M2M-yhteyksien tuominen laitteisiin edellyttää testaamista. Oikeilla työkaluilla testaaminen on helppoa ja nopeaa. Verkkosimulaattori on usein paras valinta.

M2M eli kone-kone-yhteydet tuovat paljon hyötyjä sekä laitevalmistajille että loppukäyttäjille. Etäanturijärjestelmät, monitorointi, paikannus ja datankeruu tuovat uudenlaisia toimintoja teollisuuden, armeijan ja monen muun alueen koneisiin automaation, maksupäätteiden, älykkäiden mittarien ja logistiikan sovelluksissa.

Kaikissa näissä sovelluksissa langattomuus on suosituin tapa yhdistää laitteen verkkoon. Jopa kiinteissä laitteissa langatonta yhteyssä suositaan usein, koska asennus – erityisesti vaikeapääsyisissä kohteissa – on edullista ja koska valmiita GSM-, 3G- ja LTE-moduuleita on tarjolla suoraan kaupan hyllyltä, samoin kuin Zigbee- ja WiFi-moduuleita.

Kun kännykkäverkot ovat käytettävissä jo lähes kaikkialla, mobiilitekniikat tuovat M2M-yhteyksiä kehittäville laitevalmistajille eniten joustavuutta ja parhaan peiton.

Usein M2M-kehityksessä kyse on kehitystiimin ensimmäisestä tuntumasta hämärään radiotekniikkaan. Pelkkä GSM- tai 3G-moduulin pulttaaminen kiinni lopputuotteeseen ei takaa toimivaa langatonta yhteyttä, oli moduuli sitten kuinka hyvä tahansa.

Tässä artikkelissa kerromme, kuiinka moderneilla simulointitekniikoilla voidaan verifioida M2M-sovelluksen suorituskykyä tuotekehityksen aikana niin, että valmistaja voi vakuuttua sen virheettömästä toiminnasta kentällä.

Testattavat osat

M2M-järjestelmä koostuu kolmesta osasta: M2M-sovelluksesta, tietoliikenneyhteydestä ja M2M-laitteesta, joka yleisimmin on modeemi. Näiden toiminta ja yhteensopivuus ratkaisevat järjestelmän toiminnan luotettavuuden.

Verkon toimintavarmuus ei tietenkään ole laitevalmistajan käsissä, joten verkkoyhteyden valinta on tärkeää. Itse asiassa useimmissa maissa langaton verkko peittää lähes koko maan muodossa tai toisessa. Yleensä peitto on paras 2g-verkoissa. Vuodesta 2000 lähtien näiden rinnalle on rakennettu 3g-verkkoja ja nykyään tarjolle on tullut myös 4g-tekniikkaan pohjaavia verkkoja, joiden myötä laitteilla on jatkuva laajakaistainen yhteys internetiin.

2g-verkot tarjoavat piiri- ja pakettikytkentäisi yhteyksiä käyttäjille. M2M-yhteyksiin GPRS-tekniikka on tällä hetkellä käytetyin tekniikka. Joissakin sovelluksissa, joissa dataa pitää lähettää vain pieniä määriä, käytetään myös SMS-yhteyttä.

Vaikka verkko olisi käytettävissä lähes kaikkialla, pääsy niihin voi vaihdella paikasta ja ajasta riippuen, koska yksittäisessä solussa aktiivisuuden taso vaihtelee. Yksi keskeisiä tuotekehityksen aikana testattavia asioita onkin M2M-sovelluksen toiminta silloin, kun verkkoyhteyttä ei ole käytettävissä.

Modeemin integroimisen vaikutus

Nopein ja helpoin tapa päästä kiinni M2M-kehitykseen on integroida laitteeseen älykäs mobiilimokkula, joka huolehtii sekä fyysisen että protokollatason yhteydestä. Esimerkiksi Sierra Wirelessin, Cinterionin ja Telitin modeemit ovat 3GPP:n vaatimusten mukaan testattuja ja tyyppihyväksyttyjä ratkaisuja.

Standardinmukaisuuden testaaminen takaa, että moduuli toimii verkossa matkapuhelimen tapaan. Valmis moduuli on siis hyvin luotettava ratkaisu jo ennen lopputuotteeseen integroimista.

