NB-IoT eszközök kritikus tesztparaméterei
A vizsgálatok kihívásai és a Keysight megoldásai
Mivel a közeljövő megszámlálhatatlanul sok vezetékmentes IoT-eszköze egyetlen kommunikációs médián, az elektromágneses téren osztozik, a zavartalan működés csak a „közlekedési szabályok”, a vezetékmentes kommunikációs szabványok szigorú betartásával lehetséges. A tartalmas olvasmány egy ígéretes technológia, a keskenysávú IoT-kommunikáció vizsgálati módszereibe enged betekintést.
Bevezetés
A sikeres kezdeti elfogadás után, a 3GPP szabványosítási munkáinak 2016-os befejezésével a keskenysávú Internet of Things (Narrow Band IoT – NB-IoT) alkalmazások rohamosan terjednek világszerte. Ezzel egyidőben viszont megjelenik az igény, hogy azok az eszközök és alkatrészek, amelyeket az ilyen szolgáltatások használnak majd (kezdve az érzékelőkkel és beavatkozókkal, a beágyazott modemeken és rádióegységeken át a kommunikációs hálózatokig) alapos vizsgálatoknak legyenek alávetve annak érdekében, hogy a minőségüket a végfelhasználók számára garantálni lehessen.
Ez a cikk leír néhányat az NB-IoT-nek azon legfontosabb képességei közül, amelyek esélyes jelöltté teszik a különféle kisteljesítményű és nagy hatótávolságú vezetékmentes hálózati kapcsolatok (Low Power Wide Area Network – LPWAN) között arra, hogy a gazdasági hatékonyságot szolgáló újfajta szolgáltatások hordozója legyen az Internet of Things módszereivel. Különös figyelmet szentel a cikk két vizsgálati szempontnak: a lefedettségnek és az elemből elfogyasztott energia mennyiségének.
IoT eszközök: miért fontos a lefedettség és az elem élettartama?
A gépi berendezések kommunikációjának (Machine Type Communications – MTC) követelményei több szempontból (köztük az átvinni kívánt adatok mennyiségében, a lefedettségben és az elem élettartamában) is különböznek a hagyományos, „kereskedelmi” kommunikációtól. Az MTC-ben az adatmennyiség kevés, néha csak néhány bájt, ami például azt jelzi ki, hogy egy parkolóhely szabad-e vagy foglalt. Ugyanakkor az eszközöknek még akkor is elérhetőknek kell lenniük a hálózaton keresztül, ha kommunikációs szempontból „barátságtalanok” a körülmények (beltérben, sőt akár a föld alatt is), következésképpen kivételesen jó lefedettségre van szükség. Az elem pedig azért fontos szempont a legtöbb vezetékmentes készüléknél – különösképpen az IoT eszközöknél –, mert azok rendszerint távoli helyeken vannak telepítve, ahol költséges a hozzáférés karbantartás céljából. A magas energiafogyasztás ezért olyan lényeges szempont, amelyen áll vagy bukik az a kérdés, hogy érdemes-e befektetnünk egy NB-IoT-technológiába (1. ábra).
1. ábra Követelmények az NB-IoT-vel szemben
A lefedettség növelésének szintjei az NB-IoT-nél
Az NB-IoT egyik kulcsfontosságú jellemzője, hogy képes-e alkalmazkodni a tetszőleges fizikai csatornahozzáférés (Physical Random Access Channel – PRACH) követelményéhez annak érdekében, hogy megbízhatóan illeszkedjen a jelterjedésnek a készülékek által tapasztalható változásaihoz. A cellahozzáférés mértéke növelhető azáltal is, hogy megnöveljük azt a számot, hányszor próbálkozhatnak hozzáféréshez a kommunikáció résztvevői. A következő fejezetben kifejtjük, hogyan használhatják ki ezt a lehetőséget a készülékek, és néhány valós teszteredményt is közlünk annak érdekében, hogy láthatóvá tegyük a lefedettség javulását valós készülékek esetében.
A lefedettséget javító beállítások NB-IoT készülékeknél
Amikor egy NB-IoT készüléket tápfeszültségre kapcsolunk, annak első dolga, hogy letapogatja az elérhető csatornákat és megpróbál kapcsolatot létesíteni. Amint azt a 3GPP Release 13 szabvány meghatározza, háromféle NB-IoT jel használható erre:
-
a keskenysávú cellahivatkozás-jel (Narrowband Cell Reference Signal – NRS),
-
a keskenysávú elsődleges szinkronizáló jel (Narrowband Primary Synchronization Signal – NPSS) és
-
a keskenysávú másodlagos szinkronizáló jel (Narrowband Secondary Synchronization Signal – NSSS).
