Depășirea provocărilor legate de certificarea standardelor în dezvoltare în domeniul IoT

Figura 1: Laird Technologies utilizează cipuri furnizate de Nordic Semiconductor pentru modulul său Bluetooth.

La polul opus, benzile industriale, științifice și medicale (ISM) nereglementate oferă o modalitate simplă de utilizare a tehnologiilor wireless pentru IoT. Banda de 2,4GHz este populară în special pentru conexiunile wireless, cu o gamă largă de tehnologii disponibile fără necesitatea aprobărilor globale. Wi-Fi, Bluetooth și ZigBee funcționează în această bandă, dar colaborarea limitată între organismele respective de standardi­zare (IEEE 802.11 pentru Wi-Fi, IEEE 802.15.4 pentru ZigBee și L4PAN și Bluetooth Special Interest Group pentru Bluetooth) a fost o provocare.
Cercetătorii de piață din cadrul Machina Research estimează că numărul total al conexiunilor IoT va crește de la 6 miliarde în 2015 la 27 de miliarde în 2025 – o creștere de 16% pe an. Marea majoritate a acestor conexiuni (71%) au o arie restrânsă de acoperire, conexiuni în banda de 2,4GHz, cum ar fi Wi-Fi și Zigbee, care evidențiază modul în care banda de frecvență se așteaptă să devină și mai aglomerată.

Nordic Semiconductor caută să susțină viitoarele tehnologii mobile LTE-M și NB-IoT versiunea 13 oferite de 3GPP. Seria nRF91 (planificată să fie pusă pe piață în 2018) este proiectată să satisfacă nevoile aplicațiilor IoT mobile cu consum redus de energie în plină dezvoltare, inclusiv durată lungă de viață a bateriei, costuri reduse pentru implementare și întreținere, scalabilitate pentru posibil miliarde de dispozitive, dimensiune redusă care poate încăpea oriunde și arie de acoperire extinsă a rețelei.
Tehnologiile LTE-M și NB-IoT sunt dezvoltate în scopul de a oferi conectivitate mobilă cu consum redus de energie, sigură, fiabilă, de viitor, ba­zată pe standarde deschise și cu interoperabilitate pentru aplicații IoT cu limitări de costuri, dimensiune și consum de energie. Cele două tehnologii sunt create să stimuleze creșterea pieței IoT de telefoane mobile în plină dezvoltare, proiectată să depășească 1,5 miliarde de conexiuni până în 2021. Nordic estimează o acoperire mare pentru tehnologii în intervalul 2018 – 2019, cu acoperire inițială începând din 2017.

Figura 2: Procesul de aprobare Bluetooth pentru Texas Instruments.

Datorită folosirii unui număr din ce în ce mai mare a dispozitivelor mobile și a unei explozii în utilizarea nodurilor IoT în banda ISM, Institutul European de Standardizare în Telecomunicații (ETSI) și-a actualizat standardele privind utilizarea a două standarde pentru banda GHz. Acestea sunt obli­gatorii pentru toți producătorii care livrează echipamente în Europa și au intrat în vigoare în noiembrie 2016.
Cele două standarde noi sunt ETSI EN 300 328 v1.9.1, ce acoperă banda de 2,4GHz, și ETSI EN 300 893 v1.8.1, pentru banda ISM de 5GHz, care este utilizată și de 802.11a. Acestea înglo­bează tehnologia cu spectru larg ba­zată pe canale (DSSS și FHSS) utilizată de Wi-Fi, ZigBee și Bluetooth, pentru a se asigura că respectivele conexiuni radio pot funcționa împreună într-un mediu radio atât de aglomerat.
Nu include tehnologiile de bandă ultra-lată (UWB) care distribuie date pe mai multe benzi.
Directiva europeană ce acoperă aprobarea mărcii CE include standardul de conformitate EN 50371 privind expunerea umană la câmpuri electromagnetice, EN 301 489 privind compatibilitatea electromagnetică și EN 300 328. Versiunea 1.8.1 nu a clasificat Bluetooth de energie redusă (BLE) ca FHSS, listând-o în schimb drept “alt tip de modulație de bandă largă” în Secțiunea 4.2.1, cu cerințele de testare definite în Secțiunea 4.3.2. Trecerea la versiunea 1.9.1 aliniază această tehnologie cu celelalte teh­no­logii din banda 2,4GHz.
Noile revizii ale standardelor acoperă și utilizarea tehnologiilor de pozițio­nare prin satelit, de la GPS la GLONASS și Galileo, deoarece multe dispozitive IoT se deplasează în camioane, paleți sau produse de mare valoare pe care sunt montate și includ informații legate de poziția geografică. Deși acestea funcționează pe 1,6GHz, pot apărea efecte de interferență, iar demonstrarea coexistenței tuturor acestor tehnologii pentru aprobările europene reprezintă partea cheie a livrării unui model.

