Rohde & Schwarz

Für realistische End-to-End-Anwendungstests bietet Rohde & Schwarz Messlösungen an und erklärt die Messverfahren. (Bild: Rohde & Schwarz)

| von Jörg Köpp

Bis zu 24 Milliarden vernetzte Dinge sollen 2022 im Internet of Things (IoT) laut Studien kommunizieren, von Sensoren über vernetzte Geräte bis hin zu Autos und Maschinen. Die Basis dafür ist ein gut funktionierender Mobilfunk. Weil klassische Technologien wie GSM und UMTS früher oder später vor dem Aus stehen, müssen die Netze der neuesten Generation fit für das IoT werden. Auch die vernetzten Geräte müssen darauf abgestimmt sein, um optimal zu funktionieren. Das bedeutet: testen, testen, testen. Speziell für realistische End-to-End-Anwendungstests sind hier ausgefeilte Messlösungen und -verfahren erforderlich.

Die vierte Mobilfunkgeneration 4G-LTE wird die dominierende Mobilfunktechnologie der nächsten Jahre. Narrowband-IoT (NB-IoT) und LTE-M sind die Technologien der Zukunft für das mobile Internet der Dinge. Mobilfunknetzbetreiber erhoffen hier gute Geschäfte. Allerdings war 4G-LTE bislang nicht besonders attraktiv für IoT-Anwendungen, da die Technologie für die mobile Breitbandnutzung optimiert ist. Das wird sich ändern. Schon heute bietet LTE viele Vorteile im Hinblick auf spektrale Effizienz, Latenzzeit und Datendurchsatz. Zudem konnten laut GSM-Association (GSMA) bereits im Jahr 2016 schon über 60 Prozent der Menschen auf 4G-LTE-Netze zugreifen.

Eckdaten

Das Aufkommen mehrerer Milliarden vernetzter, mobiler IoT-Getäte erfordert Funknetze mit effizienter und überlastungssicherer Datenübertragung. Für die Nutzung und Überprüfung der vielfältigen Funktionen des 4G-Netzes sind End-to-End-Applikationstests unverzichtbar. Rohde & Schwarz bietet hierfür eine Messlösung, bestehend aus Multistandard-Testplattform, Sequencer-Tool und Leistungsmesssonde. Detaillierte Tests geben Aufschluss über den Einfluss eines Signalisierungs- oder IP-Ereignisses auf die Stromentnahme und den IP-Durchsatz. Somit lassen sich Wechselwirkungen analysieren und Anwendungsparameter optimieren.

Aber wie wird das LTE-Netz richtig fit für IoT? Funktionen wie der Stromsparmodus (power saving mode, PSM), erweiterte diskontinuierliche Empfangszyklen (eDRX) und Coverage Enhancement (CE) machen die Drahtlosschnittstelle bereit für die Anforderungen von IoT-Anwendungen. Eine optimierte Netzwerkarchitektur, die beispielsweise auch Nicht-IP-Kommunikation ermöglicht, ist ein weiterer Eckpfeiler zur Anpassung der 4G-Netze an das Internet der Dinge.

Überlastungsmechanismen für das Netz

Das Standardisierungsgremium für den Mobilfunk, das 3rd Generation Partnership Project – besser bekannt als 3GPP – hat bereits verschiedene Optimierungen für sein Framework umgesetzt, speziell für den Bereich Maschinenkommunikation (Machine type communications, MTC). Denn so interessant die Anwendungsszenarien für das IoT auch sein mögen, so schutzbedürftig ist das Netz. Wenn beispielsweise nach einem Stromausfall tausende Geräte gleichzeitig funken und Verbindungen herstellen wollen, überlastet dies das Netz und es geht direkt wieder in die Knie. Neu eingeführte Überlastmechanismen begegnen solchen extremen Signalisierungslasten.

Ohnehin senden sehr viele IoT-Anwendungen lediglich sehr selten und dann auch noch nur niedrig priorisierte Daten. Sie lassen sich inzwischen so konfigurieren, dass sie längere Wartezeiten beim Verbindungsaufbau akzeptieren (delay tolerant access). Ergänzend dazu verfügt das Netz seit dem 3GPP Release 10 mit „extended wait time“ über ein Verfahren zum Abweisen von Verbindungsanfragen und Hinauszögern von Neuanfragen. Release 11 ermöglichte das Zuordnen von Geräten zu Klassen, die nur dann Daten senden dürfen, wenn es das Netzwerk erlaubt. Ergebnis ist ein stabiler Betrieb der IoT-Anwendung, ohne dass der mobile Breitbanddienst in bestimmten Situationen zu sehr belastet wird.

