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作者: 安立公司Franz-Josef Dahmen 機器到機器(M2M)通信可以同時給設(shè)備制造商和最終用戶帶來極具價值的益處：遠程檢測、監(jiān)視、跟蹤和數(shù)據(jù)記錄能給工業(yè)、商業(yè)、軍事和其它市場領(lǐng)域，以及自動化、販賣、智能抄表和物流應(yīng)用中的機器帶來全新視角的功能。無線是幾乎所有這些應(yīng)用優(yōu)先選用的通信模式。當(dāng)然，無線通信支持移動應(yīng)用，例如物流領(lǐng)域中的跟蹤管理。但即使在固定設(shè)備中無線連接也經(jīng)常是首選方案，因為它的安裝成本低，特別是在遠端位置，而且有許多支持GSM、3G、4G-LTE(比如蜂窩電話中)，以及ZigBee和WiFi等無線協(xié)議的現(xiàn)成商用化通信模塊。 移動電話網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)在幾乎無所不在，蜂窩電話為實現(xiàn)M2M通信(也稱為機器類通信——MTC)的設(shè)備制造商提供了最大的靈活性和覆蓋能力。但在許多情況下，這標(biāo)志著開發(fā)團隊首先會遇到有時非常復(fù)雜的無線現(xiàn)場環(huán)境。只是簡單地將GSM或3G模塊安裝到現(xiàn)有終端產(chǎn)品上并不能保證高效的無線連接，不管這個模塊有多么好。 本文將討論如何在產(chǎn)品開發(fā)過程中，使用現(xiàn)代仿真技術(shù)驗證M2M或MTC應(yīng)用的性能，以便制造商在現(xiàn)場部署產(chǎn)品時有信心保證無差錯地工作。 要測試的元件 一個簡化的M2M系統(tǒng)架構(gòu)由三部分組成：M2M應(yīng)用本身(主機)、通信/無線網(wǎng)絡(luò)和M2M設(shè)備(通常是一個調(diào)制解調(diào)器)。這三部分的操作和交互決定了M2M系統(tǒng)的可靠性。 網(wǎng)絡(luò)運行當(dāng)然不受設(shè)備制造商的控制。但網(wǎng)絡(luò)類型的選擇很重要，因為在期待使用地點的網(wǎng)絡(luò)可用性是可靠連接的先決條件。事實上，全球大多數(shù)國家現(xiàn)在幾乎都有某種形式的無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。 最密集的覆蓋通常是通過2G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，比如90年代早期歐洲和亞洲推出的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)。從2000年開始，3G網(wǎng)絡(luò)(使用WCDMA、CDMA2000或TD-SCDMA技術(shù))開始搭建，并與現(xiàn)有2G網(wǎng)絡(luò)共存。今天，我們可以看到正在部署4G-LTE網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以提供永遠在線的寬帶無線互聯(lián)網(wǎng)連接。 2G網(wǎng)絡(luò)提供電路交換和包交換方式接入用戶域。在各種2G技術(shù)中，可以提供比GSM更高的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)速率的GPRS是目前使用最為廣泛的M2M數(shù)據(jù)傳輸方式。對于只要求傳輸少量數(shù)據(jù)的一些應(yīng)用來說，有時也使用短消息(SMS)。 這種廣泛可用的網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇為無線M2M功能的開發(fā)提供了強大和穩(wěn)健的基礎(chǔ)。不過雖然無線網(wǎng)絡(luò)幾乎無處不在，但對它們的訪問每個地區(qū)每個時間段都可能不同，因為這種訪問部分取決于在任何給定蜂窩中發(fā)生的活動數(shù)量——當(dāng)通信鏈路發(fā)生故障時M2M應(yīng)用的響應(yīng)是在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要測試的關(guān)鍵參數(shù)之一，下文將詳述。 