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无故障无线M2M通信的先进验证方案

时间:04-21 来源:互联网 点击:
作者: 安立公司Franz-Josef Dahmen

机器到机器(M2M)通信可以同时给设备制造商和最终用户带来极具价值的益处:远程检测、监视、跟踪和数据记录能给工业、商业、军事和其它市场领域,以及自动化、贩卖、智能抄表和物流应用中的机器带来全新视角的功能。无线是几乎所有这些应用优先选用的通信模式。当然,无线通信支持移动应用,例如物流领域中的跟踪管理。但即使在固定设备中无线连接也经常是首选方案,因为它的安装成本低,特别是在远端位置,而且有许多支持GSM、3G、4G-LTE(比如蜂窝电话中),以及ZigBee和WiFi等无线协议的现成商用化通信模块。

移动电话网络接收现在几乎无所不在,蜂窝电话为实现M2M通信(也称为机器类通信——MTC)的设备制造商提供了最大的灵活性和覆盖能力。但在许多情况下,这标志着开发团队首先会遇到有时非常复杂的无线现场环境。只是简单地将GSM或3G模块安装到现有终端产品上并不能保证高效的无线连接,不管这个模块有多么好。

本文将讨论如何在产品开发过程中,使用现代仿真技术验证M2M或MTC应用的性能,以便制造商在现场部署产品时有信心保证无差错地工作。

要测试的元件

一个简化的M2M系统架构由三部分组成:M2M应用本身(主机)、通信/无线网络和M2M设备(通常是一个调制解调器)。这三部分的操作和交互决定了M2M系统的可靠性。

网络运行当然不受设备制造商的控制。但网络类型的选择很重要,因为在期待使用地点的网络可用性是可靠连接的先决条件。事实上,全球大多数国家现在几乎都有某种形式的无线网络全覆盖。

最密集的覆盖通常是通过2G网络实现的,比如90年代早期欧洲和亚洲推出的GSM/GPRS网络。从2000年开始,3G网络(使用WCDMA、CDMA2000或TD-SCDMA技术)开始搭建,并与现有2G网络共存。今天,我们可以看到正在部署4G-LTE网络,这种网络可以提供永远在线的宽带无线互联网连接。

2G网络提供电路交换和包交换方式接入用户域。在各种2G技术中,可以提供比GSM更高的上行链路和下行链路数据速率的GPRS是目前使用最为广泛的M2M数据传输方式。对于只要求传输少量数据的一些应用来说,有时也使用短消息(SMS)。

这种广泛可用的网络拓扑选择为无线M2M功能的开发提供了强大和稳健的基础。不过虽然无线网络几乎无处不在,但对它们的访问每个地区每个时间段都可能不同,因为这种访问部分取决于在任何给定蜂窝中发生的活动数量——当通信链路发生故障时M2M应用的响应是在产品开发过程中需要测试的关键参数之一,下文将详述。

在终端产品中嵌入调制解调器的影响

最快和最简单的M2M系统开发方法是嵌入集成化的蜂窝模块——一种智能调制解调器,它提供了物理和协议层的黑盒子实现。Sierra Wireless、Cinterion和Telit等著名公司提供的模块都经过了测试和类型核准,能够满足3GPP(第三代合作伙伴计划——蜂窝电话行业的标准制定组织)发布的测试规范要求。

符合这些规范的认证保证了模块就像移动电话一样符合标准。因此,在嵌入终端产品之前,模块已经可以提供高可靠性的通信功能。

然而在M2M系统中,模块一般需要与终端产品中的其它硬件和软件一起工作,比如可编程控制器、电表、信用卡终端和车载信息通讯与娱乐单元等。此外,有一个中心应用环境处理来自M2M设备的数据流,并根据它处理的信息类型和价值作出决策。

因此,模块嵌入终端产品的这种方式在现实世界中容易引起通信故障。如果设备已经部署到现场才第一次发现这种不可靠的行为,那就很惨了。通过开发能够模拟实际使用情况的测试情景,并在这些情景组成的受控测试环境中测试M2M系统行为,设备制造商就能在设备投入生产前发现并修复潜在的故障。

过去,开发人员使用各种方法执行M2M系统的功能测试,例如在实际使用网络中测试原型,使用一致性测试系统或开发专门的测试网络。

然而,上述三种方法都存在严重的缺点。在实际使用的网络中进行测试只能做测试地点和原型测试时间发现的情景测试,很难再现发生特定问题的测试情景,进而找到故障器件或信号行为的原因。

在一致性测试系统中,测试情景受限于3GPP规定的那些情景。这些测试系统不利于深入测试和修改与任何给定应用最具相关性的情景。而开发一个专门的测试网络的代价又太高,而且很耗时间。

幸运的是现在有更好的方法。无线网络仿真从开发早期阶段就可以开展整个M2M系统装置的测试。网络仿真器支持详细的设备和信号行为调查,能够完全自由地仿真任何类型的网络协议和环境,包括在用网络无法提供的协议和环境。这些网络仿真器有现成的,而且价格合理。

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