Drahtlosverbindungen sind die bevorzugte Kommunikationsart in vielen M2M-Anwendungen: Sendungsverfolgung in der Logistik klappt am besten per Mobilfunk. Selbst bei ortsfesten Geräten, insbesondere an abgelegenen Orten, lohnen sich Drahtlostechnologien dank der geringen Installationskosten. Anwender haben die Wahl zwischen GSM, 3G und LTE, aber auch Zigbee und Wi-Fi. Am flexibelsten sind Mobilfunktechnologien, Handy-Empfang ist heute quasi weltweit verfügbar und verspricht unbegrenzte Reichweiten.

Bild 1: Der Netzwerksimulator MD8475A von Anritsu.

Bild 1: Der Netzwerksimulator MD8475A von Anritsu.Anritsu

Entwicklungsteams müssen sich nun aber mit dem zuweilen komplexen und unübersichtlichen Feld der Funktechnik auseinandersetzen. Ein GSM- oder 3G-Modul an ein vorhandenes Endprodukt anzubinden garantiert noch lange nicht, dass eine stabile Funkverbindung zustande kommt. Das gilt auch für erstklassige Module. Moderne Simulationstechnologie (Bild 1) kann die Leistungsparametern einer Maschine-zu-Maschine-Verbindung schon während der Produktentwicklung ermitteln und helfen, Störungen zu vermeiden.

Die zu testenden Baugruppen

Eine vereinfachte M2M-Systemarchitektur besteht aus drei Elementen: der M2M-Anwendung (Host), dem Funknetz und dem M2M-Device (meist ein Modem). Wie diese drei Elemente funktionieren und miteinander in Wechselwirkungen treten, bestimmt den Grad der Zuverlässigkeit eines M2M-Systems.

Eckdaten

Egal wie gut ein Funkmodem ist: Erst zusammen mit dem M2M-Gerät zeigt sich die Qualität der Funkverbindung. Entwickler dürfen sich daher nicht allein auf eine Zertifizierung des Modems verlassen, sondern müssen das Gesamtsystem testen. Anritsu bietet mit seinen Netzwerksimulatoren und der Smart-Studio-Software eine Umgebung, in der sich auch Neulinge in der Funktechnik zurechtfinden.

Der Netzwerkbetrieb liegt außerhalb der Kontrolle des Geräteherstellers. Er muss jedoch den Netzwerktyp passend wählen, um die beste Netzverfügbarkeit an den Einsatzorten zu erreichen. Zwar verfügen die meisten Länder in irgendeiner Form über eine fast flächendeckende Mobilfunknetzabdeckung. Die dichteste Netzabdeckung liefern normalerweise 2G-Netze (GSM/GPRS), die in den frühen Neunzigern in Europa und Asien Einzug gehalten haben. Seit dem Jahr 2000 wurden parallel dazu 3G-Netze ausgebaut (WCDMA, CDMA2000/TD-SCDMA). Heute ermöglichen 4G-LTE-Netze eine Breitbandmobilfunkverbindung zum Internet.

2G-Netze bieten einen leitungs- und paketvermittelten Zugang zur Nutzerdomain. GPRS ist dabei die derzeit für M2M-Daten am häufigsten genutzte Technologie. Senden Anwendungen nur sehr kleine Datenmengen, bietet sich zuweilen auch der Short Message Service an (SMS).

Systementwicklung

Obwohl Funknetze fast überall verfügbar sind, kann der Zugriff darauf je nach Gebiet und von Zeit zu Zeit schwanken. Beispielsweise hängt er ab von anderen Aktivitäten in einer Funkzelle. Einer der wichtigsten Tests bei der Produktentwicklung ist daher, herauszufinden, wie eine M2M-Anwendung auf eine Störung oder einen Abbruch der Netzverbindung reagiert.

M2M-Systeme lassen sich am einfachsten und schnellsten entwickeln, indem man ein komplettes Funkmodul integriert. Dieses intelligente Modem stellt eine Blackbox-Implementierung der physikalischen und der Protokollschicht bereit. Module bekannter Hersteller wie Sierra Wireless, Gemalto/Cinterion und Telit kommen inklusive Testergebnissen für die 3GPP (3rd Generation Partnership Project, der Normierungsbehörde der Mobiltelefonbranche) und einer Typengenehmigung. Diese Konformitätsbescheinigung verspricht auch zuverlässige Verbindungen.

