magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

H TEST lid

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).

H TEST 01 abra

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).

H TEST 02 abra

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).

H TEST 03 abra

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.

H TEST 04 abra

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).

H TEST 05 abra

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).

H TEST 06 abra

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.

H TEST 07 abra

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).

H TEST 08 abra

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).

H TEST 09 abra

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).

H TEST 10abra

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).

H TEST 10 abra

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).

H TEST 11 abra

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).

H TEST 12 Aabra

H TEST 12 Babra

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
ELECTROSUB Elektronikai és Elektrotechnikai Konferencia
és Szakkiállítás 
keretében hallhatnak az érdeklődők.

 

 

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: info@htest.hu
www.htest.hu

Még több H TEST