Die Kommunikation zwischen Maschinen (M2M) und dem Internet der Dinge (IoT) haben eine Reihe von Anwendungen und Zukunftsmärkte mit riesigem Potenzial hervorgebracht. So können zum Beispiel Versorgungsunternehmen mit intelligenten Messsystemen (Smart Meter), die über Mobilfunk mit der Abrechnungsstelle kommunizieren, den Energieverbrauch ihrer Kunden ohne Außendienstmitarbeiter erfassen. Auch intelligente Armbanduhren, Backöfen oder Waschmaschinen sind heute Stand der Technik. Ein weiteres Anwendungsbeispiel für M2M beziehungsweise IoT sind vernetzte Müllcontainer. Sie liefern den Entsorgungsunternehmen Daten über den Füllstand von Abfallcontainern sowie über die Entwicklung des Abfallaufkommens und damit Informationen, die betriebliche Entscheidungen beeinflussen können.

Mit dem Basisstationstester CMW 500 lassen sich vernetzte Systeme ohne Zugang zu einem Mobilfunknetz testen.

Mit dem Basisstationstester CMW 500 lassen sich vernetzte Systeme ohne Zugang zu einem Mobilfunknetz testen. Rohde & Schwarz

Den Möglichkeiten und Anwendungen für M2M und IoT sind keine Grenzen gesetzt. So prognostizieren Experten von Cisco für 2020 weltweit rund 50 Milliarden vernetzte Geräte. Andere Quellen gehen sogar von 70 Milliarden miteinander verbundenen Geräten aus. Nicht zuletzt wegen der enormen Zahl der vernetzten Geräte ist unbedingt sicherzustellen, dass diese sowohl miteinander als auch innerhalb drahtloser Netzwerke oder Systeme, in die sie integriert sind, ordnungsgemäß funktionieren.

Jedes einzelne Unternehmen einer Volkswirtschaft bietet Produkte und Dienstleistungen in ganz unterschiedlichen Bereichen und Branchen an, zum Beispiel Logistik, Flottenmanagement, RFID, Sicherheit und Überwachung, drahtlose Point-of-Sale-Terminals, drahtlose medizinische Ausrüstung, Hausautomatisierung, intelligente Messtechnik oder Wearables.

Für einen Großteil dieser Anbieter zählt die Mobilfunktechnologie jedoch nicht unbedingt zu ihren Kernkompetenzen. Dennoch nutzen sie den Mobilfunk zur Erweiterung ihres Produktportfolios. Dabei stehen viele Unternehmen vor der Herausforderung, ihre neuen Geräte zu testen und funktionsfähig zu machen. Auch Zertifizierungen kommt hier eine entscheidende Bedeutung zu. Das alles ist mit großem Aufwand und Kosten verbunden.

Unterschiede bei M2M und IoT

M2M und IoT verwendet man häufig synonym. Es gibt jedoch Unterschiede. M2M bezieht sich auf Technologien als Grundlage drahtloser und leitungsgebundener Kommunikationssysteme, bei denen die drahtlosen Systeme im Vordergrund stehen. Bei diesen Systemen nutzen Maschinen Netzwerkressourcen, um mit einer entfernten Anwendungsinfrastruktur zu kommunizieren. Die Maschine selbst oder ihre Umgebung möchte man dabei überwachen und steuern. M2M wird als Bestandteil und Grundlage des IoT angesehen.

Der Begriff IoT hingegen meint ein Netz aus miteinander verbundenen Dingen beziehungsweise Geräten sowie die Art ihres Zusammenspiels. Bei diesen Dingen kann es sich um intelligente Geräte, Systeme, Maschinen oder statische Objekte handeln. Ein M2M-System lässt sich im Wesentlichen durch vier Phasen kennzeichnen. Datenerfassung mit einem Sensor, Übertragung der erfassten Daten über das Kommunikationsmedium oder Netzwerk (in diesem Fall das Mobilfunknetz), Datenauswertung sowie darauf aufsetzende Aktionen oder Reaktionen.

Die Datenübertragung testen

Bild 1: M2M-Beispiel mit einem vernetzten Kaffeeautomaten. Für Test- oder Prüfzwecke steht jedoch nicht immer ein Mobilfunknetz zur Verfügung.

