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物聯傳輸訊號測試環境建置一把罩
掌握世界三大物聯網組織

【作者: 余天華】   2016年06月13日 星期一

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物聯網發展至今,百家爭鳴,在大方向上分為感知層、傳輸層、應用層,再結合App及大數據的統合應用,也就是說,「物聯網」幾乎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。筆者觀察到,目前各家終端裝置業者,已將物聯網視為下一世代決戰場時,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,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數據,以BT、Wi-Fi、LTF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,甚至突發狀況的緊急通報系統,將有機會挑戰「掛號看病」、「健診」、「急診」的傳統醫療行為,最近的消息顯示Apple Watch將企圖在下一代產品通過美國FDA的認證,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,所謂的車聯網,其所需要移動通訊技術、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。


本文第一部分將簡介目前較為活躍的三大物聯網組織,第二部分,將從筆者服務於宜特實驗室的角度,深入探討,如何建置物聯傳輸訊號測試環境,協助廠商可以在開發產品時,如何測試驗證,有效加快產品上市時間。


國際三大活耀的物聯網組織

在物聯網相關組織中相對比較活躍的有三個,成立的時間最早為Allseen alliance(2013年底),旗下的Framework group Alljoyn在2011年就開始有活動,而Thread Group及OIC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(Frame work)與技術等規範,以控制產品物件的成熟度,簡介如下:


Allseen Group

Allseen Group定義的架構為Alljoyn,使用的介面並沒有強制約束,大致上是以NFC/Wi-Fi/BT/LTE等為主;主要成員為Microsoft、Qualcomm與Cisco,涵蓋軟體晶片及系統商,宜特科技亦為此組織的成員。在這不難看出Microsoft在失去手持裝置的軟體市場後,欲企圖著力在物聯網上。


以下概略介紹Allseen組織:


1.主席:Danny Lousberg/ Qeo LLC


2.工作小組:


*Technical Steering Committee and Core Working Group


*Common Frameworks Working Group


*Gateway Working Group


*Smart Spaces Working Group


*Compliance and Certification Working Group


3.認證計畫(Certification program):Alljoyn


4.測試實驗室:AT4


值得注意的是,該組織已經具備比較完整的應用及測試架構,目前AT4 (Taiwan, Japan, Spain, US)可以執行Allseen 測試。


台灣的AT4 lab是可以執行測試與發證的單位,有需要進行Alljoyn 認證可以 與AT4 Taiwan接洽。目前已通過AT4測試的產品包括Micosoft的Windows 10及Surface Pro 3;智慧型電視類的LG Smart TV MagicBeam live;無線路由器類的BUFFALO AirStation;照明設備類的LIFX Color LIFX White 系列;音樂播放器類的Gramofon Musaic MPL;智慧家庭類的Heaven FreshHeaven Fresh等。


OIC(OPEN INTERCONNECT Consortium)

OIC定義的架構為IoTivity, 使用的介面未有強制約束,大致仍以NFC/WiFi/BT/LTE等為主;主要成員為Intel、Samsung與Dell,一樣涵蓋了晶片及系統商,而宜特科技亦為此組織的成員。


1.主席:Jong-Deok Choi - Samsung Electronics


2.工作小組


*Certification Work Group


*Standards Work Group,


*Smart Home Task Group


*UPnP Work Group.


3.語言:Linux.


OIC目前正朝著軟體標準化及標準認證進行,其中在2016年1月13日公告了OIC Logo:



圖1
圖1

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序如下:


*Test Tools - Develop/ Acquire/ Evaluate


*Test Plans(maybe generated by 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。


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,架構上並沒有特別規畫及定義,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。


以下簡單介紹Thread Group的組織:


1.主席:Chris Boross


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


3.測試實驗室:UL


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OTA(Over the Air,空中下載)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,絕對需要更精確而且多項的測試,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Wi-Fi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數據為主。除了firmware loading考量外,多項介面同時運作之間的干擾也會有所影響。


宜特科技,在IOT整體環境上,規劃了模擬實際應用及消費行為層面的客製化環境,特別強調四大區塊:


*Wi-Fi傳輸層訊號測試


*LTE傳輸層訊號測試


*無線多工訊號DE-sense,有線多工訊號De-sense


*APP客製化軟體及環境綜合模擬測試


以下就前三項做進一步說明。


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。



圖2
圖2

而在Wi-Fi IOT environment validation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。


宜特科技實驗室則在加密測試上,提供更高層級的環境如下:


1. iST Wi-Fi validation service ─ Security


*測試物件的流量及CPU在不同安全防護措施下的使用率.


