無線技術和電子自動化設計軟件的發(fā)展將打造物聯網美好未來

摘要：大多數物聯網設備將依靠無線技術，包括NFC、地球同步衛(wèi)星、Bluetooth?、WLAN、ZigBee、點對點無線電通信和蜂窩等方面。在設計和測試方面，電子設計自動化軟件的應用將成為一個新趨勢。

無線技術將成為未來物聯網技術的重要支持

　　隨著近年來的市場趨勢，未來將只有一小部分設備會采用有線連接，如 USB、以太網和光纖。大多數物聯網設備將依靠無線技術，這包括用于移動支付的近場通訊(NFC)、無人值守的偏遠氣象站的地球同步衛(wèi)星、藍牙(Bluetooth?)、無線局域網(WLAN)、ZigBee、點對點無線電通信和蜂窩等方面。

　　網絡需要處理各種具有不同通信要求的獨特設備。一種是簡單的無線設備，如電池供電的傳感器和執(zhí)行器，可以連續(xù)數年無人操作，傳輸的數據非常少;而另一種則是任務關鍵型服務和設備，需要穩(wěn)定、可靠和超安全的連接。

　　以獨有方式識別每個設備的關鍵是巨大的 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(如路由器和網關)。因此，端到端使用 IPv6 尋址就成了支持物聯網設備的關鍵。憑借其近乎無限的地址空間，IPv6 能實現對數十億設備的獨特尋址。

　　基于服務器/云的大數據分析和機器學習是大多數物聯網商業(yè)模式的核心。終端節(jié)點上的物聯網設備與云或服務器連接，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通過網關連接(如圖1所示)。

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

　　網關采用多樣的蜂窩和非蜂窩無線技術，與云端和終端節(jié)點銜接。無線接口可以根據覆蓋范圍、延遲、吞吐量、能源效率和成本，滿足不同應用需求。例如，某些家庭自動化電器使用智能手機作為網關節(jié)點。無線網絡(Wi-Fi)幾乎無處不在，這使之成為許多物聯網應用的首選。當 Wi-Fi 鏈接不可用時，通常使用蜂窩協議;可穿戴應用中經常用到藍牙;近距離通信的安全性要求較高時，NFC 成為自然選擇;ZigBee、Z-Wave 和 Thread 為家庭自動化和智能能源設備提供了可靠的低功耗網狀網絡。

　　按照運行范圍分組的物聯網技術示例如圖 2 所示。設備和網關之間的短距離連接可以采用許多制式實現，各種標準也在迅速成型和演進，以支持新設備與物聯網生態(tài)系統(tǒng)的連通性。到目前為止，M2M 及物聯網相關的應用中采用了 60 多種傳統(tǒng)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的空白。

　　低功率廣域(LPWA)網絡出現了大量創(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 能延長電池壽命、降低成本，同時減少鏈路預算。某些國家使用低收費或免費頻段對 LPWA 系統(tǒng)(如 LoRa 和 SIGFOX)進行全國性的推廣?？紤]到未來在低功耗 M2M 應用的強勁增長，3GPP 無線接入網絡(RAN)工作組正在開發(fā)蜂窩協議，以便在收費頻段支持 LPWA。

　　3GPP 第 12 次發(fā)布中，針對 LTE 機器類型通信(MTC)推出了一個新的低復雜性設備類別(類別-0)。類別-0 提高了低數據速率應用的效率，為其進一步提升打下基礎。3GPP 第 13 版包括：

　　● 增強型 MTC(eMTC)，類別-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議更新改善鏈路預算;

　　● 窄帶物聯網(NB-IoT)，也稱為類別-M2：針對 LPWA 應用優(yōu)化的新無線電制式。

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

電子設計自動化軟件成為設計和測試解決方案的關鍵

　　在物聯網設備的設計和測試中，解決方案與支持技術同樣重要。要創(chuàng)建整個生態(tài)系統(tǒng)的無縫連接，涵蓋設備、基礎設施、云、遠程應用、后處理和服務，第一步就是打造更好的設計、使用越來越真實的仿真以及進行有意義和經濟高效的測試。鑒于物聯網設計工程師所面臨的挑戰(zhàn)，這一步變得越發(fā)困難。例如，隨著物聯網越來越普及，設計工程師不得不付出更多努力，來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組合(如砷化鎵、氮化鎵、鍺化硅/硅/絕緣硅、CMOS)，集成子系統(tǒng)和驗證相對于工業(yè)標準的性能。

　　并且，隨著設計的復雜性增加，電路仿真變得更加困難。為了克服這些挑戰(zhàn)，在設計和仿真新的物聯網設備時，需要用到專門的電子設計自動化軟件，來解決通信系統(tǒng)中的固有問題(如圖 3(a)所示)。理想的解決方案應當允許在開發(fā)過程的早期對新設備進行仿真，為系統(tǒng)架構師和算法開發(fā)人員帶來無線通信系統(tǒng)物理層的創(chuàng)新自由。同時還應包括各種虛擬測量工具，從而能夠連接到仿真節(jié)點，提供期望的性能視圖。

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

　　物聯網依賴于簡單的電池供電傳感器和執(zhí)行器，它們傳輸的數據非常少，可以連續(xù)數年無人操作。設計和開發(fā)這類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。在之后的產品生命周期中，測試速度、靈活性和封裝形式之類標準更為重要，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)建和分析無線通信制式中采用的定制和標準測試信號，包括蜂窩、IEEE802.11 類、藍牙、ZigBee 和 Wi-SUN(如圖3(b)所示)。在理想情況下，仿真、設計和測試物聯網設備的解決方案應具備在整個生命周期內提供產品反饋的能力。

結論

　　任何物聯網設備從一開始就要落實設計和測試解決方案，以確保可靠的連通性。這些支持技術、設計和測試解決方案有助于打造現在和未來的物聯網。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第4期第12頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。