雖然我們設立了中心標準機構3GPP,但關於物聯網的最新窄頻LTE(NB-LTE)技術一直緩慢發展。5G的發展前景甚至面臨著更大挑戰,因為4G與Wi-Fi共同佔用了高速通道。

相反,無需授權的工業、科學、醫療(ISM)頻段提供了一種簡單的方法來將無線技術用於物聯網。2.4GHz頻段尤其廣泛用於無線鏈路,因為有大量可用的技術,而且無需獲得全球許可。Wi-Fi、藍牙和ZigBee都在此頻段內工作,但相應標準機構(Wi-Fi的標準機構為IEEE 802.11,ZigBee和L4PAN的標準機構為IEEE 802.15.4,藍牙的標準機構為藍牙技術聯盟)之間的協作有限,這也為我們帶來了挑戰。

據市場研究機構Machina Research預測,物聯網連接裝置的總數量將從2015年的60億個增長至2025年的270億個——年增長率高達16%。其中絕大多數連接(71%)是短程2.4GHz頻段連接,例如Wi-Fi和ZigBee,這預示著該頻帶必定變得更加擁擠。

Nordic Semiconductor希望支持未來的3GPP版本13 LTE-M和NB-IoT蜂窩技術。nRF91系列(計畫在2018年發佈)旨在滿足新興低功耗蜂窩物聯網應用的需求,它具有諸多優點,包括電池續航力長、部署和維護成本低,可擴展至容納數十億台設備,幾乎適合在任何地方使用的小外形,以及無處不在的網路覆蓋。

20170517TA01P1 圖 1 Laird Technologies在其藍牙模組中使用Nordic Semiconductor提供的矽元件。

LTE-M和NB-IoT旨在提供安全、可靠、開放的未來的低功耗標準,並為成本、尺寸、功率受限的物聯網應用提供可交互操作的蜂窩連接。這兩種技術必將促進新興蜂窩物聯網市場的擴展和增長,預期將在2021年提供超過15億個連接。Nordic預測這些技術將在2018~2019年間實現廣泛覆蓋,初始覆蓋從2017年開始。

隨著越來越多的蜂窩設備投入使用,以及ISM頻段中物聯網節點的迅猛增加,歐洲電信標準化協會(ETSI)更新了關於兩個GHz頻段使用的標準。對於在歐洲銷售設備的製造商而言,這些標準是強制性的,已在2016年11月生效。

這兩個新標準分別為涵蓋2.4GHz頻段的ETSI EN300 328版本1.9.1和涵蓋5GHz ISM頻段的ETSI EN300 893版本1.8.1,後者也被802.11a使用。這些標準涵蓋了Wi-Fi、ZigBee、藍牙所用的基於通道的擴頻(DSSS和 FHSS)技術,可確保無線電鏈路在擁擠的無線電環境中能夠協同工作。不過,它不包含多個頻段中傳輸資料使用的超寬頻技術(UWB)。

涵蓋CE標誌認證的歐洲指令有:關於人員暴露於電磁場的EN 50371標準、關於電磁相容性(EMC)的EN 301 489標準,以及EN 300 328標準。版本1.8.1未將低功耗藍牙(BLE)分類為FHSS,而是在第4.2.1節將其列為「其他類型的寬頻調變」,並在第4.3.2節中定義了測試要求。但是在版本1.9.1中,這一點與其他2.4GHz技術保持一致。

從GPS到GLONASS和Galileo,新版本的標準還涵蓋了衛星定位技術的使用,因為有更多物聯網標籤在卡車、貨盤和高價值產品上使用,其中包括了地理定位資訊。當這些技術在1.6GHz頻段中工作時,可能產生干擾效應,因此必須展示所有這些技術的共存能夠達到歐洲認證標準,這是設計交付的一個關鍵環節。

德國測試機構TUV SUD一直在評估版本1.8.1和版本1.9.1標準之間的差異,如果產品符合版本1.8.1,則在過渡到版本1.9.1時就不需要重新測試。

但是,如果支援地理定位功能,則製造商需要提供新聲明,但不需要額外測試。如果將版本1.8.1測試結果用於版本1.9.1,則需要在TCF檔中考慮到這一因素。

證明藍牙等跳頻標準的合規性可能比較困難。新標準允許製造商提供「累積傳輸時間和頻率佔用」的統計分析,這將有助於減少製造商的測試時間和成本。

新版本標準與下一代藍牙版本 5.0 在同一時間發佈,後者旨在讓藍牙技術更加適合物聯網應用。更大的範圍提供了更加穩健可靠的物聯網連接,更高的速度則讓系統的回應更加靈敏;更大的廣播容量會推動下一代「無縫連接」服務,例如信標、定位相關資訊和導航。

支援藍牙5.0的矽元件於2016年底上市,為模組製造商提供了將新藍牙技術添加至設計的認證方法。這些必須透過EN300 328 1.9.1版的認證流程才能完成。

該流程的一大重要變化是EN300 328 1.9.1版不再提及「R」和「Q」值,因此模組和系統製造商無需聯繫晶片組供應商來獲取相關資訊。同時,製造商能夠提供的最小空閒通道評估(CCA)值已從20μs減少至18μs,從而能夠使用更多通道。這樣一來將緩解頻段的擁擠,讓更多設備有效工作,並且降低功耗。接收器阻塞要求也從-30dBm降低至-35dBm,有助於提高頻譜效率。

新版本標準還經過調整,刪除了一些已被證明不相關的因素。例如,它不再要求在極端溫度下進行頻段外頻率中的測試,從而減少了測試時間和成本。

對標準進行的其他更改包括一些澄清說明和額外措辭,目的是在模組製造商的測試過程中,為製造商和測試實驗室提供協助。另外,TI等晶片製造商還為客戶提供了更快速的認證流程,以便將包含韌體的晶片和高階軟體直接設計到產品中。模組製造商可以利用這個流程,加快預先認證模組,讓客戶能夠將模組應用於設計中。

20170517TA01P2 圖 2 TI的藍牙審核過程。

要將無線產品推向市場,需要一系列的鑒定和審核,包括測試和書面工作,對於不熟悉這個流程的製造商而言,這些工作可能相對比較複雜。根據無線和監管標準進行的認證無法在晶片上實現,因此這項工作就落到Laird Technologies和Taiyo Yuden等模組製造商身上,他們要負責確保模組符合EN標準,而模組製造商則必須依賴於如TI、NXP和Nordic Semiconductor之類公司提供的元件核心性能。

20170517TA01P3 圖 3 利用TI參考設計的韌體和高階軟體加快認證流程。

總結

關於工業和企業應用的物聯網的快速發展造成我們在審核和認證流程上花費了更多的精力。2.4GHz和5GHz ISM頻段的技術主導了物聯網的發展,我們必須確保物聯網能夠高效運 行且不影響其他系統,這對於我們應對新興物聯網蜂窩標準挑戰是至關重要的。

ETSI EN標準的更改已在2016年11月生效,旨在進一步改進認證流程,降低模組和系統製造商的負擔和成本,同時改進物聯網中所有設備的性能。

設計物聯網從這裡開始