标准化可能是全球创新面临的一大挑战。我们需要等待不同地区的频带分配,等待技术获得使用认可,以及等待许可分配,这些因素都可能延迟新应用的推出。面向物联网(IoT)的移动电话技术运用就是明证。虽然我们设立了中心标准机构3GPP,但面向物联网的最新窄带LTE(LTE-NB)技术发展一直缓慢。5G的发展前景甚至面临着更大挑战,因为4G与WiFi共同占用了高速通道。

相反, 无需授权的工业、科学、医疗(ISM) 频段提供了一种简单的方法来将无线技术用于物联网。2.4 GHz频段尤其广泛用于无线链路,因为有大量可用的技术,而且无需获得全球许可。WiFi 、蓝牙和ZigBee都在此频段内工作,但相应标准机构(WiFi的标准机构为IEEE802.11,ZigBee和L4PAN的标准机构为IEEE802 .15.4,蓝牙的标准机构为蓝牙技术联盟)之间的协作有限, 这也向我们提出了挑战。

据市场研究机构Machina Research预测,物联网连接的总数量将从2015年的60亿个增长至2025年的270亿个——年增长率高达16%。其中绝大多数连接(71%)是短程2.4GHz频段连接,例如WiFi和ZigBee,这预示着该频带必定变得更加拥挤。

Nordic Semiconductor希望支持未来的3GPP版本13LTE-M和NB-IoT蜂窝技术。nRF91系列(计划在2018年发布)旨在满足新兴低功耗蜂窝物联网应用的需求,它具有诸多优点,包括电池寿命长,部署和维护成本低,可扩展至容纳数十亿台设备,几乎适合在任何地方使用的小外形,以及无处不在的网络覆盖。

LTE-M和NB-IoT旨在提供安全、可靠、开放的面向未来的低功耗标准, 并为成本、尺寸、功率受限的物联网应用提供可互操作的蜂窝连接。这两种技术必将促进新兴蜂窝物联网市场的扩展和增长,预期将在2021年提供超过15亿个连接。Nordic预测这些技术将在2018-2019年间实现广泛覆盖,初始覆盖从2017年开始。

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图1:Laird Technologies在其蓝牙模块中使用Nordic Semiconductor提供的硅器件。

随着越来越多的蜂窝设备投入使用及ISM频段中物联网节点的迅猛增加,欧洲电信标准化协会(ETSI)更新了关于两个GHz频段使用的标准。对于在欧洲销售设备的制造商而言,这些标准是强制性的,在 2016 年 11 月生效。

这两个新标准分别为覆盖2.4GHz频段的ETSI EN 300 328版本1.9.1和覆盖5GHz ISM频段的ETSI EN 300 893版本1.8.1,后者也被802.11a使用。这些标准涵盖了WiFi、ZigBee、蓝牙所用的基于通道的扩频(DSSS和FHSS)技术,可确保无线电链路在拥挤的无线电环境中能够协同工作。它不包含多个频段中传输数据使用的超宽带技术(UWB)。

涵盖C E 标志认证的欧洲指令有:EN 50371标准是关于人员暴露于电磁场,EN 301 489标准是关于电磁兼容性,以及EN 300 328标准。版本1.8.1未将低功耗蓝牙(BLE)分类为FHSS,而是在第4.2.1节将其列为“其它类型的宽带调制”,并在第4.3.2节中定义了测试要求。但是在版本1.9.1中,这一点与其它2.4GHz技术保持了一致。

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图2:TI的蓝牙审核过程。

从GPS到GLONASS和Galileo,新版本的标准还涵盖了卫星定位技术的使用,因为有更多物联网标签在卡车、货盘和高价值产品上使用,其中包括了地理定位信息。当这些技术在1.6GHz频段中工作时,可能产生干扰效应,因此必须展示所有这些技术的共存能够达到欧洲认证标准,这是设计交付的一个关键环节。

德国测试机构TÜV SÜD一直在评估版本1.8.1和版本1.9.1标准之间的差异,如果产品符合版本1.8.1, 则在过渡到版本1.9.1时不需要重新测试。但是,如果支持地理定位功能,则制造商需要提供新声明,但不需要额外测试。如果将版本1.8.1测试结果用于版本1.9.1,则需要在TCF文件中考虑到这一因素。

证明蓝牙等跳频标准的合规性可能比较困难。新标准允许制造商提供“累积传输时间和频率占用”的统计分析,这将有助于减少制造商的测试时间和成本。新版本标准与下一代蓝牙版本5.0在同一时间发布,后者旨在让蓝牙技术更加适合物联网应用。更大的范围提供了更加稳健可靠的物联网连接,更高的速度则让系统的响应更加灵敏。

更大的广播容量会推动下一代“无连接”服务,例如信标、定位相关信息和导航。支持蓝牙5.0的硅器件于2016年底上市,为模块制造商提供了将新蓝牙技术添加至设计的认证方法。这些必须通过EN 300 328 1.9.1版流程完成。该流程的一大重要变化是EN 300328 1.9.1版不再提及“R”和“Q”值, 因此模块和系统制造商无需联系芯片组供应商来获取相关信息。同时,制造商能够提供的最小空闲信道评估(CCA)值已从20μs减小至18μs,从而能够使用更多通道。这样一来将缓解频段的拥挤,让更多设备有效工 作,并且降低功耗。接收器阻塞要求也从-30dBm降低至-35dBm,有助于提高频谱效率。

新版本标准还经过调整,删除了一些已被证明不相关的因素。例如,它不再要求在极端温度下进行带外频率中的测试,从而减少了测试时间和成本。

对标准进行的其它更改包括一些澄清说明和额外措辞,目的是在模块制造商的测试过程中,为制造商和测试实验室提供协助。另外,TI等芯片制造商还为客户提供了更快速的认证流程,以便将包含固件的芯片和高级别软件直接设计到产品中。

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图3:利用TI参考设计的固件和高级软件加快认证流程。

要将无线产品推向市场,需要一系列的鉴定和审核,包括测试和书面工作,对于不熟悉这个流程的制造商而言,这些工作可能相对比较复杂。根据无线和监管标准进行的认证无法在芯片上实现, 因此这项工作就落到Laird Technologies和Taiyo Yuden等模块制造商身上,他们要负责确保模块符合EN标准,而模块制造商则必须依赖于如TI、NXP和Nordic Semiconductor之类公司提供的器件的核心性能。

总结

面向工业和企业应用的物联网的快速发展导致我们在审核和认证流程上花费了更多的精力。2.4GHz和5GHz ISM频段的技术主导了物联网的发展,我们必须确保物联网能够高效运行且不影响其它系统,这对于我们应对新兴物联网蜂窝标准的挑战至关重要。ETSI EN标准的更改在2016年11月生效, 旨在进一步改进认证流程,降低模块和系统制造商的负担和成本,同时改进物联网中所有设备的性能。

作者:Josh Mickolio,Digi Key公司

《电子技术设计》2017年5月刊版权所有,谢绝转载。

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