In einem M2M-System arbeiten die Module jedoch üblicherweise Seite an Seite mit anderen Hardware- und Softwarekomponenten, etwa Embedded-Systemen, Steuerungen, Stromzähler, Kreditkartenterminals oder fahrzeugmontierte Telematik- und Entertainment-Komponenten. Die Art und Weise der Einbettung des Moduls in das Endprodukt kann später Verbindungsfehler verursachen. Es wäre verheerend, wenn das erste Anzeichen dieser Unzuverlässigkeit erst im Feld auftritt. Also gilt es, anhand von Testszenarien reale Anwendungsfälle zu simulieren. In einer kontrollierten Testumgebung lassen sich potenzielle Funktionsstörungen aufspüren und die Ursachen beseitigen, bevor das Gerät in Serie geht.

Funktionstest

In der Vergangenheit haben Entwickler für Funktionstests an M2M-Systemen viele verschiedene Wege beschritten:

  • Prototypen in real existierenden Live-Netzen testen.
  • Testen unter Einsatz eines Conformance-Testsystems.
  • Spezielle Testnetze einrichten.

In einem Live-Netz lassen sich Szenarien testen, die am Ort und zur Zeit des Testdurchlaufs des Prototyps vorherrschen. Problematische Testszenarien lassen sich kaum wiederholen, um den Ursachen nachzugehen. In einem Conformance-Testsystem hingegen sind die Testszenarien auf die seitens 3GPP spezifizierten Szenarien limitiert. Solche Testsysteme eignen sich nicht für tiefgehende Tests. Die Entwicklung eines speziellen Testnetzes wiederum ist extrem kostenintensiv und zeitraubend.

Statt reale Netz zu verwenden bietet sich die Funknetzsimulation an. Sie eignet sich für Tests am gesamten Setup eines M2M-Systems von den ersten Entwicklungsschritten an. Ein Netzwerksimulator ermöglicht detaillierte Untersuchungen von Geräten und Signalen und lässt dem Entwickler freie Hand beim Simulieren aller Arten von Protokollen und Netzwerkumgebungen. Diese Geräte sind zu angemessenen Preisen als Serienmodelle erhältlich.

Typische M2M-Verbindungsfehler

Mit der Unterstützung eines Mobilfunknetzwerksimulators können Geräteentwickler ihrer Phantasie frei Lauf lassen und Stresstests für ihr M2M-System erarbeiten. Solche Tests umfassen typischerweise folgende Fragestellungen:

  • Funktionieren die Wechsel zwischen den Funkzellen, zwischen den Netzen und zwischen den Wireless-Protokollen? Was geschieht mit den Daten, wenn ein Handover fehlschlägt?
  • Verbindet sich ein Gerät ordnungsgemäß mit einem Netz und erfolgt die Wiederverbindung korrekt?
  • Kann das Gerät eine SIM-Karte erfolgreich einbuchen und authentifizieren?
  • Wie hoch ist der Datendurchsatz bei bestehender Verbindung? Wie hoch ist dieser während eines Handovers?
  • Bewältigt das Gerät den gleichzeitigen Empfang einer großen Menge von SMS problemlos?
  • Wie empfindlich ist der HF-Empfang des Gerätes? Wie schwach darf das Signal sein, bevor die Verbindung abbricht?

Passende Testroutinen zu entwickeln verlangt einiges an Erfahrung. Netzwerksimulatoren verfügen daher über Softwaretools, die Benutzer vom darunterliegenden Testsystem-Code wegführen und eine intuitive grafische Benutzerschnittstelle bereitstellen.

Bild 2: Die Smart-Studio-Software bietet eine intuitive Schnittstelle, die Benutzer durch die einzelnen Schritte der Testfallentwicklung führt.

Bild 2: Die Smart-Studio-Software bietet eine intuitive Schnittstelle, die Benutzer durch die einzelnen Schritte der Testfallentwicklung führt.Anritsu

Bequemes GUI

Als Beispiel einer solchen grafischen Oberfläche zeigt Bild 2 die Anritsu-Software Smart-Studio, eingesetzt im Netzwerksimulator MD8475A (Bild 3). Smart-Studio bietet vordefinierte Menüoptionen zum Konfigurieren mehrerer Funkzellen und Funkzellenstandards. Zu Beginn wählen Benutzer, welche Funkzugangstechnologie (zum Beispiel „Handover WCDMA zu GPRS“) sie für die Simulation nutzen wollen. Die Software stellt alle Mobilfunkstandards zu Wahl, die das M2M-Device unterstützt.