M2M-järjestelmässä moduuli kuitenkin toimii muun raudan ja ohjelmistojen rinnalla. Tällaisia ovat ohjelmoitavat logiikkaohjaimet, älykkäät sähkömittarit, maksupäätelaitteet ja ajoneuvojen telematiikkajärjestelmät. Lisäksi isäntälaite kontrolloi M2M-moduulin datavirtaa ja tekee sen tyypin ja arvojen pohjalta päätöksiä.

Se, miten moduuli on sulautettu lopputuotteeseen, voi tämän takia aiheuttaa tietoliikennehäiriöitä. Mikäli epäluotettavuus tulee ilmi vasta, kun laite on päästetty kentälle, seuraukset voivat olla tuhoisia.

Kehittämällä testitapauksia, jota jäljittelevät todellisia käyttötapoja, voi paljastaa ja siten auttaa korjaamaan M2M-järjestelmän vikoja ennen kuin laite menee tuotantoon.

Aiemmin kehittäjät käyttivät M2M-järjestelmien toiminnallisuuden testaamiseen prototyyppejä, joita käytettiin olemassaolevissa verkoissa, yhdenmukaisuutta testaavia testijärjestelmiä sekä testaamista varten erikseen pystytettyjä testiverkkoja. Kaikissa näissä menetelmissä on vakavia puutteita.

Toimivassa kaupallisessa verkossa testaaminen löytää vikoja vain niinä aikoina ja niissä paikoissa, joissa testejä ajetaan. Tällöin on vaikea toistaa tiettyjä vaikeita testitapauksia ja sitä kautta löytää vikojen syitä signalointikäyttäytymisestä.

Testausjärjestelmissä testaaminen rajoittuu 3GPP:n määrittelemiin tapauksiin. Tämä estää syvällisen testaamisen, jossa tietyn sovelluksen kannalta kaikkein relevantimpia tapauksia voitaisiin modifioida. Erillisen testiverkon rakentaminen on puolestaan hyvin kallista ja aikaa vievää.

Onneksi on olemassa parempi menetelmä. Langatonta verkkoa simuloimalla voidan testata koko M2M-järjestelmää tuotekehityksen alusta lähtien. Verkkosimulaattorin avulla laitetta ja signaalin käyttäytymistä voidaan tarkastella ykstyiskohtaisesti. Lisäksi sen avulla voidaan simuloida mitä tahansa verkkoprotokollaa ja ympäristöä, myös sellaisia joita kaupallisissa verkoissa ei ole vielä käytössä. Verkkosimulaattori on myös saatavilla “kaupan hyllyltä” kohtuulliseen hintaan.

M2M-virheiden tyypilliset syyt

Mobiiliverkkosimulaattorin myötä vain kehittäjän mielikuvitus rajoittaa M2M-järjestelmän testaamista. Toimiiko siirtyminen solusta toiseen, verkosta toiseen tai eri protokollien välillä? Liittyykö laite verkkoon oikein? Osaako laite rekisteröidä ja autentikoida SIM-kortin oikein? Mikä on datayhteyden nopeus? Entäpä nopeus siirryttäessä solusta toiseen? Osaako laite vastaanottaa suuria määriä SMS-viestejä yhtäaikaisesti? Kuinka herkkä M2M-laitteen RF-vastaanotin on? Kuinka heikoksi signaalin pitää mennä, ennen kuin yhteys verkkoon menetetään?

Jos kehittäjillä ei ole aiempaa kokemusta tietoliikennetestaamisesta, tällaisen testirutiinien suunnittelu ei ole itsestäänselvää. Siksi verkkosimulaattoreissa on ohjelmistotyökaluja, jotka piilottavat allaolevan testauskoodin ja antavat mahdollisuuden määritellä eri testitapauksia graafisen käyttöliittymän avulla.