Bild 1: M2M-Beispiel mit einem vernetzten Kaffeeautomaten. Für Test- oder Prüfzwecke steht jedoch nicht immer ein Mobilfunknetz zur Verfügung. Rohde

Die Erfassungsgeräte können Daten entweder über ein WAN (Wide Area Network) wie zum Beispiel das Mobilfunknetz (GSM, WCDMA, CDMA2000, EVDO oder LTE) oder über ein LAN/PAN (Local/Personal Area Network wie zum Beispiel WLAN, Bluetooth, Zigbee oder Z-Wave übertragen.

Für Anbieter von Geräten ist es mühsam, diese kritischen Übertragungswege zu testen und zu verifizieren. Der Zugang zu dem dazu erforderlichen Know-how innerhalb oder außerhalb des Unternehmens stellt bereits die erste Hürde dar. Spezialisten, die die Komplexität der Mobilfunktechnologie kennen und auf wichtige Fragen Antworten haben, sind hier unabdingbar.

So wissen Experten zum Beispiel genau, welche Zugangstechnologie sich für die jeweilige Anwendung am besten eignet oder welche HF-Eigenschaften für eine bestimmte Funktionalität wichtig sind. Experten können zum Beispiel aber auch folgende Fragen beantworten: Welche Applikation kann man nutzen, um die bei der jeweiligen M2M-Anwendung erforderliche Übertragung von Datenpaketen von A nach B zu verifizieren? Aus welchen Anwendungsfällen lässt sich ein umfassender Testplan für die Verifizierung zusammenstellen? Welche Tests für die Zertifizierung von Geräten erforderlich sind und welche Testlabors dafür in Frage kommen, gehört ebenfalls zum Know-how von Fachleuten. Auch wissen Insider, welche Möglichkeiten es für die Massenproduktion solcher Geräte gibt.

Testszenarien

Wenn alle genannten Fragen geklärt sind, gilt es, die entsprechenden Tests zu implementieren und dabei möglichst reale Bedingungen nachzubilden. Nur so lassen sich vor dem Rollout die meisten Fehler beseitigen. Die Teststrategie und die Anforderungen an die drahtlosen Endgeräte variieren je nach Gerät und Anwendungsfall. So stellen Hersteller von Chipsätzen für Mobilfunkgeräte oder Anbieter von integrierten Funkmodems sowie M2M-Modulhersteller oder Integratoren andere Anforderungen als die Betreiber des M2M-Gesamtsystems.

Bei Herstellern von Chipsätzen und Funkmodems sind die Testanforderungen und die benötigten Messgeräte sowie die verschiedenen Validierungspunkte für die Massenproduktion hinlänglich bekannt und weitgehend vereinheitlicht. Schließlich haben diese Hersteller bereits langjährige Erfahrung in der Massenproduktion und schon Millionen Chipsätze erfolgreich produziert. Im Normalfall testen die meisten Anbieter von M2M/IoT-Lösungen nicht in dieser Tiefe, sondern beschaffen meist nur die zu integrierenden Module.

Performance- und Funktionstests

Bild 2: M2M-Beispiel mit einem vernetzten Kaffeeautomaten. Ein Basisstations-Emulator kann verschiedene Technologien für den Funknetzzugang simulieren.

Bild 2: M2M-Beispiel mit einem vernetzten Kaffeeautomaten. Ein Basisstations-Emulator kann verschiedene Technologien für den Funknetzzugang simulieren. Rohde

Auf Seiten der M2M-Modulhersteller und der Integratoren von M2M-Gesamtsystemen konzentrieren sich die Tests tendenziell mehr auf die Leistungsfähigkeit und die Funktionalität. Hauptsächlich geht es dabei um Tests der HF- und Daten-Performance. Je nach Anwendungsfall und Nutzung des Mobilgeräts kann man auch Audio- und Videofunktionen testen. Die Hersteller wollen zum Beispiel mit Sende- und Empfangstests bei Mehrwegeausbreitung und Fading-Bedingungen überprüfen, wie gut ihre Geräte unter bestimmten Hf-Bedingungen arbeiten.

