Lisensoiduilla mobiilitaajuuksilla siirrytään pian neljännen polven IoT-tekniikoihin, joita ovat NB-IoT ja LTE-M. Niissä laite- ja sovellustestaus vaatii ratkaisuja, joilla käyttäjä voi nähdä signaloinnin tai IP-tapahtuman vaikutuksen virran kulutukseen ja IP-tiedonsiirtonopeuteen. Näin riippuvuudet ja sovelluksen parametrien optimointi ovat helpommin ymmärrettävissä.

Useimmat esineiden internetin laitteet kommunikoivat langattomien M2M-teknologioiden välityksellä. Tällä hetkellä 2G- ja 3G-teknologiat hallitsevat lisensoitujen IoT-laitteiden markkinoita, mutta tulevaisuus on neljännen sukupolven teknologioiden, johon kuuluvat NB-IoT ja LTE-M. Niiden ansiosta verkko-operaattoreiden on mahdollista tavoitella laajempaa osuutta langattomasta IoT-markkinasta.

NB-IoT:n ja LTE-M:n ominaisuuksilla, kuten tehonsäästömoodi (PSM), jatkokehitetty vastaanoton keskeyttämisen jaksottaminen (eDRX) ja kuuluvuuden edelleen kehittäminen (CE), voidaan säätää langatonta yhteyttä eri IoT-sovelluksille sopiviksi. Optimoitu verkkoarkkitehtuuri auttaa 4G-verkon mukauttamisessa esineiden internetiä varten. On valittava oikeat ominaisuudet ja parametrit ja kaikkien kommunikaatiotasojen on toimittava täydellisesti keskenään, jotta vastattaisiin esineiden internetin suoritus- ja saavutettavuusvaatimuksiin. Tämä luo tarpeen E2E-sovellustestaukselle (end-to-end), jotta voidaan optimoida suorituskyvyn määrittäviä parametreja, kuten tehonkulutusta ja reaktioaikoja.

Koska 4G LTE on optimoitu mobiililaajakaistalle, IoT-sovellusten luoma kysyntä LTE:lle on ollut viime vuosiin asti vähäistä. Tietyt ominaisuudet tekevät kuitenkin LTE:stä erityisen kiinnostavan. LTE tarjoaa etuja spektrin käytön tehokkuudessa, latenssissa ja tiedonsiirtonopeudessa. 2G-teknologia on ollut olemassa jo yli 25 vuotta ja operaattorit harkitsevat verkon alasajoa. Siksi teollisuus etsii 2G-verkolle kilpailukykyisiä matalatehoisia, kustannustehokkaita ja suorituskykyisiä vaihtoehtoja, kuten LTE-ratkaisut ja Sigfox- ja LoRa-teknologiat.

PIENET KUSTANNUKSET, 
MATALATEHOISET LAITTEET

Release 12 -määrityksissä 3GPP-komitea alkoi työstää optimoituja ratkaisuja IoT-vaatimuksille, kuten pieni datan määrä, matala tehonkulutus ja pienet kustannukset. Nopeasti kuitenkin kävi selväksi, että näihin ei ole olemassa yhtä yksinkertaista ratkaisua. Vaatimukset ovat liian moninaisia eri sovelluksissa, kuten konttien jäljityksessä, jätehuollossa, älykkäässä mittauksessa, maatalouden sensoreissa ja erilaisissa urheiluun ja henkilökohtaiseen terveyteen käytettävissä seurantalaitteissa. Release 12 keskittyi tehon kulutuksen pienentämiseen ja kustannustehokkaisiin modeemeihin. Tuloksena olivat tehonsäästömoodi (PSM), joka on tärkeä akkukäyttöisille laitteille ja uusi LTE-kategoria 0, jonka tavoitteena on olla 50 prosenttia yksinkertaisempi kuin LTE-kategorian 1 modeemi.

PSM on eräänlainen syvän unen moodi. Vastaanotin kirjaimellisesti kytketään pois päältä joksikin aikaa, jotta laite ei ole saatavilla haulla, mutta modeemi on yhä rekisteröityneenä verkkoon. Tästä seuraa se, että PSM ei sovellu välitöntä reaktiota vaativiin sovelluksiin. PSM:ää käyttävien sovellusten suunnittelu- vaiheessa on määriteltävä ihanteelliset ajastinarvot valmiustilamoodille ja tehonsäästömoodille.