Az NRS, amelyet a felhasználói készülék (user equipment – UE) használ arra a célra, hogy felbecsülje a downlink (DL) irányú adóteljesítményt, minden érvényes DL-alkeretben jelen van. Az NPSS és az NSSS az idő és a frekvencia becslésére szolgál egy olyan elsődleges jellel, amelyet az 5. alkeretben (subframe), valamint egy másodlagos jellel, amelyet minden páros sorszámú keret (frame) 9. alkeretében sugároznak (2. ábra).
2. ábra Az NB-IoT downlink keret- és alkeret szerkezete
Amint rendelkezésre áll az idő-, a frekvencia- és a teljesítményinformáció, az NB-IoT készen áll arra, hogy vegye és dekódolja a keskenysávú fizikai adáscsatorna (Narrowband Physical Broadcast Channel – NPBCH) jeleit, amelyeknek része a fő információs tömb (MasterInformationBlock –MIB-NB), amely a 0. alkeretben foglal helyet 640 ms-os periódusidővel.
Az MIB-NB révén az NB-IoT készülék információt kap a cella működési üzemmódjáról, amely háromféle lehet: Stand-alone (magában álló), In-band (sávon belüli) vagy Guard-band (védősávi). Bár minden készülék támogatja mindhárom üzemmódot, a rendszeroperátor egyet vagy kettőt is kiválaszthat közülük a rendelkezésre álló spektrum vagy a hálózat működőkészsége szempontjai szerint (3. ábra).
3. ábra Az NB-IoT használati módjai a 3GPP ajánlása szerint. Az In-Band az LTE-spektrumot használja, a Guard-band az LTE-csatorna védősávjaiban, a Stand-alone pedig az újra felosztott GSM spektrumban kommunikál
Az MIB-NB-nek ugyancsak része az 1. rendszerinformációs adattömbben (System Information Block 1 – SIB1-NB) foglalt ütemezési információ is. Ez a paraméterkészlet, amelyet a keskenysávú fizikai downlink megosztott csatorna (Narrowband Physical Downlink Shared Channel – NPDSCH) továbbít, információt ad a cellahozzáférésről, mint például a nyilvános szárazföldi mobilhálózatról (Public Land Mobile Network – PLMN), a mozgó készülék követésének területi kódjairól, a cellaválasztásról és ütemezésről a többi rendszerinformációs blokktípus számára. Amikor eddig eljut, az NB-IoT készülék készen áll a tetszőleges sorrendű hozzáférési eljárás (Random Access Procedure) kezdeményezésére (4. ábra). Ha ez befejeződött, a készüléknek az eNB-ből (E-UTRAN Node B) már rendelkezésére áll a készülékspecifikus rádiókonfiguráció.
4. ábra Az NB-IoT készülék indítja a Random Access Procedure nyitószekvenciáját (preamble) és deklarálja a lefedettségi szint meghatározásához kiválasztott paramétereket
A lefedettség-növelés (Coverage Enhancement) szintjeit a 2. rendszerinformációs blokkban (SIB2-NB), az NPDSCH-n át továbbítja a rendszer. Az UE a referenciajelnek a vétel helyén történő teljesítménymérésén alapulva kiválaszt egy kezdeti lefedettségnövelő szintet ahhoz, hogy bejelentkezzen a cellába.
A lefedettségi szint meghatározza a keskenysávú fizikai, tetszőleges sorrendű hozzáférési csatorna (Narrowband Physical Random Access Channel – NPRACH) azon erőforrásait, amit a készülék használ, és tájékoztatja az eNB-t a vevőegység vételi körülményeiről. A vevőnek szüksége lehet bizonyos számú ismétlésre ahhoz, hogy garantálható legyen az adatok hibátlan vétele még különösen kedvezőtlen alkalmazási körülmények között is, például még akkor is, ha egy közmű-fogyasztásmérő a föld alatt helyezkedik el. Az ismétlések segítségével a vevő akár 20 dB többlet-lefedettségre tehet szert más hagyományos adatátviteli technológiákhoz (például a GPRS-hez) képest (5. ábra).
5. ábra Az NB-IoT lefedettségi szintje
Az NB-IoT készülékek lefedettségi szintjének vizsgálata
A Keysight E7515A UXM vezetékmentes vizsgálókészülék két független 100 MHz-es adóvevőt tartalmaz. Ezek mindegyike különböző kommunikációs formátumokra programozható a különböző kommunikációs technológiák összeférhetősége, egymás közelében való működőképessége vizsgálatához. A beállítható formátumok közt megtalálható a 2G/3G/LTE-A/Cat M1 és az NB-IoT.
