無(wú)線(xiàn)技術(shù)和電子自動(dòng)化設計軟件的發(fā)展將打造物聯(lián)網(wǎng)美好未來(lái)

摘要：大多數物聯(lián)網(wǎng)設備將依靠無(wú)線(xiàn)技術(shù)，包括NFC、地球同步衛星、Bluetooth?、WLAN、ZigBee、點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電通信和蜂窩等方面。在設計和測試方面，電子設計自動(dòng)化軟件的應用將成為一個(gè)新趨勢。

無(wú)線(xiàn)技術(shù)將成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要支持

　　隨著(zhù)近年來(lái)的市場(chǎng)趨勢，未來(lái)將只有一小部分設備會(huì )采用有線(xiàn)連接，如 USB、以太網(wǎng)和光纖。大多數物聯(lián)網(wǎng)設備將依靠無(wú)線(xiàn)技術(shù)，這包括用于移動(dòng)支付的近場(chǎng)通訊(NFC)、無(wú)人值守的偏遠氣象站的地球同步衛星、藍牙(Bluetooth?)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、ZigBee、點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電通信和蜂窩等方面。

　　網(wǎng)絡(luò )需要處理各種具有不同通信要求的獨特設備。一種是簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)設備，如電池供電的傳感器和執行器，可以連續數年無(wú)人操作，傳輸的數據非常少;而另一種則是任務(wù)關(guān)鍵型服務(wù)和設備，需要穩定、可靠和超安全的連接。

　　以獨有方式識別每個(gè)設備的關(guān)鍵是巨大的 IP 地址空間的應用。由于 IPv4 尋址空間有限，目前需要使用集中器(如路由器和網(wǎng)關(guān))。因此，端到端使用 IPv6 尋址就成了支持物聯(lián)網(wǎng)設備的關(guān)鍵。憑借其近乎無(wú)限的地址空間，IPv6 能實(shí)現對數十億設備的獨特尋址。

　　基于服務(wù)器/云的大數據分析和機器學(xué)習是大多數物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的核心。終端節點(diǎn)上的物聯(lián)網(wǎng)設備與云或服務(wù)器連接，獲取商業(yè)情報和分析數據。有些設備可以直接連接，但大多數設備通常會(huì )通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接(如圖1所示)。

　　網(wǎng)關(guān)可以將低功耗網(wǎng)絡(luò )流量匯聚到高容量的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。它們通常包括比終端節點(diǎn)(“物”)更大的電源和計算資源。網(wǎng)關(guān)運行的邊緣應用或模糊應用接管了云端和終端節點(diǎn)的傳感器和執行器上的處理任務(wù)。為了有效地利用嵌入式計算機和無(wú)線(xiàn)電傳輸，終端節點(diǎn)通常采用長(cháng)電池壽命設計。網(wǎng)關(guān)應用中的智能閾值觸發(fā)向中央云服務(wù)器傳遞可執行信息，使得流量更有效率。

　　網(wǎng)關(guān)采用多樣的蜂窩和非蜂窩無(wú)線(xiàn)技術(shù)，與云端和終端節點(diǎn)銜接。無(wú)線(xiàn)接口可以根據覆蓋范圍、延遲、吞吐量、能源效率和成本，滿(mǎn)足不同應用需求。例如，某些家庭自動(dòng)化電器使用智能手機作為網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(Wi-Fi)幾乎無(wú)處不在，這使之成為許多物聯(lián)網(wǎng)應用的首選。當 Wi-Fi 鏈接不可用時(shí)，通常使用蜂窩協(xié)議;可穿戴應用中經(jīng)常用到藍牙;近距離通信的安全性要求較高時(shí)，NFC 成為自然選擇;ZigBee、Z-Wave 和 Thread 為家庭自動(dòng)化和智能能源設備提供了可靠的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

　　按照運行范圍分組的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)示例如圖 2 所示。設備和網(wǎng)關(guān)之間的短距離連接可以采用許多制式實(shí)現，各種標準也在迅速成型和演進(jìn)，以支持新設備與物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的連通性。到目前為止，M2M 及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應用中采用了 60 多種傳統和新射頻制式。一些較為流行的制式包括藍牙、WLAN 和蜂窩，而其他制式如 ZigBee 和 Thread 的出現，則填補了特定利基市場(chǎng)的空白。

　　低功率廣域(LPWA)網(wǎng)絡(luò )出現了大量創(chuàng )新。對于低數據速率和低占空比應用，相比當前部署的蜂窩制式，LPWA 能延長(cháng)電池壽命、降低成本，同時(shí)減少鏈路預算。某些國家使用低收費或免費頻段對 LPWA 系統(如 LoRa 和 SIGFOX)進(jìn)行全國性的推廣?？紤]到未來(lái)在低功耗 M2M 應用的強勁增長(cháng)，3GPP 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )(RAN)工作組正在開(kāi)發(fā)蜂窩協(xié)議，以便在收費頻段支持 LPWA。