LTE-kategoria 0 oli ensimmäinen yritys tuoda markkinoille merkittävästi edullisemmat LTE-modeemit, mutta ilmeisesti se ei täyttänyt kaikkia vaatimuksia. Markkinat alkoivat tähyillä kohti seuraavaa LTE-M-sukupolvea.

Release 13 -julkaisu esitteli LTE-kategoria M1:n osana eMTC:n työtä, jossa edelleen karsittiin kustannuksia erityisesti kaventamalla kaistanleveyksiä, alentamalla tiedonsiirtonopeuksia ja lähetystehoa.

UUSI KATEGORIA NB1 KAISTOJEN VÄLIIN

NB-IoT kehitettiin rinnakkain LTE-kategoria M1:n kanssa. Se sisältää erittäin matalan tehonkulutuksen ja kustannukset, mutta paremman vastaanoton rakennuksissa sekä tuen laitteille, joilla on erittäin vähän siirrettävää dataa. Uuden LTE-kategorian NB1:n kaistanleveys on 180 kHz ja siten se voidaan ottaa käyttöön LTE-kaistan sisällä olevissa vapaissa taajuusresursseissa, LTE-kaistojen välissä tai GSM:ltä vapautuneessa spektrissä.

eDRX on eräs tehonalennusominaisuus, joka esiteltiin osana Release 13 -määrityksiä. Esimerkiksi valmiustilamoodissa modeemi kytkeytyy ajoittain vastaanottomoodiin ja ottaa vastaan hakusanomia ja järjestelmän tilatietoja. DRX-ajastimella määritellään, kuinka usein näin tapahtuu. Tällä hetkellä lyhyin aikaväli valmiustilassa olevalle DRX-aikakytkimelle on 2,56 sekuntia. Se on melko tiheästi esimerkiksi laitteelle, joka odottaa vastaanottavansa dataa joka 15. minuutti ja jolla on löyhät viivevaatimukset. eDRX sallii nyt paljon pitemmän aikavälin: NB-IoT:lle jopa 2,9 tuntia tai LTE-M:lle 44 minuuttia, sovelluksen vaatimuksista ja verkon tuesta riippuen.

PSM ja eDRX eroavat toisistaan siinä, kuinka kauan on sallittua pysyä unimoodissa ja kuinka kytkeydytään vastaanottomoodiin. PSM:ää käyttävän laitteen on ensin kytkeydyttävä aktiivimoodiin, jotta olisi taas tavoitettavissa. eDRX:ää käyttävä laite voi olla valmiustilamoodissa ja kytkeytyä suoraan vastaanottomoodiin ilman lisäsignalointia.

LTE-M ja NB-IoT tarjoavat myös kuuluvuutta parantavia ominaisuuksia käyttökohteisiin kuten älykkäät mittarit. Eräs pääperiaatteista on redundantti lähettäminen eli datan lähettäminen toistuvasti tiettyinä ajanjaksoina. Tällä vaikuttaa tietysti tehonkulutukseen ja latenssiin.

3GPP esitteli Release 13 -julkaisussa optimoidun verkkoarkkitehtuurin, joka sallii esimerkiksi hallintatason (control plane) käytön tiedonsiirtoon, mikä voi merkittävästi pienentää signaloinnin kuormittamista siirrettäessä vain pieni määrä dataa. Tässä yhteydessä esiteltiin uusi ydintoiminto nimeltä SCEF (service capability exposure function). Tämä toiminto mahdollistaa optimoidun ei-IP-muotoisen liikenteen reitittämisen laitteen hallintatason kautta ja samalla vaadittavat toiminnallisuudet välitetään sovellustasolle RESTful-rajapinnan kautta. Yhteydet on nyt mahdollista keskeyttää ja palauttaa, jotta käyttäjätason (user plane) signalointia voidaan tehostaa dataliikennettä varten.

Markkinoiden konkreettisista vaatimuksista johtuen 3GPP ajoi myös muita parannuksia LTE-M:ään ja NB-IoT:een. Tämän tuloksena määriteltiin kaksi uutta LTE-kategoriaa Release 14 -määrityksissä: Cat M2 ja Cat NB2. Painopisteaiheina olivat esimerkiksi nopeampi tiedonsiirtonopeus LTE-M:lle, pienempi teholuokka NB-IoT:lle, lyhyempi latenssi, tarkempi paikannus, ohjelmistopäivitykset mahdollistava monilähetys-kyvykkyys sekä parannukset LTE-M-laitteiden VoLTE-tukeen. Edellisen sivun taulukosta saa yleiskuvan eri LTE-kategorioista erilaisten IoT-sovellusten vaatimuksiin. 3GPP työstää jo seuraavia parannuksia Release 15 -julkaisuun, joka sisältää LTE-TDD-tuen NB-IoT:lle ja lisäparannuksia latenssiin, tehonkulutukseen, datakuorman hallinnointiin ja mobiliteettiin.

