如何使用现代仿真技术验证M2M和MTC的应用性能

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。

M2M通信故障的典型原因

借助蜂窝网络仿真器，设备开发人员可以充分发挥他们的想像力，为他们的M2M系统开发应力测试，并回答一些基本的问题。

在蜂窝、在网络或在不同无线协议之间可以完成切换吗？当切换失败时应用的数据会发生什么变化？

设备正确地连网或断网了吗？

设备能够成功地注册和认证SIM卡吗？

在连接成功后数据吞吐量是多少？什么时候执行切换？

设备正确地处理了大量短消息的同时接收了吗？

M2M设备的射频接收灵敏度怎么样？在实际使用中，信号有多弱才会失去到网络的连接？

对于以前没有通信测试经验的工程师来说，如何设计测试例程来实现上述这些情景通常不是很清楚。因此网络仿真器含有软件工具，可以让用户暂时不用考虑背后的测试系统代码，通过直观的图形用户界面（GUI）就能配置和运行许多种类的测试情景。

为了描述这种GUI的操作，图1显示了内置于MD8475A网络仿真器的安立SmartStudio。SmartStudio提供预先定义好的菜单选项，可用于配置多种蜂窝和蜂窝标准。它首先要求用户选择仿真中应该使用哪种无线接入技术（例如“WCDMA到GPRS切换”）。

图1：SmartStudio软件具有直观的使用界面，可以指导用户完成整个测试案例的开发过程。

这个选择的依据是M2M设备支持的蜂窝标准。下一步是设置想要的蜂窝特定参数，或简单地选择预定义标准蜂窝参数之一。这项工作很快可以做完，只需很少的蜂窝技术知识。然后用户只需点击“Play”按钮就能完成网络的创建，并用于测试。

蜂窝配置允许用户重现世界上任何可用移动网络的网络设置。典型设置是针对移动网络代码（MNC）和移动国家代码（MCC）提供的。举例来说，代码MCC 262和MNC 02是德国的沃达丰D2 GmbH使用的。

这些设置可以在MD8475A上使用，用于测试M2M GSM/GPRS设备注册网络并使用存储在设备SIM卡中的身份数据进行认证的能力。仪器会记录下这个认证过程中的详细步骤供用户查看。

仪器还能测试设备向其它网络注册的能力。例如，一个经预先编程在沃达丰网络上工作的设备将被配置为注册到合适的沃达丰蜂窝上。但这个设备也可以注册到其它网络提供商操作的蜂窝上。

仪器能够测试存在多家提供商的蜂窝情况下设备的蜂窝注册行为，它会考虑公共陆地移动网络（PLMN）识别信息、限制状态和每个蜂窝的下行链路信号电平。仪器还能测试设备是否成功地完成了到这个蜂窝的位置注册。仪器还能开展蜂窝重新选择测试，这是蜂窝改变其限制状态或下行链路信号电平时所要求的。

在这一系列测试的最后一步是测试设备改变蜂窝的能力——这是在语音或数据包连接初始化之后蜂窝下行链路信号电平改变时要求的一个功能。这项测试检查移动设备在比较下行链路信号电平之后试图通过重新选择最优蜂窝并转到新的最优蜂窝上以保持服务的能力。

评估设备性能

选择/重新选择和切换测试项只是使用网络仿真器和软件（如SmartStudio）很容易进行配置和执行的许多测试项中的一种。针对每个测试项，开发人员必须判断应用的故障容限，并考虑最终用户的要求和期望。比如在选择和切换测试中，因为这些都是蜂窝电话中的基本功能，所以设备应该每次都能通过测试。

更为全面的无线网络仿真器能够执行验证任何M2M应用的性能和功能所需的所有测试，见图2。

图2：测试M2M设备在网络上的蜂窝选择能力。

安立的仪器——MD8470A（用于2G和3G）或MD8475A（用于2G、3G和LTE）能够隐藏无线标准的复杂性，让工程师专注于应用本身，为复杂场景的建立提供稳定的测试环境和简单的用户界面。用于监视、记录和故障分析的集成化工具可以帮助用户快速识别和分析系统中的问题。

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