IoT产品验证新趋势:无线Heat Map场域分析

在物联网时代,所有装置几乎都将透过无线技术连接上网。然而,无线环境宛如无形高速公路,频道、带宽相当有限,物联产品的无线功能验证方式,与过去已有非常大差异,本篇文章将从常见的无线连接问题谈起,透过实境场域的热区图(Heat Map)联机分析,为各位介绍物联网时代的无线验证趋势。

未来物联网、智能家庭产品将会越来越多,所使用的无线频段越来越拥挤,消费者将会更不能接受无线质量差的使用体验。无线技术应用已逾二十年,大多数用户早已熟悉Wi-Fi、Bluetooth等等应用技术,但仍有一些常见的联机问题,却将是最直接影响产品质量与实际消费者体验的关键:

1.  无线讯号不稳定 
产品与产品、无线基地台之间,距离的远近、传输路径上经过的材质,会影响无线网络传输讯号的强弱,也就直接造成无线传输效能上的差异。举一个家中常见的例子,当手机连接家中无线网络的时候,坐在家中客厅还连得上,但把手机带进卧室或其他房间,隔了道水泥墙,瞬间从满格变成讯号微弱。

 2. 状态显示已联机,但网络超慢延迟高 
这也是很常见的无线联机问题,明明就显示已联机、与AP讯号联机满格,但网络速度就是慢、延迟高,有时甚至等同于无法操作。这类型问题常常发生在同频段的同频干扰,或是其他无线技术的讯号干扰。

 3. 「无线漫游」有联机却无作用 

当使用范围比较广的时候,往往会需要扩展无线网络的覆盖范围。然而,无线漫游(Wireless Roaming)在不同AP切换之间,仍然会有短暂断线的时间差,而这时间差就会有无法重连、程序作用中断的可能。像是扫地机器人在家中打扫,走到另一个空间,在A位置还能被操控,走到B虽然装置显示有联机,却什么指令都传不出去,得再重新连接才能上网。

「无线网络」与「IoT产品」、「使用场域」之间息息相关、密不可分;未来智能家庭的面貌,从摄影机,到插座、灯光、甚至是烟雾侦测器等等,所有的装置,都得透过无线技术连上网络。如果因为刚刚那些问题,而影响使用者体验,严重者甚至可能造成生命财产损失,对消费者、产品及品牌,都会是伤害。

图说:未来智能家庭应用众多,网络联机是物联串接的重要关键。

百佳泰在无线网络领域深耕十多年,更是许多无线(Wi-Fi、Bluetooth)及物联网技术(LoRa、OCF)协会所指定的认证测试实验室,早已从物联网产品的应用面、技术面着手,运用「Heat Map场域分析」,设计出「从产品到场域」的完整验证方案,来确保产品最佳的无线效能表现。

为何需要无线 Heat Map 场域分析?

现在无线产品的效能验证,已与过去有非常大的差异。对IoT产品而言,一般的无线效能测试已不足够,必须以实际情境为考虑,从使用者行为角度出发,模拟真实无线环境,才可避免发生「实验室Pass、市场Fail」的尴尬处境。

「无线Heat Map场域分析」考虑到不同产品有着不同的联机需求,结合了实境场域概念,具备了以下两种有别于以往的验证特点:

 1. 无线质量可视化 确保讯号完整性及最佳效能 

无线讯号触不着、摸不到,在不同场域中的质量较难掌握,Heat Map 则补足了这部份的不足,能做出高效清楚的图形化场域分析。

像是AP放置的位置、周边环境、设备,甚至是家具的材质,都会影响到产品效能。以往无线讯号的质量,都是图表「点」对「点」的方式呈现;百佳泰经过长时间的验证研究,以多年专业的测试经验,设计开发了一套由Heat Map做为工具,从「点」到「面」的分析方法。以更全貌的方式,完整呈现讯号强度 (RSSI),可以具体掌握智能装置的无线连接(如Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee等等)效能与质量。

以上图的Heat Map场域实测为例,在这Wi-Fi的场域环境中,红色为讯号较强的区域,装置会有较佳的效能表现,黄色则代表着讯号强度中等,绿色、蓝色则为讯号强度尚可、或较差的覆盖环境。我们实际量测后发现,不同的智能装置在不同的讯号环境下,效能的确都有差异。透过实测分析,我们可藉此确保在整个场域中都能有一定的联机质量。而在Heat Map场域分析中,还会辅以三种指针作为联机质量参考:

  1. 延迟  (Latency)
  2. 吞吐量 (Throughput)
  3. 丢包率 (Packet Loss)

这三种指针能够协助分析出装置无线联机质量,找出讯号不稳定的问题点,进而改善联机状况。

 2. 环境因子仿真 发掘装置关键问题 

使用环境千变万化,无线讯号也会受到各种影响。IoT产品开发过程,要以各种环境条件来测试,以确保无线质量可靠度。百佳泰控制各种会影响讯号的因子,仿真出讯号单纯、复杂的环境,来协助找出影响装置效能的关键问题。

以下图为例,图左是讯号单纯的环境,右边则是讯号复杂的环境,讯号源很多,很有可能也参杂着不同的无线技术。因此,同频、邻频的无线射频(如Wi-Fi, Zigbee, Thread皆使用2.4G网段),很有可能造成讯号干扰,造成装置效能差异。此外,我们也能藉此判断出环境死角、讯号强弱点,藉此改善装置效能。

然而,要营造控制变因的测试环境,不论是技术或成本皆有一定门坎。百佳泰现已建构了实境场域,透过各种困难测试环境,控制讯号差异的变因,并辅以Heat Map,来协助厂商找出无线装置的关键问题。

