物联网发展,大略分为应用层、传输层、感知层,再结合App及大数据的统合应用,亦即,「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,远距医疗将成为未来医疗的行为之一,各国家都有计划修法使远距医疗成为正式的服务,而血压/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、WIFI、LTF为传输接口,传送到各大伺服中心,结合APP的应用界面,将可发展出一套结合监控、慢性病医疗、急症后送,甚至突发状况之紧急通报系统,将有机会挑战「挂号看病」、「健诊」、「急诊」的传统医疗行为,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、快速的数据处理及安全的防火墙等技术,皆有庞大的想象空间。

既然物联网商机如此庞大,又需整合如此大的庞大技术,产业界以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物联网组织,第二部分,将从笔者服务于宜特科技实验室的角度,深入探讨,如何建置物联传输讯号测试环境,协助厂商在开发产品时,了解如何测试验证,有效加快产品上市时间。

一、国际主要物联网组织

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

(一) OCF(OPEN CONNECTIVITY FOUNDATION)

OCF 原名OIC, 于2016年合并Allseen alliance后更名为OCF。OIC定义的架构为IoTivity, 使用的接口未有强制约束,大致仍以NFC/WiFi/BT/LTE等为主;主要成员为Samsung与 Dell, IBM, Microsoft, Cisco,一样涵盖了芯片及系统商。而笔者所服务的检测企业-宜特科技亦为此组织成员。

  1. 主席: Daniel Park - Samsung Electronics

  2. 工作小组
     Certification Work Group
     Standards Work Group,
     Smart Home Task Group
     UPnP Work Group.

  3. 语言: No special define. (C, C++,……)

OCF目前正朝着软件标准化及标准认证进行,并中在2016年1月13日公告了OIC Logo:

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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(Certification Procedure)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 宣布合并成立15年的通用即插即用论坛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。

(二) Thread group

Thread Group的主要成员为Nest (Google)、Samsung与 ARM,同样涵盖软件芯片及系统商,架构(Frame work)上并没有特别规划及定义,比较特别的是,使用的传输接口主要应用于ZigBee (IEEE802.15.4)。

相对于WiFi,IEEE802.15.4具备了低能耗及网状网络(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络流量应用。

以下简单介绍Thread Group 的组织:

  1. 主席: Chris Boross (Nest) ~2016.3.1

  2. 工作小组:  Certification Committee (CC)
     Testing Working Group (TWG)
     Plugfest Working Group (PWG)
     Lab Qualification Working Group (LQWG)
     Technical Committee (TC)
     Use Case Committee
     Ecosystem Committee

相对于WiFi,IEEE802.15.4具备了低能耗及网状网络(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络流量应用。

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。

二、IOT传输讯号测试介绍与环境建置

在万物相连的物联网架构中,手机、平板等智能手持装置将处于各种应用情境的核心地位,藉由无线通信则是最便捷的联机方式,这凸显出无线通信的速度及质量的重要性。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接口的稳定度,仅是具备最基础的工作能力,然而更进一步的兼容性及系统稳定性,绝对需要更精确且多项的测试,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WiFi传输至云端,同时LTE正在进行通话而USB port也正在做数据传输;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考虑外,多项接口同时运作之间的干扰也会有所影响。

以下章节,将介绍笔者服务的宜特科技,在IOT整体环境上,在「WiFi传输层讯号测试」上,所规划的模拟实际应用及消费行为层面的客制化环境;此外亦针对「LoRaWAN」、「NB-IOT」与「Wireless Charging」做进一步说明。

(一) WiFI传输层讯号测试

由于WiFi在传输层扮演极重要的角色,在WiFi 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栈作为基本测试。

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而在WiFi 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。

笔者所服务的实验室宜特科技在客制化测试上,以OctoBox 实现更高层级的环境如下:

  1. WiFi Throughput量测部分,Octobox 使用IEEE802.11 定义的Multipath Emulation (MPE) 完成近似于WiFi使用者实际使用空间下的效能表现,并带来下列三项主要Throughput 量测项目:

(1) Throughput vs. Range : 以程序衰减器仿真距离并配合量测系统,进而得到衰减值(距离)和Throughput之对应数据。

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(2) Throughput vs. Orientation :以程序衰减器仿真距离并搭配转台,配合量测系统,进而得到衰减值(距离)及待测样品角度对Throughput之对应数据。

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(3) Throughput vs. Interference : 以上测试皆可搭配其他无线讯号(WiFi, BT, Microwave) 做干扰测试。
2. Roaming Test (漫游测试): 藉由Octobox系统仿真行动装置移动时AP信号强度之变化,并测得漫游(Roaming)所需时间

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(二) LoRaWAN讯号测试

LoRa技术其实是近几年才发展出的一种IoT无线通信技术,采用免许可的开放频段,具备能实现长距离且低功耗的传输特性,包括了传输距离可涵盖从1公里到10公里之间的范围,甚至最远可达20公里远,而靠着IoT装置内建的电池,即可维系长达10年以上的使用时间,企业安装部署所需负担的成本也较低。
 低功耗, 电池寿命10 年
 低速, < 10 kbps
 Un-license band.
 目前仅有一间IC 供货商 SemTech.
 星状布点,长距离
 电表, 烟雾侦测 等等.

(三) NB-IOT传输层讯号测试:

2015年8月,3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术,称为Clean Slate CIoT,这一Clean Slate方案覆盖了NB-CIoT。

NB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出,NB-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易布署。NB-IoT可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合,优势如下:

 中低低功耗, 电池寿命也宣称10 年
 中高速, 100’s kbps
 已有多个芯片供货商Multi-vendor
 长距
 高速传输

(四) Wireless Charging讯号测试

目前共有两大阵营,如下简介

  1. Airfuel (A4WP、PMA) 阵营
     高通、三星、Duracell Powermat 和英特尔,星巴克、Google 和 AT&T 主导
     6.78MHz 磁共振技术标准
     该频率与 NFC / RFID 的 13.56MHz 是整数倍的关系,两者之间会产生强烈的讯号干扰
     磁共振方案的效率是 85%, 实测只有67%左右

  2. Qi-WPC(Wireless Power Consortium)阵营
     诺基亚、HTC、LG、Sony、三星、高通还有新加入的苹果
     87~205KHz, 300KHz 电磁感应(Electromagnetic induction)
     充电效率 80%, 实测50%~60%

然而Airfuel工作频率会跟NFC 产生干扰的现象,在实际应用上必须要将这个问题解决。 WPC目前已有较多的产品导入,两种规范在未来都需要更进一步提升正常使用下的充电效率,未来全面导入无线充电是指日可待的。