*OPEN


*WEP


*WPA


*WPA2



圖3
圖3

在Wi-Fi效能throughput測試方面,建置三大Throughput測試環境:


1.iST WiFi validation service ─ Throughput test


*Ixia Chariot 系統


*IxChariot:可以評估待測物與系統間在實際工作負載下的綜合流量。


*The IxChariot 藉由Endpoint 模擬各種網路應用,由各種不同情境script 執行流量測試。



圖4
圖4

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


*Throughput vs. Signal Strength Measurement


*測試系統將與待測物隔離,以控制WIFI的訊號強度及衰減度。


*測試是由系統環境中所找到的待測物最佳訊號強度開始。



圖5
圖5

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


*Throughput vs. Angle Measurement


*測量並預測待測物在實際應用環境下的真實信賴度及效能。


*驗證待測物各角度的Throughput量測,是否和天線場型設計特性一致。



圖6
圖6

LTE傳輸層訊號測試

1. LTE throughput測試


手機的天線測試,除了大家已經熟悉的CTIA單天線SISO測試之外,在2016年將步入多天線MIMO的測試,而MIMO TM3測試的項目就Thorughput。CTIA在2015年8月底公佈了1.0版的MIMO OTA 測試計畫,雖然還沒正式實施,但也正式宣告MIMO OTA測試的開始。以下針對最近公布的MIMO test plan V1.0重點整理。


Ver. 1.0版測試計畫重點摘要如下:


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


進行FDD LTE在TM3模式下的Down Link 2x2的throughput。


(2)測試系統僅可使用MPAC(Multi probe Anechoic)架構,如ETS或Satimo。


(3)Test Zone為1λ。


(4)增加控制SIR變化的方式進行throughput測試。


(5)待測手機擺在轉檯上,傾斜45度,Portrait或Landscape擺法。


(6)在Ψ平面上每30度進行一次測試,總共要進行12次測試,再取平均值。


(7)測試目標為找到70% peak throughput時的SNR數值,此為其sensitivity。


MIMO V1.0雖然是以MIMO SIR作為throughput data,作為判別效能的依據,但Power其實也是影響MIMO throughput的重要因素,SIR有時並不能直接反映所有現象。


宜特科技實驗室為CITA的發證實驗室,同樣也建置了MIMO SIR的標準量測環境;此外,同時為了能夠更深入分析throughput效能,更建置MIMO power的環境,藉以協助了解實際的應用狀態。



圖7
圖7

無線多工訊號DE-sense, 有線多工訊號De-sense

無線訊號相互干擾De-sense

CWG-RF (WiFi OTA)

*在360度Over the air的環境下,執行由CWG-RF (Converged Wireless Group Radiate Frequency)定義的WiFi RF效能測試。


*在無線通訊界面開啟的環境下,測試WiFi 效能降低的程度。


*在Wi-Fi界面開啟的環境下,無線通訊效能降低的程度。


*TRP - WiFi transmit power


*TIS – WiFi receive sensitivity



圖8
圖8

有線訊號干擾無線De-sense.

USB-Wifi de-sense

*USB GEN1 5GHz 及GEN2 10GHz 在頻譜上,將對WiFi 2.4GHz 及5GHz 產生效能干擾。


*Intel在2012年就預告了有線傳輸將對無線訊號造成干擾,特別指出IEEE b/g/n 及藍牙。


*測量在USB 開啟時,WiFi效能降低的程度。


圖9
圖9

USB-LTE desense

*USB GEN1 5GHz 及GEN2 10GHz ,在頻譜上將對LTE 2.4GHz ~6GHz 頻段產生效能干擾。


*USB 不僅會干擾WIFI,同時對LTE 等訊號同時也會造成干擾。


*測量在USB 開啟時,LTE效能降低的程度。


圖10
圖10

(作者余天華為iST宜特科技訊號測試事業處協理)


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