IT玩家实测 无线问题状况多

为了验证智能型装置的无线效能,我们情商一位长期关注智能产品的IT玩家,其家中已有多种不同类型、品牌的智能装置,包含了摄影机、语音助理、门锁甚至是烟雾传感器等等。在这IT玩家55坪的家里,已经配置了两台无线AP供这些装置联机使用。我们以他的情况,以Heat Map实地分析;验证后发现,部份的智能装置的无线连接效能不如预期,甚至双AP情况下,家中仍有3分之1区域是没讯号或讯号不良。我们就举当中的几个例子,说明实测所遇到的状况与发现的问题点。

图说:IT玩家55坪的家中,即使已配置两台AP,仍有3分之1是收不到讯号或讯号不良。

 1. 智慧摄影机:距离近却常瞬间断线 

这位IT玩家将智慧摄影机装在家门口,希望能远程监控家中状况。刚开始使用时,功能联机还算正常可用,不过后来却发现,虽然摄影机距离无线AP仅有5公尺,各项讯号指数(延迟、吞吐量、讯号强度)皆良好,但却常常发生瞬断,造成使用上极大困扰。

这是一个很典型的使用情境案例,当智能装置联机时,即使在互联装置间的直视性(Line Of Sight,LOS)范围内,仍然有可能会断线。而这样的结果,造成的原因除了可能是装置间的互操作性问题,也有很大机率是室内装潢导致装置可靠度不够。

后来,我们将智能摄影机移动位置之后,功能运作就恢复正常。以此实测案例来看,原因是来自摄影机邻近家中的风水装潢,受到其金属材质干扰的影响。这种例子,在台湾的消费者家中环境,绝非少见的单一个案。

图说:摄影机距离AP仅有5公尺,但仍然会发生瞬间断线的联机问题。

 2. 智慧音箱:反应时快时慢,延迟导致效果差 

这位IT玩家拥有着许多不同厂牌的智能音箱、智能插座,并习惯将其摆放在家中桌上使用。他发现,环境条件相同、但将产品摆在不同材质的桌面上时,在讯号传输上也产生了不同程度的延迟差异;有的产品完全不受影响,效能表现依旧极佳,但有的就出现了延迟(Delay)问题。

无线装置遇上了延迟问题,消费者会立即对其印象分数大打折扣,这类问题在智慧音箱上更尤其明显。

深究其原因,我们发现,这跟这位玩家家中的桌子材质有关。他的桌子为金属材质,当移到木质桌面上时,情况就有好转;当产品放置在金属表面材质上,有可能会让无线讯号时好时坏,而导致延迟问题。除此之外,其他电子产品也会造成影响(短距离讯号干扰),例如在家中,不少人都会把无线AP、数字机顶盒或其他网络设备放在一起,但我们实测时也发现,这些装置彼此间也会造成讯号干扰。

图说:产品位置相同,但摆放在不同材质表面上时,效能也会有明显差异。

 3. 无线AP:特定区域收不到无线讯号 

在这次的场域实测中,我们也遇到一个状况:明明这位玩家家中无线讯号稳定,装置也运作正常,更没有其他无线讯号的干扰,但一样坐在餐桌上,有些位置就是讯号不稳定或收不到讯号;但稍稍离开或走几步路之后,却又有了收讯。

这种讯号不稳定、甚至无讯号的问题,倘若没有透过Heat Map 找出收讯问题点,很难找到最根本的原因。通常无线讯号覆盖率不足的原因,可能是受到家具、墙柱、镜面,或是其他特殊物品、金属材质的干扰。以这次案例为例,后来发现导致装置无法作用的关键,是来自家中室内装潢及按摩椅的干扰。

图说:家中无线讯号不稳定、甚至无讯号,很有可能是受到装潢或是金属材质物品的干扰。

未来物联网的智能生活,网络联机能力重要性如同电力一般,缺一都不可。这位IT玩家的使用情境,可能你我家中都是如此。当所有家电产品智能化,连电饭锅、冰箱、洗衣机都可连网之际,无线讯号问题若未被重视,反而会成为智能产品的隐忧。

RF效能测试 可协助除错改善无线效能

物联网产品开发过程中,除了发现问题,如何改善也很重要。当透过「Heat Map 场域分析」发现联机问题后,我们可再由「RF效能测试」来协助找出根本原因。RF效能测试能够验证无线组件的效能,从天线、模块到最终产品逐步测试,各有不同的验证项目,三项环节缺一不可。

 

另外,各种装置本身中的电子组件,也会产生电磁干扰,从CPU、无线芯片组,到甚至USB、HDMI接口或屏幕,都有可能干扰效能。不同的使用情境也会也可能影响无线传输速度,甚至造成讯号中断。例如Wi-Fi联机时,USB装置进行数据存取,可能会导致Wi-Fi传输速率下降,甚至无法正常联机。

除了装置本身的干扰源之外,其他无线技术更是一大隐忧。2.4G频带的使用技术非常多,Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee甚至是无线电话,皆使用2.4GHz频率。使用手机时,就很有可能因为Wi-Fi、Bluetooth同时开启而受到干扰。

智能装置需整合性验证 才能打造最佳使用体验

物联网装置功能复杂,以往纯效能导向验证,已不足以应付智能装置所需要的应用类型测试。目前百佳泰已备有各种的RF测试环境,包括843 Chamber、333 Shielding Room、Shielding Box等等,能提供完善的RF讯号测试量测与分析;而为了仿真真实的智能装置用户场景,百佳泰以其多年专业经验,投入IoT测试研究,设计了最常见的五大应用情境,也已于2017年底正式启用IoT实验场域,透过装置互连验证,协助厂商发掘智能产品可能遭遇的技术问题。

未来智能装置测试趋势,将会朝着整合式验证迈进。百佳泰还会持续推出更多测试验证服务,对症下药,提供最符合您需求的产品解决方案。