作者： 安立公司Franz-Josef Dahmen

機器到機器（M2M）通信可以同時給設備制造商和最終用戶帶來極具價值的益處：遠程檢測、監視、跟蹤和數據記錄能給工業、商業、軍事和其它市場領域，以及自動化、販賣、智能抄表和物流應用中的機器帶來全新視角的功能。無線是幾乎所有這些應用優先選用的通信模式。當然，無線通信支持移動應用，例如物流領域中的跟蹤管理。但即使在固定設備中無線連接也經常是首選方案，因為它的安裝成本低，特別是在遠端位置，而且有許多支持GSM、3G、4G-LTE（比如蜂窩電話中），以及ZigBee和WiFi等無線協議的現成商用化通信模塊。

移動電話網絡接收現在幾乎無所不在，蜂窩電話為實現M2M通信（也稱為機器類通信——MTC）的設備制造商提供了最大的靈活性和覆蓋能力。但在許多情況下，這標志著開發團隊首先會遇到有時非常復雜的無線現場環境。只是簡單地將GSM或3G模塊安裝到現有終端產品上并不能保證高效的無線連接，不管這個模塊有多么好。

本文將討論如何在產品開發過程中，使用現代仿真技術驗證M2M或MTC應用的性能，以便制造商在現場部署產品時有信心保證無差錯地工作。

要測試的元件

一個簡化的M2M系統架構由三部分組成：M2M應用本身（主機）、通信/無線網絡和M2M設備（通常是一個調制解調器）。這三部分的操作和交互決定了M2M系統的可靠性。

網絡運行當然不受設備制造商的控制。但網絡類型的選擇很重要，因為在期待使用地點的網絡可用性是可靠連接的先決條件。事實上，全球大多數國家現在幾乎都有某種形式的無線網絡全覆蓋。

最密集的覆蓋通常是通過2G網絡實現的，比如90年代早期歐洲和亞洲推出的GSM/GPRS網絡。從2000年開始，3G網絡（使用WCDMA、CDMA2000或TD-SCDMA技術）開始搭建，并與現有2G網絡共存。今天，我們可以看到正在部署4G-LTE網絡，這種網絡可以提供永遠在線的寬帶無線互聯網連接。

2G網絡提供電路交換和包交換方式接入用戶域。在各種2G技術中，可以提供比GSM更高的上行鏈路和下行鏈路數據速率的GPRS是目前使用最為廣泛的M2M數據傳輸方式。對于只要求傳輸少量數據的一些應用來說，有時也使用短消息（SMS）。

這種廣泛可用的網絡拓撲選擇為無線M2M功能的開發提供了強大和穩健的基礎。不過雖然無線網絡幾乎無處不在，但對它們的訪問每個地區每個時間段都可能不同，因為這種訪問部分取決于在任何給定蜂窩中發生的活動數量——當通信鏈路發生故障時M2M應用的響應是在產品開發過程中需要測試的關鍵參數之一，下文將詳述。

在終端產品中嵌入調制解調器的影響

最快和最簡單的M2M系統開發方法是嵌入集成化的蜂窩模塊——一種智能調制解調器，它提供了物理和協議層的黑盒子實現。Sierra Wireless、Cinterion和Telit等著名公司提供的模塊都經過了測試和類型核準，能夠滿足3GPP（第三代合作伙伴計劃——蜂窩電話行業的標準制定組織）發布的測試規范要求。

符合這些規范的認證保證了模塊就像移動電話一樣符合標準。因此，在嵌入終端產品之前，模塊已經可以提供高可靠性的通信功能。

然而在M2M系統中，模塊一般需要與終端產品中的其它硬件和軟件一起工作，比如可編程控制器、電表、信用卡終端和車載信息通訊與娛樂單元等。此外，有一個中心應用環境處理來自M2M設備的數據流，并根據它處理的信息類型和價值作出決策。

因此，模塊嵌入終端產品的這種方式在現實世界中容易引起通信故障。如果設備已經部署到現場才第一次發現這種不可靠的行為，那就很慘了。通過開發能夠模擬實際使用情況的測試情景，并在這些情景組成的受控測試環境中測試M2M系統行為，設備制造商就能在設備投入生產前發現并修復潛在的故障。

過去，開發人員使用各種方法執行M2M系統的功能測試，例如在實際使用網絡中測試原型，使用一致性測試系統或開發專門的測試網絡。

然而，上述三種方法都存在嚴重的缺點。在實際使用的網絡中進行測試只能做測試地點和原型測試時間發現的情景測試，很難再現發生特定問題的測試情景，進而找到故障器件或信號行為的原因。

在一致性測試系統中，測試情景受限于3GPP規定的那些情景。這些測試系統不利于深入測試和修改與任何給定應用最具相關性的情景。而開發一個專門的測試網絡的代價又太高，而且很耗時間。