Im nächsten Schritt folgen die funkzellenspezifischen Parameter; Anwender können auch einen vordefinierten Satz an Funkzellenparametern einsetzen. Anschließend genügt ein Klick auf die Schaltfläche „Play“.

Die simulierten Funkzellen lassen sich so konfigurieren, dass sie ein beliebiges verfügbares Mobilfunknetz der Welt nachbilden. Die gängigen Einstellungen betreffen den Mobile Network Code (MNC) und den Mobile Country Code (MCC). Zum Beispiel nutzt Vodafone D2 in Deutschland die Kennungen MCC 262 und MNC 02. Mit diesen Einstellungen am MD8475A prüft der Netzwerksimulator, ob sich ein M2M-GSM/GPRS-Gerät mit seiner SIM-Karte und deren Identifikationsdaten in ein Netz einbuchen und authentifizieren kann.

Den Ablauf protokollieren

Die Messtechnik protokolliert die einzelnen Schritte der Authentifizierung für eine spätere Auswertung durch den Benutzer. Das Gerät kann zudem untersuchen, ob sich ein Prüfling auch in andere Netze einbucht. Ein für den Betrieb im Vodafone-Netz voreingestelltes Modem zum Beispiel ist so konfiguriert, dass es sich in Vodafone-Funkzellen einbucht. Es könnte sich jedoch auch in Funkzellen anderer Netzbetreiber einbuchen.

Bild 3: Mithilfe eines Netzwerksimulators lässt sich auch untersuchen, welche Fähigkeit zur Funkzellenauswahl ein M2M-Gerät besitzt.

Bild 3: Mithilfe eines Netzwerksimulators lässt sich auch untersuchen, welche Fähigkeit zur Funkzellenauswahl ein M2M-Gerät besitzt.Anritsu

Die Messtechnik kann testen, wie sich das M2M-Gerät bei der Anmeldung an einer Funkzelle verhält, wenn Funkzellen mehrerer Netzbetreiber verfügbar sind (Bild 3). Dabei werden die PLMN-Kennung (Public Land Mobile Network), Zugangsbeschränkungsstatus und Downlink-Signalstärke betrachtet. Interessant ist auch, ob das Modem die Location Registration an dieser Funkzelle erfolgreich vornimmt. Die Messtechnik kann auch einen Test im Bereich Neuauswahl der Funkzelle durchführen. Diese ist erforderlich, falls eine Funkzelle ihren Zugangsbeschränkungsstatus oder die Downlink-Signalstärke ändert.

Der letzte Schritt in dieser Testreihe untersucht den Wechsel der Funkzellen. Ein Funkzellenwechsel kann erforderlich sein, wenn sich nach dem Start von Sprach- oder Paketdatenverbindungen die Stärke es Downlink-Signals einer Funkzelle ändert. Der Test überprüft, ob das Mobilfunkgerät versucht, die Mobilfunkverbindung durch die Neuauswahl der Funkzelle aufrecht zu erhalten, indem es die Signalstärken des Downlink-Signale vergleicht und einen Übergang zu eine neuen Funkzelle einleitet.

Geräteleistung einschätzen

Die Auswahl „Selection/Re-Selection einer Zelle und Handover“ ist nur eine Testreihe unter vielen. Entwickler müssen für jede Testreihe die Fehlertoleranz des Gerätes einschätzen, wobei sie die Anforderungen und Erwartungen des Endnutzers berücksichtigen müssen. Im Falle von Funkzellenauswahl- und Handovertests sollte ein Gerät beispielsweise immer den Testkriterien genügen, da es sich hierbei um Grundfunktionen der Mobilfunktelefonie handelt.

Ein umfassend nutzbarer Netzwerksimulator für Mobilfunknetze kann alle nötigen Tests durchführen, um die Leistung und Funktionalität einer M2M-Anwendung zu verifizieren. Der MD8470A für 2G- und 3G-Netze sowie der MD8475A für 2G-, 3G- und LTE-Netze (Bild 1) können die Komplexität von Funkstandards ausblenden. Techniker können sich auf die Anwendung als solche konzentrieren; Anritsus Messtechnik stellt eine stabile Testumgebung und eine leicht verständliche Benutzerschnittstelle bereitstellt. Mithilfe der integrierten Überwachungs-, Protokollierungs- und Fehleranalysetools lassen sich Probleme im System zügig auffinden und analysieren.