通訊標準混用問題難解?物聯網互通性、效能測試突破盲點

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 11 日 14:00 | 分類 物聯網 , 網通設備 follow us in feedly

物聯網商機火紅,推波助瀾帶動眾多周邊產業,智慧家庭(Smart Home)成為最競爭的市場。各大廠包括 Apple、Google、Amazon 積極搶建協定平台;Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、LoRa 各組織也有相關技術如火如荼進行中,期能快速搶佔物聯網灘頭堡,成為生態系霸主;然而,眾多的傳輸技術、互聯規格,也使得各項裝置互通性、總體效能(Performance)成為很大問題。




物聯網 Wi-Fi、BQTF、OFC 等等認證再加上客製化效能測試才足以應付智慧家庭應用

目前智慧聯網家庭的通訊技術各單項都有獨立的認證,如 Wi-Fi 聯盟的 Wi-Fi Certification、Bluetooth 藍芽協會有 BQTF 的認證、物聯網相關認證如 OFC。然而在現行的物聯網相關應用上似乎複雜的多。

從智慧家庭來看,若房子不重新翻修工程,完整的智慧家庭將以家庭必需品為主要控制中心與連結中樞(Smart Home Hub),連結各獨立的單項物品成為室內的網路系統,例如,含有觸控面板的冰箱,除了可以即時監控冰箱食物多寡,更可連結冷氣、電燈、窗簾、防盜設備、煙霧感測器等。

複雜的情況在哪裡?煙霧感測器必須確保省電、長效且不容許斷電;防盜設備更重視傳輸頻寬得以顯示高解析影像。因此,智慧家庭絕非能靠一種傳輸技術、認證而完成。

另外,跟日常生活有關的還包括寵物追蹤,預防老人及小孩走失的追蹤、停車管理、水表 / 電表的管理、長照服務、遠端醫療,甚至車聯網等,在物聯網的定義下,將動員到所有現行的無線通訊技術,並更快速發展獨特的通訊技術。

再者,綜觀現行各廠家所推行的物聯網產品,已經由我們熟知的無線通訊產品,如手機、電腦等 3C 類產品,延伸至家電類產品,如電視、冰箱、洗衣機、電鍋、燈具,無一不是各廠家絞盡腦汁想要延伸的領域。

物聯網推波助瀾了智慧家庭的應用,當使用的涵蓋率如此廣泛,那麼使用環境就不能只想著「重新打造」,最關鍵的在於,「物聯網並非創造全新物件,而是深入既有物品,從中創造絕佳使用情境」,因使用者涵蓋幼兒、長者,如防走失追蹤、遠端醫療等。

智慧家庭各產品連結,首要解決「安全性」與「抗干擾」

智慧家庭的各產品物件連結,包括安全性、娛樂性與資料傳輸。 安全性方面如煙霧感知器、防盜感知器、防盜攝錄影機與嬰幼兒 / 老人的安全性監管,其中煙霧 / 防盜感知器因需做到獨立系統,大多以電池方式供電,傳輸耗電量成為重要議題,因此多選擇以 ZigBee 或藍牙等低耗電技術進行傳輸。

此外,防盜攝影機方面,若要建置全無線系統,將必須包含 Wi-Fi 傳輸 ,因為 Wi-Fi 可以傳輸較大流量,甚至高解析度影像 ;電表 / 水表部分,將於用 NB-IoT 或 Cat m 的方式傳輸;而其他家電類產品的無線控制 ,如冷氣 / 烹飪廚具遙控 ,一樣傾向 ZigBee 或藍牙,而這些技術加在一起運用在智慧家庭,將衍生兩個問題,第一,多項技術的互相傳輸,將有可能互相干擾導致效能降低,主要來自於這些傳輸技術都以 2.4 G 做為傳輸頻率,因此系統效能如何不被干擾必須解決。第二是安全性,由於各種通訊規範的加密技術不盡相同,加密等級也不同,如何在不同通訊規範間接續傳輸並維持最高的加密等級,成為另外一項必須考慮的注意的問題。

裝置互通性、效能測試如何測是關鍵

在智慧家庭物聯網的測試,不外乎分為強制性法規認證(FCC / NCC / JAS 等政府要求之認證)、安規認證(UL / CSA 等)、Logo 認證(Wi-Fi、BQTF、OFC 等)、可靠度測試(MTBF、溫、耐壓、抗腐蝕、震動摔落測試等)、總體效能測試。前四項都屬於單項入門測試,並無法確保最後一項「總體效能測試」,在複雜的裝置互聯系統上的運行效能。原因來自於兩點:(一)各項物聯網通訊協議,所使用的頻率幾乎互相重疊,雖靠著不同解調技術,可正確接收訊號,但相互干擾情況仍存在;(二)而智慧家庭室內反射、穿透、各項裝潢材料,對於無線訊號的影響非常大。

那「裝置互通性、總體效能測試」如何測?市面上針對智慧家庭測試手法,是以打造實際空間,包括客廳、臥室、廚房等,進行裝置互通性驗證,期望藉此了解智慧家庭使用情形。然而,從送來宜特實驗室測試的產品來看,發現實際上,每個家庭的格局、裝潢材料、擺設位置的排列組合起來,超過千萬種,「打造實際空間的測試手法」恐怕難以落實到各項真實環境。