幸運的是現在有更好的方法。無線網絡仿真從開發早期階段就可以開展整個M2M系統裝置的測試。網絡仿真器支持詳細的設備和信號行為調查，能夠完全自由地仿真任何類型的網絡協議和環境，包括在用網絡無法提供的協議和環境。這些網絡仿真器有現成的，而且價格合理。

M2M通信故障的典型原因

借助蜂窩網絡仿真器，設備開發人員可以充分發揮他們的想像力，為他們的M2M系統開發應力測試，并回答一些基本的問題。

在蜂窩、在網絡或在不同無線協議之間可以完成切換嗎？當切換失敗時應用的數據會發生什么變化？

設備正確地連網或斷網了嗎？

設備能夠成功地注冊和認證SIM卡嗎？

在連接成功后數據吞吐量是多少？什么時候執行切換？

設備正確地處理了大量短消息的同時接收了嗎？

M2M設備的射頻接收靈敏度怎么樣？在實際使用中，信號有多弱才會失去到網絡的連接？

對于以前沒有通信測試經驗的工程師來說，如何設計測試例程來實現上述這些情景通常不是很清楚。因此網絡仿真器含有軟件工具，可以讓用戶暫時不用考慮背后的測試系統代碼，通過直觀的圖形用戶界面（GUI）就能配置和運行許多種類的測試情景。

為了描述這種GUI的操作，圖1顯示了內置于MD8475A網絡仿真器的安立SmartStudio。SmartStudio提供預先定義好的菜單選項，可用于配置多種蜂窩和蜂窩標準。它首先要求用戶選擇仿真中應該使用哪種無線接入技術（例如“WCDMA到GPRS切換”）。

圖1：SmartStudio軟件具有直觀的使用界面，可以指導用戶完成整個測試案例的開發過程。

這個選擇的依據是M2M設備支持的蜂窩標準。下一步是設置想要的蜂窩特定參數，或簡單地選擇預定義標準蜂窩參數之一。這項工作很快可以做完，只需很少的蜂窩技術知識。然后用戶只需點擊“Play”按鈕就能完成網絡的創建，并用于測試。

蜂窩配置允許用戶重現世界上任何可用移動網絡的網絡設置。典型設置是針對移動網絡代碼（MNC）和移動國家代碼（MCC）提供的。舉例來說，代碼MCC 262和MNC 02是德國的沃達豐D2 GmbH使用的。

這些設置可以在MD8475A上使用，用于測試M2M GSM/GPRS設備注冊網絡并使用存儲在設備SIM卡中的身份數據進行認證的能力。儀器會記錄下這個認證過程中的詳細步驟供用戶查看。

儀器還能測試設備向其它網絡注冊的能力。例如，一個經預先編程在沃達豐網絡上工作的設備將被配置為注冊到合適的沃達豐蜂窩上。但這個設備也可以注冊到其它網絡提供商操作的蜂窩上。

儀器能夠測試存在多家提供商的蜂窩情況下設備的蜂窩注冊行為，它會考慮公共陸地移動網絡（PLMN）識別信息、限制狀態和每個蜂窩的下行鏈路信號電平。儀器還能測試設備是否成功地完成了到這個蜂窩的位置注冊。儀器還能開展蜂窩重新選擇測試，這是蜂窩改變其限制狀態或下行鏈路信號電平時所要求的。

在這一系列測試的最后一步是測試設備改變蜂窩的能力——這是在語音或數據包連接初始化之后蜂窩下行鏈路信號電平改變時要求的一個功能。這項測試檢查移動設備在比較下行鏈路信號電平之后試圖通過重新選擇最優蜂窩并轉到新的最優蜂窩上以保持服務的能力。

評估設備性能

選擇/重新選擇和切換測試項只是使用網絡仿真器和軟件（如SmartStudio）很容易進行配置和執行的許多測試項中的一種。針對每個測試項，開發人員必須判斷應用的故障容限，并考慮最終用戶的要求和期望。比如在選擇和切換測試中，因為這些都是蜂窩電話中的基本功能，所以設備應該每次都能通過測試。

更為全面的無線網絡仿真器能夠執行驗證任何M2M應用的性能和功能所需的所有測試，見圖2。

圖2：測試M2M設備在網絡上的蜂窩選擇能力。

安立的儀器——MD8470A（用于2G和3G）或MD8475A（用于2G、3G和LTE）能夠隱藏無線標準的復雜性，讓工程師專注于應用本身，為復雜場景的建立提供穩定的測試環境和簡單的用戶界面。用于監視、記錄和故障分析的集成化工具可以幫助用戶快速識別和分析系統中的問題。

責任編輯：gt