Az NB-IoT lefedettségi szintjei vizsgálatának első lépése a cellateljesítmény (Cell Power) és a Deployment Mode (használati mód) konfigurálása, valamint a használati mód (példánkban az In-Band) beállítása. Ez gyorsan és egyszerűen elvégezhető a bázisállomás emuláló szoftver (Base Station Emulation Software (BSE SW) „Overview”fülénél (6. ábra).
6. ábra Az NB-IoT cellateljesítmény és használati mód konfigurálási helyét vörös négyszög jelzi
Ebben az esetben, a Random Access Procedure során a cella három különféle NPRACH-erőforrást konfigurál azok közül, amelyeket a fentiekben, az 5. ábrában mutattunk be.
7. ábra Az NPRACH erőforrások konfigurációja
Mindegyik NPRACH-hoz különböző referenciajel-vételi teljesítmény (Reference Signal Received Power – RSRP) küszöbérték és különböző számú segédvivőjel-eltolásérték tartozik. Az UE ezek közül választja ki a megfelelő erőforrásokat a lefedettségi szinttől függően (7. ábra).
A BSE SW segítségével a cellateljesítmény három különböző értékre állítható be: –50 dBm, –90 dBm vagy –115 dBm. Ezután aktiváljuk a cellát és jóváhagyjuk az ezzel kapcsolatos eljárás lefutását különböző lefedettségi szintbeállításoknál, amelyről az NB-PRACH ad jelentést (8 ábra).
8. ábra Különféle lefedettségi szintek választódnak ki a változó vevőteljesítményfeltételek miatt, amelyről az UL NPRACH ad jelentést
Ennek a vizsgálatnak egy lehetséges változata az is lehet, hogy csillapítást adunk a csatornának. A Keysight E7515A UXM vizsgálóberendezés tartalmaz egy beépített csillapítót is, amelyet könnyű bonyolultabb csatornafeltételekre konfigurálni, amely segít abban, hogy valós működési körülményeket emuláljunk azon a hálózaton, amelyhez a vizsgált NB-IoT készülék csatlakozik (9. ábra).
9. ábra RF-csillapítás is alkalmazható a valós hálózati körülmények emulációjához
Az IoT készülékek energiafogyasztása
Energiamegtakarítási módszerek
Amint azt korábban már jeleztük, az elemben tárolt energia optimális felhasználása a hatékony gépi kommunikáció kulcsa, különösképpen azért, mert a szenzorok és beavatkozók olyan távoli helyekre vannak telepítve, ahol a nehéz hozzáférhetőségük miatt költséges a karbantartásuk. A gyakorlatban – és különösképpen nagyléptékű alkalmazási környezetben – az eszköz élettartama a működését fenntartó elem élettartamával azonos.
Az optimalizált elemélettartamot megfelelő tervezéssel érhetjük el. Tény, hogy az NB-IoT esetén a követelmények nem olyan magasak, mint az LTE-nél. Ennek okai: kisebb az adatsebesség, a készülék nem mozog, nincs többszörös be- és kimenet (MIMO), ezért az NB-IoT készülékek sokkal egyszerűbbek és ennélfogva eleve kevesebb energiát fogyasztanak. Ezek azonban önmagukban nem elegendők, további tervezési szempontokat is érvényesíteni kell a fogyasztáscsökkentés érdekében. Erre a 3GPP újabb verzióiban találhatunk módszereket és útmutatásokat.
A 3GPP Release 12 egy energiatakarékos üzemmód (Power Saving Mode – PSM) meghatározásával bővült, amely megengedi, hogy a készülék mélyalvás üzemmódba kerüljön, amelyben az áramköreinek nagy része ki van kapcsolva. Ez az üzemmód nem azonos a teljes kikapcsolással, mivel a készülék bejelentkezve marad a hálózatba, ezért nincs szükség az újrakapcsolódásra, ha ebből az üzemmódból felébresztjük. Azonban – mint a teljes kikapcsolásnál – a készülék elérhetetlen a hálózat felől, de saját működésben tartott áramkörei felébreszthetik, ha elküldendő adatok keletkeznek, vagy amikor egy tartománykövetés frissítési paraméter (Tracking Area Update – TAU) lejár (10. ábra).
10. ábra A készülék képes felébredni, ha elküldendő adatai vannak vagy ha a TAU paraméter lejárt
A PSM azokban az alkalmazásokban ad hatékony energiatakarékossági megoldást, amelyek tipikusan alvó üzemmódban vannak, kivéve, ha más készülékek számára elküldendő adat keletkezik bennük. Ennek egy példája lehet egy légnedvesség-érzékelő, amely előre meghatározott menetrend szerint küld mérési eredményeket.