Figura 3: Accelerarea procesului de aprobare cu firmware și software de nivel înalt dintr-un model de referință TI.

Biroul de testare german TÜV SÜD a evaluat diferențele dintre versiunile v1.8.1 și v1.9.1 ale standardului și modul în care acestea respectă apro­bă­rile curente pentru echipamente, cum ar fi dacă este necesară retestarea.
Dacă un produs este compatibil cu versiunea 1.8.1, atunci nu este nece­sară retestarea la trecerea la versiunea 1.9.1. Companiile pot să actualizeze pur și simplu fișierul Technical Construction File (TCF), detaliind faptul că modificările din versiunea 1.9.1 nu afectează compatibilitatea produselor lor și, prin urmare, se poate admite com­pa­tibilitatea cu versiunea 1.9.1. Declarația de conformitate (DoC) poate fi apoi actualizată la v1.9.1.
Totuși, dacă este acceptată funcția de localizare geografică, este necesară o nouă declarație dată de producători, deși nu este necesară nicio testare suplimentară. Dacă se utilizează rezultatele testului de la versiunea v1.8.1 pentru versiunea v1.9.1, acestea trebuie incluse în TCF.
Demonstrarea respectării standardelor privind salturile de frecvență, cum ar fi Bluetooth, poate fi dificilă. Noul standard permite producătorilor să furnizeze o analiză statistică a “Timpului de transmisie acumulat și a ocupării frecvenței” (clauza 5.3.4), care va contribui la reducerea timpului de testare și a costurilor pentru producător.
Noua versiune a standardului a apărut în aceeași perioadă cu generația următoare de Bluetooth, versiunea 5.0, care avea ca scop adaptarea mai bună a tehnologiei Bluetooth la aplicațiile IoT. Intervalul sporit oferă conexiuni IoT puternice, fiabile, în timp ce vitezele mai mari fac sistemele să răspundă mai rapid. Capacitatea sporită de difuzare stimulează viitoarea generație de servicii “fără conexiune”, cum ar fi informațiile legate de semnalizatoare și locație și navigarea.
Dispozitivele electronice care acceptă Bluetooth 5.0 au apărut pe piață la sfârșitul anului 2016, oferind producătorilor de module un mod certificat de adăugare a tehnologiei la modele. Acestea trebuie să treacă prin procesul EN 300 328 v1.9.1.
O modificare importantă adusă procesului respectiv este aceea că EN 300 328 v1.9.1 nu se mai referă la valorile “R” și “Q”; prin urmare producătorii de module și sisteme nu trebuie să contacteze distribuitorii de cipuri pentru aceste informații. În același timp, valoarea minimă a evaluării clare a canalelor (CCA) pe care un producător o poate declara a fost redusă de la 20µs la 18µs, ceea ce va permite utilizarea mai multor canale. Acest lucru va reduce aglo­me­rarea în bandă și va permite mai multor dispozitive să lucreze eficient și cu un consum mai mic de energie. Cerința de blocare a receiverului este, de asemenea, redusă de la -30dBm la -35dBm (clauza 5.3.7) pentru a contribui la eficiența spectrală.