在終端產(chǎn)品中嵌入調(diào)制解調(diào)器的影響 最快和最簡單的M2M系統(tǒng)開發(fā)方法是嵌入集成化的蜂窩模塊——一種智能調(diào)制解調(diào)器，它提供了物理和協(xié)議層的黑盒子實現(xiàn)。Sierra Wireless、Cinterion和Telit等著名公司提供的模塊都經(jīng)過了測試和類型核準(zhǔn)，能夠滿足3GPP(第三代合作伙伴計劃——蜂窩電話行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制定組織)發(fā)布的測試規(guī)范要求。 符合這些規(guī)范的認(rèn)證保證了模塊就像移動電話一樣符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，在嵌入終端產(chǎn)品之前，模塊已經(jīng)可以提供高可靠性的通信功能。 然而在M2M系統(tǒng)中，模塊一般需要與終端產(chǎn)品中的其它硬件和軟件一起工作，比如可編程控制器、電表、信用卡終端和車載信息通訊與娛樂單元等。此外，有一個中心應(yīng)用環(huán)境處理來自M2M設(shè)備的數(shù)據(jù)流，并根據(jù)它處理的信息類型和價值作出決策。 因此，模塊嵌入終端產(chǎn)品的這種方式在現(xiàn)實世界中容易引起通信故障。如果設(shè)備已經(jīng)部署到現(xiàn)場才第一次發(fā)現(xiàn)這種不可靠的行為，那就很慘了。通過開發(fā)能夠模擬實際使用情況的測試情景，并在這些情景組成的受控測試環(huán)境中測試M2M系統(tǒng)行為，設(shè)備制造商就能在設(shè)備投入生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在的故障。 過去，開發(fā)人員使用各種方法執(zhí)行M2M系統(tǒng)的功能測試，例如在實際使用網(wǎng)絡(luò)中測試原型，使用一致性測試系統(tǒng)或開發(fā)專門的測試網(wǎng)絡(luò)。 然而，上述三種方法都存在嚴(yán)重的缺點。在實際使用的網(wǎng)絡(luò)中進行測試只能做測試地點和原型測試時間發(fā)現(xiàn)的情景測試，很難再現(xiàn)發(fā)生特定問題的測試情景，進而找到故障器件或信號行為的原因。 在一致性測試系統(tǒng)中，測試情景受限于3GPP規(guī)定的那些情景。這些測試系統(tǒng)不利于深入測試和修改與任何給定應(yīng)用最具相關(guān)性的情景。而開發(fā)一個專門的測試網(wǎng)絡(luò)的代價又太高，而且很耗時間。 幸運的是現(xiàn)在有更好的方法。無線網(wǎng)絡(luò)仿真從開發(fā)早期階段就可以開展整個M2M系統(tǒng)裝置的測試。網(wǎng)絡(luò)仿真器支持詳細的設(shè)備和信號行為調(diào)查，能夠完全自由地仿真任何類型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和環(huán)境，包括在用網(wǎng)絡(luò)無法提供的協(xié)議和環(huán)境。這些網(wǎng)絡(luò)仿真器有現(xiàn)成的，而且價格合理。 M2M通信故障的典型原因 借助蜂窩網(wǎng)絡(luò)仿真器，設(shè)備開發(fā)人員可以充分發(fā)揮他們的想像力，為他們的M2M系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)力測試，并回答一些基本的問題。 在蜂窩、在網(wǎng)絡(luò)或在不同無線協(xié)議之間可以完成切換嗎？當(dāng)切換失敗時應(yīng)用的數(shù)據(jù)會發(fā)生什么變化？ 設(shè)備正確地連網(wǎng)或斷網(wǎng)了嗎？ 設(shè)備能夠成功地注冊和認(rèn)證SIM卡嗎？ 在連接成功后數(shù)據(jù)吞吐量是多少？什么時候執(zhí)行切換？ 設(shè)備正確地處理了大量短消息的同時接收了嗎？ M2M設(shè)備的射頻接收靈敏度怎么樣？在實際使用中，信號有多弱才會失去到網(wǎng)絡(luò)的連接？ 對于以前沒有通信測試經(jīng)驗的工程師來說，如何設(shè)計測試?yán)虂韺崿F(xiàn)上述這些情景通常不是很清楚。因此網(wǎng)絡(luò)仿真器含有軟件工具，可以讓用戶暫時不用考慮背后的測試系統(tǒng)代碼，通過直觀的圖形用戶界面(GUI)就能配置和運行許多種類的測試情景。 為了描述這種GUI的操作，圖1顯示了內(nèi)置于MD8475A網(wǎng)絡(luò)仿真器的安立SmartStudio。SmartStudio提供預(yù)先定義好的菜單選項，可用于配置多種蜂窩和蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。它首先要求用戶選擇仿真中應(yīng)該使用哪種無線接入技術(shù)(例如“WCDMA到GPRS切換”)。 