Übersicht Standards

Mit fortlaufend neuen Funktionen von LTE-M und NB-IoT optimiert 3GPP Datendurchsatz, Kanalkapzität, Strom- und Leitungsbedarf wie auch Entwicklungs- und Betriebskosten. Rohde & Schwarz

Stromsparmodus: In der Ruhe liegt die Kraft

Mit Release 12 hat 3GPP erste Optimierungen für Datenverkehr, Stromverbrauch und Kosten erarbeitet – etwa ein insbesondere für batteriebetriebene Geräte wichtiger Stromsparmodus (Power saving mode, PSM) und die neue LTE-Gerätekategorie 0. Diese sollte die Komplexität gegenüber einem Kategorie-1-Modem um 50 Prozent reduzieren, um Kosten zu senken.

Das Besondere an PSM, die Geräte schalten sich für eine Weile zwar vollständig ab und sind somit nicht erreichbar, trotzdem bleibt das Modem weiterhin im Netzwerk angemeldet. Nicht geeignet ist dieser Ruhemodus für zeitkritische Anwendungen. Allerdings hat sich die LTE-Kategorie 0 kaum durchgesetzt, stattdessen rückte die nächste LTE-M-Generation in den Fokus.

Lesen Sie auf der folgenden Seite, wie 3GPP die Kosten senkt und den Datendurchsatz erhöht.

Power Saving Mode

Der Power-saving-mode (PSM) spart in Sendepausen Strom, macht ein Gerät jedoch währenddessen unerreichbar und erfordert beim Wechsel in die Empfangsbereichtschaft eine erneute Signalisierung. Rohde & Schwarz

Sinkende Kosten dank LTE-M1

Die neue LTE-Kategorie M1 aus Release 13 brachte umfangreiche Kostensenkungsmöglichkeiten, insbesondere niedrigere Bandbreiten im Uplink und Downlink, niedrigere Datenraten und eine reduzierte Sendeleistung. Parallel entwickelten die Akteure Narrowband IoT (NB-IoT, Schmalband-Mobilfunk) für eine extrem niedrige Leistungsaufnahme und minimale Kosten. NB-IoT bietet darüber hinaus einen besseren Empfang in Gebäuden und unterstützt Geräte mit sehr geringem Datenverkehr. Die neue LTE-Kategorie NB1 hat eine Bandbreite von 180 kHz und lässt sich in nicht verwendeten LTE-Resource-Blocks innerhalb eines LTE-Trägers oder dem freien Spektrum zwischen benachbarten LTE-Trägern oder alleine einsetzen – beispielsweise in freien GSM-Trägern.

Release 13 enthielt mit eDRX eine weitere Stromsparfunktion: Im Idle-Modus geht ein Modem regelmäßig in den Empfangsmodus, um Paging-Nachrichten und Systemstatusinformationen erhalten zu können; der DRX-Timer legt dabei die Häufigkeit fest. Bisheriger Nachteil war, dass das kürzeste Intervall für den Idle-DRX-Timer bei 2,56 Sekunden lag. Ziemlich kurz für ein Gerät, das lediglich alle 15 Minuten Daten erwartet und geringe Anforderungen an die Beantwortungszeit hat. eDRX ermöglicht hingegen wesentlich längere Zeitintervalle von bis zu 2,9 Stunden für NB-IoT oder 44 Minuten für LTE-M – abhängig von Anwendung und Netzwerkunterstützung.

PSM und eDRX unterscheiden sich insbesondere im Hinblick auf die Zeit, die ein Gerät im Ruhemodus verharren kann, und den unterschiedlichen Verfahren zum Wechsel in den Empfangsmodus. Bei PSM schaltet ein Gerät in den aktiven Modus, um erreichbar zu sein, bei eDRX bleibt es im Idle-Modus und kann ohne weitere Signalisierung direkt in den Empfängermodus wechseln.