A 3GPP Release 13 kiterjesztett, nem folytonos vétel (Extended Discontinue Reception – eDRX) üzemmódja akkor alkalmazható, ha a készülék akár csatlakoztatott (connected), akár tétlen (idle) üzemmódban van, és olyan készülékekhez kell igazodnia, amelyektől fontos letöltendő adatok érkezése is várható. Csatlakoztatott állapotban az új DRX-ciklusok hossza 2,56-ról 9,22 másodpercre hosszabbítható. Tétlen állapotban az értesítési (paging) időablak akár 3 órányira is meghosszabbítható, és mivel a hálózat figyelésére ritkán kerül sor, az energiafogyasztás is jelentősen csökken (11. ábra).
11. ábra Az eDRX üzemmód optimalizálja az olyan készülékekenergiafogyasztását, amelyeknek a hálózaton feléjük küldöttinformációt is figyelniük kell
Az energiafogyasztás elemzése
Az elem élettartamát növelő, optimalizáló eljárások helyes használatának ellenőrzéséhez hasznos eszköz egy pontos egyenfeszültségű fogyasztásanalizátor műszer. Egy NB-IoT készülék vizsgálatához a Keysight N6705B/C műszer alkalmazását javasoljuk, amely elég széles dinamikai tartománnyal rendelkezik ahhoz, hogy a készülék energiafogyasztását pontosan mérhesse az alvástól az aktív üzemmódig.
A DC teljesítményanalizátort és a hálózatemulátort is magába foglaló teljes vizsgálórendszer szinkronizálására a Wireless Test Automation Platformot, egy Keysight szoftvert alkalmazunk a különféle műszerekből összeállított mérőelrendezéssel elvégezhető mérések automatizálására (12. ábra).
12. ábra Az NB-IoT vizsgálatára alkalmas, hálózati és teljesítményanalizátort is tartalmazó műszerelrendezés
Az általunk javasolt vizsgálat azzal kezdődik, hogy a készüléket csatlakoztatjuk az NB-IoT-cellához. A példában bemutatott esetben a prototípus-készülék In-Band üzemmódban, egyfrekvenciás működésre van konfigurálva. A WTAP forgatókönyv úgy állítja be az UXM Network Emulatort, hogy triggerjelet állítson elő, ha a cella és a készülék között kommunikáció kezdődik. Ez lehetővé teszi, hogy a felhasználó figyelemmel kísérhesse a készülék energiafogyasztását a teljes adatátviteli tranzakció során, de arra is alkalmas, hogy ezt csak a kijelölt csatornák használata esetén végezze. A fogyasztás elemzésének eredménye alapján a tervező még a tervezés fázisában további finomításokat végezhet. Ezenkívül hosszú működési ciklusok futtatására is van lehetőség, amellyel ellenőrizhető, hogy az elemből felvett energiamennyiség megfelel-e az elvárt műszaki követelményeknek (13. ábra).
13. ábra Az áramfelvétel vizsgálata a teljes tranzakció alatt (felül), és az NB_PUSCH_Req során (alul)
Összefoglalás
A keskenysávú Internet of Things (Narrow Band Internet of Things – NB-IoT) egyre inkább a piac vezető technológiájává válik, amelynek oka a más módszereknél jobb lefedettség és az optimális elem-energiafogyasztás. Az IoT megváltoztatja a módját, ahogyan élünk és dolgozunk, és nagyobb üzleti hasznot és alacsonyabb költségeket ígér a különféle alkalmazási területeken. Hogy ezt az ígéretet valóra válthassuk, különösen fontos garantálnunk, hogy a szolgáltatás működéséhez szükséges minden alkotóelem a várakozásoknak megfelelően működjön. Kifejezetten az NB-IoT készülékek vizsgálatára a Keysight a teljes készülékfejlesztési ciklust támogató, bőséges megoldásválasztékot kínál a tervezés, az ellenőrzés, a funkcionális és megfelelőségi tesztelés megkönnyítésére.
Az olvasó bővebb információkat talál a Keysight UXM, EXM, T4010S, Conformance Toolset és N6700 termékek weblapjain.
|
Az itt ismertetett témát bővebben tárgyaló előadást az
|
Magyarországon a Keysight Technologies kizárólagos resellere a H TEST Hungary Kft.
H TEST Hungary Kft.
9028 Győr, Fehérvári út 75. fsz. 9.
Tel.: + 36 96 999 262
Email:
www.htest.hu