　　3GPP 第 12 次發(fā)布中，針對 LTE 機器類(lèi)型通信(MTC)推出了一個(gè)新的低復雜性設備類(lèi)別(類(lèi)別-0)。類(lèi)別-0 提高了低數據速率應用的效率，為其進(jìn)一步提升打下基礎。3GPP 第 13 版包括：

　　● 增強型 MTC(eMTC)，類(lèi)別-M1：LTE 的 1.4MHz 帶寬優(yōu)化;

　　● 擴展覆蓋 GPRS(EC-GPRS)：利用重新傳輸和其他協(xié)議更新改善鏈路預算;

　　● 窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)，也稱(chēng)為類(lèi)別-M2：針對 LPWA 應用優(yōu)化的新無(wú)線(xiàn)電制式。

　　有些公司選擇開(kāi)發(fā)自己專(zhuān)有的解決方案，以加速產(chǎn)品上市。然而，這種方式很可能被淘汰，因為市場(chǎng)的全球化正在將設備通信從專(zhuān)有設計推向標準化解決方案。

電子設計自動(dòng)化軟件成為設計和測試解決方案的關(guān)鍵

　　在物聯(lián)網(wǎng)設備的設計和測試中，解決方案與支持技術(shù)同樣重要。要創(chuàng )建整個(gè)生態(tài)系統的無(wú)縫連接，涵蓋設備、基礎設施、云、遠程應用、后處理和服務(wù)，第一步就是打造更好的設計、使用越來(lái)越真實(shí)的仿真以及進(jìn)行有意義和經(jīng)濟高效的測試。鑒于物聯(lián)網(wǎng)設計工程師所面臨的挑戰，這一步變得越發(fā)困難。例如，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越普及，設計工程師不得不付出更多努力，來(lái)最大限度地提高電源效率、管理電熱效應，以及處理日益緊湊的設計所導致的更嚴重的電磁耦合。他們還面臨其他一些障礙，如評測與選擇最佳技術(shù)組合(如砷化鎵、氮化鎵、鍺化硅/硅/絕緣硅、CMOS)，集成子系統和驗證相對于工業(yè)標準的性能。

　　并且，隨著(zhù)設計的復雜性增加，電路仿真變得更加困難。為了克服這些挑戰，在設計和仿真新的物聯(lián)網(wǎng)設備時(shí)，需要用到專(zhuān)門(mén)的電子設計自動(dòng)化軟件，來(lái)解決通信系統中的固有問(wèn)題(如圖 3(a)所示)。理想的解決方案應當允許在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期對新設備進(jìn)行仿真，為系統架構師和算法開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統物理層的創(chuàng )新自由。同時(shí)還應包括各種虛擬測量工具，從而能夠連接到仿真節點(diǎn)，提供期望的性能視圖。

　　隨著(zhù)設計由仿真到實(shí)現，通過(guò)實(shí)際測量或硬件替換虛擬工具，實(shí)際設備模塊可以取代仿真。如此一來(lái)，開(kāi)發(fā)人員就能對仿真性能和實(shí)際性能進(jìn)行比較。除了物聯(lián)網(wǎng)設備的設計和仿真之外，他們還能對設備進(jìn)行測量和分析。在選擇用于此目的的測試儀器時(shí)，典型的選擇標準應當包括性能技術(shù)指標、測量速度、物理尺寸、配置的可擴展性和成本(前期和后續)。沒(méi)有哪個(gè)單一解決方案能滿(mǎn)足所有需求。

　　物聯(lián)網(wǎng)依賴(lài)于簡(jiǎn)單的電池供電傳感器和執行器，它們傳輸的數據非常少，可以連續數年無(wú)人操作。設計和開(kāi)發(fā)這類(lèi)設備需要用到能夠在三種主要條件下(睡眠模式、空閑模式和傳輸模式)測量電池電量消耗的工具。對于信號生成和分析，在設計階段，最好采用具有高性能和通用功能(如掃描調諧頻譜分析以及信號分析和故障診斷綜合功能)的臺式儀器。在之后的產(chǎn)品生命周期中，測試速度、靈活性和封裝形式之類(lèi)標準更為重要，因此，模塊化和一體化測試儀解決方案是更好的選擇。信號生成和分析軟件可用于創(chuàng )建和分析無(wú)線(xiàn)通信制式中采用的定制和標準測試信號，包括蜂窩、IEEE802.11 類(lèi)、藍牙、ZigBee 和 Wi-SUN(如圖3(b)所示)。在理想情況下，仿真、設計和測試物聯(lián)網(wǎng)設備的解決方案應具備在整個(gè)生命周期內提供產(chǎn)品反饋的能力。

結論

　　任何物聯(lián)網(wǎng)設備從一開(kāi)始就要落實(shí)設計和測試解決方案，以確?？煽康倪B通性。這些支持技術(shù)、設計和測試解決方案有助于打造現在和未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第12頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。