深入談之,效能測試包括「TRP 傳輸功率測試」、「TIS 傳輸靈敏度測試」、「Interference 信號干擾測試」、「 Throughput 吞吐量測試」、「Roaming(handover over)漫遊測試」、「De-sense 接收感度惡化測試 」。

各單項組織對於這些項目都有獨立的測試手法及定義;但「Interference 信號干擾測試」、「Throughput 吞吐量測試」、「Roaming(handover)漫遊測試」、「De-sense 接收感度惡化測試 」這三項才可以驗證出產品最終效能。

然而測試的手法與環境必須正確模擬使用環境,並解決模擬時出現的問題,才能確保未來系統在真實應用時的品質。近代比較先進的環境模擬傾向使用依學理所定義出來的模擬器來進行測試,期待用更聰明的方式完成環境的建置。

利用模擬器,進行吞吐量測試、漫遊測試、接收感度惡化測試

先談談「 Throughput 吞吐量測試」,吞吐量的品質在需要大量資料流的應用上有關鍵影響,例如影音產品,如果吞吐效能不足時,畫面會斷續,或聲音產生不連續及音爆雜訊。如何製造出真實影響吞吐量的測試環境不是簡單的事。首先,必須了解訊號強度(距離)、室內裝潢材料對無線訊號所產生的「反射折射」及「穿透」影響。新一代的先進做法則是採學理根據與收集 Field Try 結果所製造出來的模擬器,模擬真實幻境。CTIA 的 MIMO Throughput Test Plan V1.0.,所定義的 Throughput 的測試手法,即是 UMA / UMI 的戶外模擬器,目前由 Anite 或 Sprient 提供相關模擬設備。而針對 Wi-Fi 等室內物聯網,IEEE 802.11 也有針對室內環境進行定義,模擬器可將正確參數輸入,用以模擬室內環境。

▲ 與 LTE MIMO Throughput 測試相同, Wi-Fi throughput 測試也可使用實驗室專用的環境模擬器。

「Roaming 漫遊測試」,與「Throughput 吞吐量測試」類似,以多組 IEEE 802.11 的環境模擬器,再加上可程式的衰減器,如此便可以模擬物件在多組發射器中漫遊的狀況。

「De-sense 接收感度惡化測試」,意旨各種通訊技術集中同一系統運作,所產生的相互干擾,藉由監看靈敏度(TIS)或吞吐量(Throghput)都可以察覺到效能惡化的程度。

宜特實驗室近年來接觸到非常多的智慧家庭效能測試,模擬器測試手法,是目前距各協會公認具有科學依據與學術價值所製造出來的數值,不僅可無限延伸模擬千萬種室內環境,更可減少測試時間,加快產品上市時間。

從「智慧家庭」延伸談到「智慧城」的效能測試手法

▲ Wi-Fi 智慧社區戶外 Access Point 的建置分布。

將「智慧家庭」環境模擬測試技術向外延伸,便可以應用在「智慧城」的測試環境建置。以 Wi-Fi 智慧城為例,如果社區也使用 Wi-Fi 為戶外傳輸技術,只要能夠佈建足夠的 Wi-Fi 機站,便能實現 Wi-Fi 智慧城的架構。在實驗室的效能模擬,就必須導入 IEEE 802.11 Model F 的模擬環境。有了 Channel Model 的模擬器,接下來要考慮的因素就是「訊號穿牆」與「多房間(Multi room)」的模擬。智慧城的環境模擬,使用「戶外 Channel Emmulator」+「穿牆的訊號衰減」+「室內 Channel Emulator」, 再加上衰減器帶入「距離參數」,便可以客製化的建置智慧城效能測試環境。而若每個個案的基本參數如發射功率、牆壁材質、Wi-Fi 站點距離、房屋尺寸等參數,廠家若能提供越精確,模擬結果就更準確。

「Roaming 漫遊」問題與「多房間(Multi room)」情況相反;「多房間(Multi room)」需考慮「無線接入點 Access Point」 在多個不同房間的連線品質;「Roaming 漫遊」,則須考慮物件在多個「無線接入點 Access Point」中遊走時,所產生的 handover 品質。在要求傳輸效能的環境或長距離的通訊環境下,建置多個「無線接入點 Access Point」是常見的佈建方式。Wi-Fi 產品如何在兩組或兩組以上發射器中挑選最佳連線方式,以及選擇新的發射器後如何快速建立連線,就需要更強大的判斷機置。

因此,「Roaming 漫遊測試」建置則至少須由三個單元組成:一個隔離的待測物及兩個獨立的「無線接入點 Access Point」。而移動速度或方式則由衰減器來控制,也可以模擬轉彎或者進入電梯等等實際應用環境來進行量測。

▲ 智慧設區戶外 Access Point  測試模擬必須考慮牆面建材及厚度等問題。

宜特除了在物聯網提供各單項認證服務之外,更提供客製化的總體效能驗證,藉由結合 OTA 及無線單項認證技術,可以提供針對各種應用而設計出適合的驗證環境,幫助客戶及早確保品質,或者複製有問題的環境協助解決問題。

(首圖來源:Flickr/laboratorio linux CC BY 2.0)

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