无线技术和电子自动化设计软件的发展将打造物联网美好未来

摘要：大多数物联网设备将依靠无线技术，包括NFC、地球同步卫星、Bluetooth®、WLAN、ZigBee、点对点无线电通信和蜂窝等方面。在设计和测试方面，电子设计自动化软件的应用将成为一个新趋势。

无线技术将成为未来物联网技术的重要支持

　　随着近年来的市场趋势，未来将只有一小部分设备会采用有线连接，如 USB、以太网和光纤。大多数物联网设备将依靠无线技术，这包括用于移动支付的近场通讯(NFC)、无人值守的偏远气象站的地球同步卫星、蓝牙(Bluetooth®)、无线局域网(WLAN)、ZigBee、点对点无线电通信和蜂窝等方面。

　　网络需要处理各种具有不同通信要求的独特设备。一种是简单的无线设备，如电池供电的传感器和执行器，可以连续数年无人操作，传输的数据非常少;而另一种则是任务关键型服务和设备，需要稳定、可靠和超安全的连接。

　　以独有方式识别每个设备的关键是巨大的 IP 地址空间的应用。由于 IPv4 寻址空间有限，目前需要使用集中器(如路由器和网关)。因此，端到端使用 IPv6 寻址就成了支持物联网设备的关键。凭借其近乎无限的地址空间，IPv6 能实现对数十亿设备的独特寻址。

　　基于服务器/云的大数据分析和机器学习是大多数物联网商业模式的核心。终端节点上的物联网设备与云或服务器连接，获取商业情报和分析数据。有些设备可以直接连接，但大多数设备通常会通过网关连接(如图1所示)。

　　网关可以将低功耗网络流量汇聚到高容量的局域网和广域网。它们通常包括比终端节点(“物”)更大的电源和计算资源。网关运行的边缘应用或模糊应用接管了云端和终端节点的传感器和执行器上的处理任务。为了有效地利用嵌入式计算机和无线电传输，终端节点通常采用长电池寿命设计。网关应用中的智能阈值触发向中央云服务器传递可执行信息，使得流量更有效率。

　　网关采用多样的蜂窝和非蜂窝无线技术，与云端和终端节点衔接。无线接口可以根据覆盖范围、延迟、吞吐量、能源效率和成本，满足不同应用需求。例如，某些家庭自动化电器使用智能手机作为网关节点。无线网络(Wi-Fi)几乎无处不在，这使之成为许多物联网应用的首选。当 Wi-Fi 链接不可用时，通常使用蜂窝协议;可穿戴应用中经常用到蓝牙;近距离通信的安全性要求较高时，NFC 成为自然选择;ZigBee、Z-Wave 和 Thread 为家庭自动化和智能能源设备提供了可靠的低功耗网状网络。

　　按照运行范围分组的物联网技术示例如图 2 所示。设备和网关之间的短距离连接可以采用许多制式实现，各种标准也在迅速成型和演进，以支持新设备与物联网生态系统的连通性。到目前为止，M2M 及物联网相关的应用中采用了 60 多种传统和新射频制式。一些较为流行的制式包括蓝牙、WLAN 和蜂窝，而其他制式如 ZigBee 和 Thread 的出现，则填补了特定利基市场的空白。

　　低功率广域(LPWA)网络出现了大量创新。对于低数据速率和低占空比应用，相比当前部署的蜂窝制式，LPWA 能延长电池寿命、降低成本，同时减少链路预算。某些国家使用低收费或免费频段对 LPWA 系统(如 LoRa 和 SIGFOX)进行全国性的推广。考虑到未来在低功耗 M2M 应用的强劲增长，3GPP 无线接入网络(RAN)工作组正在开发蜂窝协议，以便在收费频段支持 LPWA。

　　3GPP 第 12 次发布中，针对 LTE 机器类型通信(MTC)推出了一个新的低复杂性设备类别(类别-0)。类别-0 提高了低数据速率应用的效率，为其进一步提升打下基础。3GPP 第 13 版包括：

　　● 增强型 MTC(eMTC)，类别-M1：LTE 的 1.4MHz 带宽优化;

　　● 扩展覆盖 GPRS(EC-GPRS)：利用重新传输和其他协议更新改善链路预算;

　　● 窄带物联网(NB-IoT)，也称为类别-M2：针对 LPWA 应用优化的新无线电制式。

　　有些公司选择开发自己专有的解决方案，以加速产品上市。然而，这种方式很可能被淘汰，因为市场的全球化正在将设备通信从专有设计推向标准化解决方案。

电子设计自动化软件成为设计和测试解决方案的关键

　　在物联网设备的设计和测试中，解决方案与支持技术同样重要。要创建整个生态系统的无缝连接，涵盖设备、基础设施、云、远程应用、后处理和服务，第一步就是打造更好的设计、使用越来越真实的仿真以及进行有意义和经济高效的测试。鉴于物联网设计工程师所面临的挑战，这一步变得越发困难。例如，随着物联网越来越普及，设计工程师不得不付出更多努力，来最大限度地提高电源效率、管理电热效应，以及处理日益紧凑的设计所导致的更严重的电磁耦合。他们还面临其他一些障碍，如评测与选择最佳技术组合(如砷化镓、氮化镓、锗化硅/硅/绝缘硅、CMOS)，集成子系统和验证相对于工业标准的性能。

　　并且，随着设计的复杂性增加，电路仿真变得更加困难。为了克服这些挑战，在设计和仿真新的物联网设备时，需要用到专门的电子设计自动化软件，来解决通信系统中的固有问题(如图 3(a)所示)。理想的解决方案应当允许在开发过程的早期对新设备进行仿真，为系统架构师和算法开发人员带来无线通信系统物理层的创新自由。同时还应包括各种虚拟测量工具，从而能够连接到仿真节点，提供期望的性能视图。

　　随着设计由仿真到实现，通过实际测量或硬件替换虚拟工具，实际设备模块可以取代仿真。如此一来，开发人员就能对仿真性能和实际性能进行比较。除了物联网设备的设计和仿真之外，他们还能对设备进行测量和分析。在选择用于此目的的测试仪器时，典型的选择标准应当包括性能技术指标、测量速度、物理尺寸、配置的可扩展性和成本(前期和后续)。没有哪个单一解决方案能满足所有需求。

　　物联网依赖于简单的电池供电传感器和执行器，它们传输的数据非常少，可以连续数年无人操作。设计和开发这类设备需要用到能够在三种主要条件下(睡眠模式、空闲模式和传输模式)测量电池电量消耗的工具。对于信号生成和分析，在设计阶段，最好采用具有高性能和通用功能(如扫描调谐频谱分析以及信号分析和故障诊断综合功能)的台式仪器。在之后的产品生命周期中，测试速度、灵活性和封装形式之类标准更为重要，因此，模块化和一体化测试仪解决方案是更好的选择。信号生成和分析软件可用于创建和分析无线通信制式中采用的定制和标准测试信号，包括蜂窝、IEEE802.11 类、蓝牙、ZigBee 和 Wi-SUN(如图3(b)所示)。在理想情况下，仿真、设计和测试物联网设备的解决方案应具备在整个生命周期内提供产品反馈的能力。

结论

　　任何物联网设备从一开始就要落实设计和测试解决方案，以确保可靠的连通性。这些支持技术、设计和测试解决方案有助于打造现在和未来的物联网。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第12页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。