圖1：SmartStudio軟件具有直觀的使用界面，可以指導(dǎo)用戶完成整個測試案例的開發(fā)過程。 這個選擇的依據(jù)是M2M設(shè)備支持的蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。下一步是設(shè)置想要的蜂窩特定參數(shù)，或簡單地選擇預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)蜂窩參數(shù)之一。這項工作很快可以做完，只需很少的蜂窩技術(shù)知識。然后用戶只需點擊“Play”按鈕就能完成網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，并用于測試。 蜂窩配置允許用戶重現(xiàn)世界上任何可用移動網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。典型設(shè)置是針對移動網(wǎng)絡(luò)代碼(MNC)和移動國家代碼(MCC)提供的。舉例來說，代碼MCC 262和MNC 02是德國的沃達豐D2 GmbH使用的。 這些設(shè)置可以在MD8475A上使用，用于測試M2M GSM/GPRS設(shè)備注冊網(wǎng)絡(luò)并使用存儲在設(shè)備SIM卡中的身份數(shù)據(jù)進行認(rèn)證的能力。儀器會記錄下這個認(rèn)證過程中的詳細步驟供用戶查看。 儀器還能測試設(shè)備向其它網(wǎng)絡(luò)注冊的能力。例如，一個經(jīng)預(yù)先編程在沃達豐網(wǎng)絡(luò)上工作的設(shè)備將被配置為注冊到合適的沃達豐蜂窩上。但這個設(shè)備也可以注冊到其它網(wǎng)絡(luò)提供商操作的蜂窩上。 儀器能夠測試存在多家提供商的蜂窩情況下設(shè)備的蜂窩注冊行為，它會考慮公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)(PLMN)識別信息、限制狀態(tài)和每個蜂窩的下行鏈路信號電平。儀器還能測試設(shè)備是否成功地完成了到這個蜂窩的位置注冊。儀器還能開展蜂窩重新選擇測試，這是蜂窩改變其限制狀態(tài)或下行鏈路信號電平時所要求的。 在這一系列測試的最后一步是測試設(shè)備改變蜂窩的能力——這是在語音或數(shù)據(jù)包連接初始化之后蜂窩下行鏈路信號電平改變時要求的一個功能。這項測試檢查移動設(shè)備在比較下行鏈路信號電平之后試圖通過重新選擇最優(yōu)蜂窩并轉(zhuǎn)到新的最優(yōu)蜂窩上以保持服務(wù)的能力。 評估設(shè)備性能 選擇/重新選擇和切換測試項只是使用網(wǎng)絡(luò)仿真器和軟件(如SmartStudio)很容易進行配置和執(zhí)行的許多測試項中的一種。針對每個測試項，開發(fā)人員必須判斷應(yīng)用的故障容限，并考慮最終用戶的要求和期望。比如在選擇和切換測試中，因為這些都是蜂窩電話中的基本功能，所以設(shè)備應(yīng)該每次都能通過測試。 更為全面的無線網(wǎng)絡(luò)仿真器能夠執(zhí)行驗證任何M2M應(yīng)用的性能和功能所需的所有測試，見圖2。
圖2：測試M2M設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上的蜂窩選擇能力。 安立的儀器——MD8470A(用于2G和3G)或MD8475A(用于2G、3G和LTE，圖3)能夠隱藏?zé)o線標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，讓工程師專注于應(yīng)用本身，為復(fù)雜場景的建立提供穩(wěn)定的測試環(huán)境和簡單的用戶界面。用于監(jiān)視、記錄和故障分析的集成化工具可以幫助用戶快速識別和分析系統(tǒng)中的問題。
圖3：安立公司的MD8475A網(wǎng)絡(luò)仿真器。 |