Durch den eDRX-Modus bleibt ein Gerät während einer Sendepause bei verringertem Energiebedarf erreichbar für Paging-Nachrichten und Systemstatusinformationen. 4G-LTE

Durch den eDRX-Modus bleibt ein Gerät während einer Sendepause bei verringertem Energiebedarf erreichbar für Paging-Nachrichten und Systemstatusinformationen. Rohde & Schwarz

Frisierter Datendurchsatz

3GPP hat in Release 13 zudem eine optimierte Netzwerkarchitektur eingeführt, mit der sich beispielsweise die Steuerebene zum Senden von Benutzerdaten verwenden lässt. Das reduziert den notwendigen Signalisierungsaufwand bei der Übertragung winziger Datenmengen erheblich. In diesem Kontext wurde zudem die „Service Capability Exposure Function“ (SCEF) umgesetzt. Sie ermöglicht eine optimierte Nicht-IP-Kommunikation mit dem Gerät über die Steuerebene, während alle benötigten Funktionen in der Anwendungsschicht über eine RESTful-Schnittstelle verfügbar sind. Um die Signalisierung für den Datenverkehr in der Benutzerebene zu verbessern, können Verbindungen jetzt zeitweise inaktiv gehalten und wieder aktiviert werden.

Aufgrund des Bedarfs im Markt trieb 3GPP Verbesserungen an LTE-M und NB-IoT stetig voran. Diese sind als „Further Enhancements for MTC“ (feMTC) und „Enhancements for NB-IoT“ (eNB-IoT) bekannt. Zudem definierte das Gremium in Release 14 zwei neue LTE-Kategorien M2 und NB2. Wichtige Weiterentwicklungen waren zum Beispiel höhere Datenraten für LTE-M, eine niedrigere Leistungsklasse für NB-IoT, eine geringere Latenz, bessere Positionsbestimmung, Multicast-Fähigkeiten zur Ermöglichung von Software-Upgrades und Verbesserungen für VoLTE für LTE-M-Geräte. 3GPP will weitere Optimierungen in Release 15 umsetzen, das Mitte 2018 erscheinen soll. Dazu gehören zum Beispiel NB-IoT für die speziell in China verbreiteten LTE-TDD-Netze (TDD: Time Division Duplexing) sowie weitere Verbesserungen für die Latenz, den Stromverbrauch, die Laststeuerung und die Mobilität.

Testen, testen, testen – und zwar End-to-End 4G-LTE

Spezielle Anforderungen an Leistungsfähigkeit und Verfügbarkeit müssen schon bei der Entwicklung der Komponenten berücksichtigt, Funktionen und Parameter wie Stromverbrauch oder Reaktionszeiten ausgewählt und optimiert werden. Ein perfektes Zusammenspiel aller Kommunikationsschichten ist zwingend notwendig. Theoretische Berechnungen etwa zu Batterielaufzeiten sind zwar grundsätzlich wichtig, im praktischen Einsatz zeigen Systeme allerdings häufig genug ein deutlich abweichendes Verhalten, das sich im Laufe der Zeit zudem auch noch verändern kann. Deshalb muss das Kommunikationsverhalten der Anwendung insgesamt überprüft werden: Dies schließt Kommunikations-Trigger – vom Client initiiert, vom Server initiiert und periodisch – genauso mit ein, wie etwaige Anforderungen an Verzögerung, Netzwerkkonfiguration, Datendurchsatz und Mobilität. End-to-End-Applikationstests sind hier unverzichtbar.

Um PSM und eDRX so effizient wie möglich umzusetzen, müssen alle Faktoren analysiert werden, die den Leistungsverbrauch beeinflussen, angefangen mit Anwendungen auf der Geräte- und Server-Seite. Ebenfalls wichtig ist das Verhalten des Mobilfunk- und IP-Netzwerks. HF-Leistung, Batterieverbrauch, Protokollverhalten und Performance der Anwendung sind ebenfalls zu berücksichtigen. Auch wenn die ersten Arbeitsschritte auf Papier erfolgen, sollten Entwickler die Ergebnisse unbedingt unter kontrollierten, simulierten und trotzdem realistischen Netzwerkbedingungen verifizieren. Denn nur so lassen sich die Parameter des Modells optimieren und der Einfluss realer Einsatzbedingungen bewerten. Was passiert beispielsweise, wenn ein Netzwerk eine Funktion nicht unterstützt oder andere Parameter vergibt?