Figura 4: Taiyo Yuden dezvoltă module wireless atât pentru standardele Wi-Fi, cât și pentru standardele Bluetooth.

De asemenea, standardul a fost adaptat pentru a elimina unele elemente care s-au dovedit a fi irelevante. De exemplu, testarea la temperaturi extreme în frecvențe în afara benzii nu mai este o cerință, reducând timpul și costurile de testare.
Alte modificări aduse standardului includ clarificări și formulări suplimentare care să ajute producătorii și laboratoarele de testare în timpul procesului de testare pentru produ­cătorii de module. În plus, produ­cătorii de cipuri, cum ar fi Texas Instruments, oferă, de asemenea, un proces de certificare mai rapid pentru clienții care utilizează cipurile cu firmware și software de nivel înalt proiectate direct în produs.
De asemenea, procesul poate fi utilizat de producătorii de module pentru a accelera modulele de pre- cer­­ti­ficare pe care clienții le pot include într-un model.
Introducerea pe piață a unui produs wireless necesită o gamă de calificări și aprobări, care implică atât testare, cât și documentație, ce poate fi relativ complexă și costisitoare pentru cei nefamiliarizați cu procesul. Apro­bă­rile conform standardelor wireless și de reglementare nu pot fi obținute per cip, astfel că acest lucru revine producătorilor de module, cum ar fi Laird Technologies și Taiyo Yuden, care au responsabilitatea respectării standardelor EN de către module. Între timp, producătorii de module se bazează pe performanța esențială a dispozitivelor oferite de companii, cum ar fi Texas Instruments, NXP și Nordic Semiconductor.
De exemplu, pentru modulul BL652, Laird utilizează nRF52832 System on Chip de la Nordic. Acest modul este preaprobat pentru toate certificările și calificările wireless necesare, inclusiv Bluetooth 4.2, include o antenă exter­nă integrată sau opțională și este calificat pentru un interval de tem­pe­ra­tură de funcționare în domeniul industrial cuprins între -40º … +85ºC.
nRF52832 este primul astfel de dispozitiv care utilizează un nucleu de procesor ARM Cortex-M4F la 64MHz combinat cu o memorie flash de 512kB și 64kB de RAM, un radio pe 2,4GHz patentat, cu o senzitivitate de recepție de -96dB, curenți RX/TX de vârf de 5,5mA și un balun RF on-chip, precum și Near Field Communication (NFC). Laird a implementat un nivel înalt de securitate și de criptare (AES de 128 de biți securizat cu asociere prin Diffie-Hellman), astfel încât să fie utilizat cu ușurință în aplicațiile IoT atât în modelele industriale, cât și în modelele pentru companii.

Concluzie
Dezvoltarea rapidă a Internetului lucrurilor atât pentru aplicațiile industriale, cât și pentru aplicațiile pentru companii se axează mai mult pe aprobări și pe procesele de certificare. Deoarece tehnologiile din benzile ISM pe 2,4GHz și 5GHz domină tendințele de creștere din IoT, necesitatea de asigurare că acestea funcționează eficient fără a compromite alte sisteme este esențială pentru a face față standardelor pentru dispozitive mobile IoT în plină dezvoltare. Modificările aduse standardelor ETSI EN care au intrat în vigoare în noiembrie 2016 au ca scop îmbunătățirea și mai mare a procesului de certificare, făcându-l mai puțin dificil și mai ieftin pentru producătorii de module și de sisteme, optimizând totodată performanța tuturor dispozitivelor în IoT.

Autor: Josh Mickolio, Manager de produs – Semiconductori la Digi Key

Digi-Key Electronics   |   www.digikey.com