生效能干扰。


*USB 不仅会干扰WIFI,同时对LTE 等讯号同时也会造成干扰。


*测量在USB 开启时,LTE效能降低的程度。


图10
图10

(作者余天华为iST宜特科技讯号测试事业处协理)


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