Sie simulieren dabei die Situation, dass das Mobilfunkgerät an wechselnden Orten oder in einer HF-Umgebung mit sehr hoher Verkehrsdichte vielen Störeinflüssen ausgesetzt ist. Ein weiterer Prüfparameter ist die Koexistenzfähigkeit der Geräte. Dabei wird die Empfängerempfindlichkeit mit und ohne Störer für nahe beieinander liegende Frequenzbänder, wie zum Beispiel LTE und WLAN, getestet. Dabei geht es darum, ob diese beiden Technologien in einem Gerät bestehen können, ohne Störungen zu verursachen – insbesondere bei der Nutzung des ISM-Bandes.

Schlussendlich kann der Hersteller das Endprodukt noch auf elektromagnetische Störung (EMI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) prüfen. Denkbar wäre zudem eine Prüfung der Datenübertragungsrate beziehungsweise der Konnektivität der Geräte. Hier kann der Hersteller feststellen, ob die Möglichkeit besteht, von Sensoren erfasste IP-Datenpakete zur Auswertung an einen Server oder zu einem Punkt in der Cloud zu übertragen.

Tests automatisieren

Eckdaten

Unternehmen aus Branchen wie Logistik, Flottenmanagement, Sicherheit und Überwachung, drahtlose medizinische Ausrüstung, Hausautomatisierung, intelligente Messtechnik oder Wearables möchten den Mobilfunk zur Erweiterung ihres M2M- oder IoT-Produktportfolios nutzen, verfügen aber nicht über das erforderliche Know-how. Erst recht nicht, wenn es um den Test implementierter Mobilfunkfunktionen geht. Abhilfe können hier Partner aus der Messtechnikbranche mit entsprechendem Know-how und Equipment schaffen.

Manche komplexe Testszenarien stellen für Hersteller eine weitere Herausforderung dar. Speziell wenn es darum geht, sie kontrolliert und rückführbar zu simulieren und – ganz wichtig – das Verfahren zu automatisieren. Beispielsweise wenn ein drahtlos an ein Netz angebundener Zähler oder Sensor für die Datenübertragung sowohl Mobilfunk (LTE oder WCDMA) als auch andere Technologien (Wi-Fi oder Bluetooth) unterstützt.

Dafür muss der Hersteller ein reales Netzwerk nutzen oder auf die Lösung eines Hf-Messgeräteherstellers zurückgreifen. Der Zugang zu einem realen Netzwerk ist jedoch nur selten möglich, denn dazu müsste ein Netzwerkbetreiber Zugang zu seinem Mobilfunknetz gewähren, um Geräte im Anfangsstadium der Entwicklung zu validieren (Bild 1).

Die praktikabelste Lösung ist der Test mit einem Basisstations-Emulator, der die verschiedenen Technologien für den Funknetzzugang simulieren kann. Eignen würde sich beispielsweise eine kosteneffiziente Eingerätelösung, die HF-Parametermessungen, Kanalemulation und Tests der Datenkonnektivität im End-to-end-Betrieb sowie Automatisierungstools anbietet (Bild 2).

Die Gesamtkosten im Blick

Die entscheidende Herausforderung besteht darin, die Gesamtkosten für den Test der Module im Auge zu behalten. Insbesondere wenn es um die Fertigung hoher Stückzahlen geht. Für den Hersteller bedeutet dies oft einen Zwiespalt.

Bei nicht ausreichenden Tests besteht die Gefahr, Fehler vor der Freigabe zu übersehen. Massenhafte Ausfälle oder gar Rückrufaktionen können die Folge sein. Ein Zuviel an Tests hingegen kann die Markteinführung des Produkts verzögern, sodass ein Unternehmen den geeigneten Zeitpunkt für den Markteintritt verpassen kann.

Zu den Gesamtkosten zählen die Kosten für die Messtechnik und deren Wartung sowie die Personalkosten für Betrieb und Support. Außerdem können Testzeiten hinzukommen, die sich direkt aus Prüfverfahren und Prüfplänen ergeben. Nicht immer sind die Gesamtkosten klar definiert und sichtbar. Um alle diese Aufgaben bewältigen zu können, sind Hersteller mit verlässlichen Partnern der Messtechnikbranche gut beraten.