Tällaisen käyttöliittymän toimintaa kuvaa allaoleva kaappaus Anritsun SmartStudiosta, joka on integroitu MD8475A-verkkosimulaattoriin. Työkalussa on ennalta määriteltyjä vaihtoehtoja useiden solujen ja mobiilistandardien konfigurointiin. Aluksi käyttäjä valitsee, mitä radiotekniikoita simulaatiossa käytetään (esimerkiksi WCDMA-verkosta GPRS-verkkoon siirtyminen). Tämä valinta perustuu niihin standardeihin, joita M2M-laite tukee.

Kuva 1: SmartStudion intuitiivinen käyttöliittymä ohjaa käyttäjää testitapauksen määrittelyssä.

Seuraavaksi pitää asettaa halutut solukohtaiset parametrit, tai yksinkertaisemmin valita jokin ennalta määritellyistä standardeista soluparametreistä. Tämä voidaan tehdä nopeasti painamalla Play-nappia, minkä jälkeen verkko on luotu testausta varten.

Solukonfigurointien avulla käyttäjä voi luoda minkä tahansa mobiiliverkon. Tyypilliset asetukset koskevat mobiiliverkon koodia (MNC, mobile network code) ja maakoodia (MCC, mobile country code). Esimerkiksi koodit MCC 262 ja MNC 02 yksilöivät Vodafone D2:n verkon Saksassa.

Näitä asetuksia voidaan käyttää MD8475A-verkkosimulaattorissa testaamaan M2M-moduulin kykyä rekisteröityä verkkoon ja autentikoitua SIM-kortille tallennetun datan avulla. Simulaattori tallentaa lokiin autentikointiprosessin vaiheet, joita kehittäjä voi tarkastella. Laitteella voidaan myös testata M2M-laitteen kykyä rekisteröityä muihin verkkoihin. M2M-laite voidaan ohjelmoida rekisteröitymään tietyn operaattorin soluihin, mutta myös muiden operaattoreiden verkkoon. Simulaattori voi testata tätä rekisteröintikäyttäymistä tilanteessa, jossa usean operaattorin solu on käytettävissä. Tähän M2M-laite käyttää PLMN-verkkotietoa (Public Land Mobile Network), rajoitusinformaatiota ja eri solujen downlink-signaalitasoja. Simulaattori testaa myös M2M-laitteen rekisteröitymistä kuhunkin soluun. MD8475A-verkkosimulaattori voi testata myös solun uudelleenvalintaa, mitä vaaditaan mikäli tietty solu estää rekisteröitymisen tai downlink-signaali on hyvin heikko.

Kuva 2: M2M-laitteen solun valinnan testaaminen verkkosimulaattorissa.

Viimeinen askel tässä testirupeamassa on testata laitteen kyky vaihtaa solua. Tätä tarvitaan, kun solun downlink-signaali heikkenee sen jälkeen kun ääni- tai pakettiyhteys on saatu aikaiseksi. Tämä testi varmistaa, että mobiililaite yrittää säilyttää yhteyden valitsemalla uudelleen optimaalisen solun vertaamalla solujen signaalitasoja.

Laitteen suorituskyky

Solun valinta ja solusta toiseen siirtyminen ovat vain osa helposti räätälöitäviä ja ajettavia testitapauksia verkkosimulaattorissa ja SmartStudion kaltaisessa testausohjelmistossa. Jokaista testisarjaa varten käyttäjän on arvioitava sovelluksen vikasietoisuutta ottamalla huomioon loppukäyttäjän vaatimukset ja odotukset. Esimerkiksi solun valintaa ja siirtymistä niiden välillä testattaessa laitteen pitäisi läpäistä testi joka kerta, koska kyse on laitteen perustoiminnoista.

Kuva 3. Anritsun verkkosimulaattori MD8475A.

Kattavan verkkosimlaattorin pitää pystyä testaamaan minkä tahansa M2M-sovelluksen suorituskyky ja verifioimaan laiteen toiminnallisuus. Anritsun testauslaitteet piilottavat langattomien standardien kompleksisuuden ja antavat kehittäjän keskittyä itse sovellukseen. Ne tuovat vakaan testiympäristön ja yksinkertaisen käyttöliittymän kompleksisten testien määrittelyyn. Monitori-, loki- ja vika-analyysin työkalut auttavat käyttäjää löytämään ja analysoimaan järjestelmän vikoja nopeasti.