Welche Instrumente sich für die Iot-Tests eignen, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Messtechnik für neue IoT-Testanforderungen

Testlösung

Die Messlösung für End-to-End-Applikationstests im 4G-Netz besteht aus Multistandard-Testplattform CMW500/290, Sequencer-Tool CMWrun und Leistungsmesssonde RT-ZVC02/04. Rohde & Schwarz

Wer IoT-Anwendungen testen möchte, braucht dafür geeignete Instrumente. Hersteller reagieren auf die wachsende Nachfrage von Test-, Verifizierungs- und Optimierungslösungen für End-to-End-Anwendungen, die den Umfang gewöhnlicher HF- und Protokolltests deutlich überschreiten. Rohde & Schwarz hat beispielsweise eine Lösung entwickelt, die sich aus der Multistandard-Testplattform CMW500/290, dem Sequencer-Software-Tool CMWrun und der neuen Mehrkanal-Leistungsmesssonde RT-ZVC02/04 zusammensetzt. Der Benutzer erhalten direkt einen detaillierten Blick auf unterschiedliche Parameter wie Mobilfunk-Signalisierungsverkehr, IP-Datenverkehr und Leistungsaufnahme. Die Plattform emuliert, parametrisiert und analysiert simultan drahtlose Kommunikationssysteme und ihren IP-Datendurchsatz, was in realen Netzwerkumgebungen nur schwer zu realisieren ist.

CMWrun von Rohde & Schwarz ermöglicht eine einfache und unkomplizierte Konfiguration der Testabläufe ohne Programmierkenntnisse. Die Software bietet außerdem volle Flexibilität bei der Konfiguration der Parameter und Grenzwerte für die Prüfobjekte. Eines der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale dieser Lösung ist die intuitive Art und Weise, wie der Benutzer Anwendungen kombinieren und parallel ausführen kann, wobei einheitliche Ereignismarker von Signalisierungs- und IP-Vorgängen verwendet werden. Mit dieser Lösung lässt sich der Stromverbrauch anhand sehr genauer Leistungsmessungen von bis zu vier unabhängigen Messkanälen anzeigen.

Stromentnahme und IP-Datendurchsatz erfassen

Die Lösung von Rohde & Schwarz stellt bei End-to-End-Applikationstests die Stromentnahme und den IP-Datendurchsatz mit synchronisierten Messkurven dar. Während der Analyse werden in beiden Diagrammen synchronisierte Ereignismarker angezeigt, die Signalisierungsereignisse oder IP-Status-Updates angeben. Das ermöglicht detaillierte Tests, die Aufschluss über den Einfluss eines Signalisierungs- oder IP-Ereignisses auf die Stromentnahme und den IP-Durchsatz geben. Somit lassen sich Wechselwirkungen analysieren und Anwendungsparameter optimieren.

Wie läuft solch ein Test ab? Der Ausgangspunkt ist beispielsweise eine Prüfung des gesamten Kommunikationsverhaltens, also der Anzahl der IP-Verbindungen, der übermittelten Nachrichten oder der Kommunikations- und Signalisierungsereignisse. Darüber hinaus ist ein Test des Stromverbrauchs in verschiedenen Aktivitätszuständen oder im eDRX- wie auch PSM-Status äußerst aufschlussreich. Das gilt auch für die Analyse des Leistungsverbrauchs der verschiedenen Stromversorgungsbereiche des Geräts. In einem späteren Schritt sollten Entwickler die relevanten Parameter von eDRX und PSM mit dem vermuteten Verhalten der Anwendung abgleichen. Wie verhält sich die Anwendung in der Praxis? Es bietet sich an, Szenarien durchzuspielen, die im realen Einsatz mögliche Situationen simulieren.

Die Umsetzung anspruchsvoller Anforderungen sicherstellen

Die zuständigen Gremien verbessern die Möglichkeiten für das zellulare Internet der Dinge kontinuierlich. Die vielfältigen Funktionen des 4G-Netzes sollten sich Entwickler und Hersteller zunutze machen. In diesem Zusammenhang werden End-to-End-Applikationstests immer wichtiger. Nur nach eingehenden Tests lässt sich beispielsweise sicherstellen, ob technisch anspruchsvolle Anforderungen an eine Anwendung wie eine zehnjährige Batterielaufzeit auch tatsächlich erfüllt sind.

Jörg Köpp

Technology Marketing bei Rohde & Schwarz in München

(jwa)

Kostenlose Registrierung

*) Pflichtfeld

Sie sind bereits registriert?