E2E-SOVELLUSTESTAUS

Teoreettiset laskelmat akun käyttöiästä ovat hyödyllisiä, mutta järjestelmät voivat todellisuudessa toimia eri tavalla, ja toiminta saattaa muuttua ajan mittaan. E2E-sovelluksen yleinen kommunikaatiokäyttäytyminen tulee huomioida, kuten kommunikaation aloittaminen (asiakasohjelman aloitteesta, palvelimen aloitteesta, ajastettuna), viiveen vaatimukset, verkon konfigurointi, datanopeus ja liikkuvuus (ks. kuva yllä).

Kehittäjien haasteena on PSM:n ja eDRX:n mahdollisimman tehokas hyödyntäminen. Tämä edellyttää, että kaikki analysoidaan, mikä vaikuttaa tehonkulutukseen, alkaen laitteella ja palvelimella olevista sovelluksista. Tähän sisältyvät myös mobiiliverkon ja IP-verkon toiminta.

RF-suorituskyky, akun kulutus, protokolla ja sovelluksen suorituskyky ovat asioita, jotka pitäisi myös ottaa huomioon. Alustava työ voidaan tehdä paperilla, mutta on erittäin hyödyllistä todentaa tulokset kontrolloiduissa, simuloiduissa, mutta kuitenkin realistisissa verkko-olosuhteissa. Tämä todentaa mallin olettamukset ja paljastaa todellisen maailman olosuhteiden vaikutukset. Skenaariot, joissa verkko ei tue ominaisuutta tai siinä käytetään erilaisia ajastimia, voidaan myös testata.

AINUTLAATUINEN TESTAUSRATKAISU

Mittaus- ja testauslaitteiden valmistajat kohdistavat kasvavaa kysyntää E2E-sovellusten testaukseen, verifiointiin ja optimointiin, mikä on enemmän kuin RF- ja protokollatestaus. Rohde & Schwarz tarjoaa esimerkiksi ratkaisua, joka perustuu R&S CMW500/290 -radiokommunikaatiotesteriin, R&S CMWrun -sekvensseri-ohjelmistoon ja R&S RT-ZVC02/04:een, joka on uusi monikanavainen tehomittauspääte. Tällä yhdellä kokoonpanolla käyttäjä saa yksityiskohtaisen näkymän erilaisista parametreista, kuten päätelaitteen signaloinnin tapahtumista, IP-dataliikenteestä ja tehonkulutuksesta. Alusta emuloi, parametrisoi ja analysoi samanaikaisesti langattomia kommunikaatiojärjestelmiä ja niiden IP-datan tiedonsiirtonopeutta. Tätä ei voida tehdä todellisissa verkoissa.

R&S CMWrun mahdollistaa testisekvenssien konfiguroinnin laitteen kontrolloimiseksi etänä ilman ohjelmointiosaamista. Testattavan laitteen parametreja ja hyväksyntärajoja voidaan konfiguroida joustavasti. Yksi tämän ratkaisun erityispiirteistä on intuitiivinen tapa, jolla käyttäjä voi yhdistää ja ajaa sovelluksia rinnakkain saaden signaloinnin ja IP-tapahtumien yhteiset tapahtumamarkkerit käyttöönsä. Ratkaisu mittaa tehoa jopa neljästä erillisestä mittauskanavasta rinnakkain ja niinpä tehonkulutus näytetään tarkasti.

Esimerkiksi E2E-sovellustestauksissa virran kulutuksen ja IP-datan tiedonsiirtonopeuksien väliset vaikutukset nähdään synkronisoidusti. Analyysin aikana synkronoituja signalointitapahtumia tai IP-statuksen päivityksiä ilmaisevat tapahtumamarkkerit näkyvät molemmilla diagrammeilla. Tämä mahdollistaa syvällisemmän testaustason, jossa käyttäjä voi nähdä signaloinnin tai IP-tapahtuman vaikutuksen virran kulutukseen ja IP-tiedonsiirtonopeuteen, minkä ansiosta riippuvuudet ja sovelluksen parametrien optimointi ovat helpommin ymmärrettävissä.

Artikkelin on kirjoittanut Joerg Koepp,
Rohde & Schwarz. Se on luettavissa myös ETNdigi-lehden numerosta 1/2018.