Le sfide nel testing per dispositivi cellulari M2M/IoT

Termini quali M2M e IoT hanno già iniziato ad invadere la nostra vita quotidiana, con esempi di comunicazione a corto raggio quali un orologio che comunica con un telefono via Bluetooth o una lampadina Wi-Fi che viene connessa al router di casa. Concetti simili machine-oriented si incontrano anche nella comunicazione a più lunga distanza per esempio nella telelettura, controlli per la sicurezza e cosi via. A causa della difficoltà di implementazione di comunicazioni via macchina in reti cellulari esistenti, l’industria si sta muovendo verso sistemi dedicati orientati al raggiungimento di cinque obiettivi principali: prolungamento della vita delle batterie; riduzione del costo dei dispositivi; riduzione dei tempi di realizzazione del servizio; supporto per un elevato numero di dispositivi; copertura estesa. Questa nuova classe di reti è oggi nota come rete Lpwa (Low-power wide-area), e sta al momento muovendosi in due principali direzioni. La prima riguarda soluzioni proprietarie quali SigFox o LoRa che richiederanno il dispiegamento di nuove infrastrutture su bande ancora senza licenza. L’altra direzione principale è l’evoluzione dell’esistente infrastruttura cellulare su bande con licenza. La sfida principale verso l’adozione della Lpwa è fornire una architettura Lpwa che sia realmente ottimizzata per M2M. Come conseguenza, stiamo assistendo ad una nuova fase nella standardizzazione dei processi noti come Mtc (Machine Type Communication).

Standardizzazione cellulare e dispositivi M2M/IoT
Il reale dispiegamento di sistemi Lpwa dovrà attendere la distribuzione da parte degli operatori di nuove funzionalità (Rel-12/Rel-13) nelle loro reti e la riallocazione dello spettro per usi Mtc, cosa che difficilmente accadrà prima del 2016-17. Nel frattempo, i chipset Category 1 Lte stanno emergendo sul mercato per coprire alcune necessità M2M. Category 1 è limitata a 10Mbit/s, ma è un importante passo in avanti verso un Internet of Things abilitato dala Tecnologia Lte. La prima ondata di dispositivi cellulari Lpwa è nota come Category 0, ed è attesa per inizio 2016. Il primo significativo lavoro sulla standardizzazione fu fatto nella rel-12 (2014) nell’ambito dell’iniziativa “low cost Mtc”. L’obiettivo è di raggiungere gli stessi costi, complessità e consumo di potenza di un modulo 2G, ottenendo allo stesso tempo un più elevato throughput attraverso: riduzione dei costi e della complessità del dispositivo utilizzando una antenna anzichè due; riduzione del traffico di picco massimo a 1 Mbit/s; passaggio al funzionamento half-duplex nel Fdd (Frequency division duplex). Per incrementare ulteriormente il tempo di vita delle batterie, può essere implementata una tecnica di ottimizzazione del protocollo conosciuta come Power Saving Mode (Psm/Rel-12). La Category “Lte-M” offre l’ulteriore ottimizzazione introdotta nella Rel-13. Questa mira a ridurre ulteriormente la complessità con maggiori risparmi della batteria, pur garantendo una maggiore copertura. Se considerati congiuntamente, l’ottimizzazione Rel-12 e Rel-13 potrebbe far risparmiare fino al 75% dei costi rispetto allo standard dei dispositivi non-Mtc Lte. Con le migliorate procedure di protocollo, il tempo di vita di un dispositivo IoT alimentato da batteria AA o AAA può essere portato da giorni ad anni.

Aumentare la copertura
I dispositivi Lte-M ottimizzati per il low cost, specialmente in ambito di rel-13 dove la potenza di uscita è ridotta, avranno una ridotta copertura. Di conseguenza, rel-13 introduce un numero di funzioni di ottimizzazione delle coperatura che potenziano di 15 dB il collegamento, permettendo cosi un’area di copertura sette volte migliore. Release 13 specifica anche NB-IoT, un nuovo tipo di dispositivo che utilizza nuovi schemi di modulazione portando ancora altri risparmi, riducendo ulteriormente la larghezza di banda a 180 kHz. Insieme, NB-IoT e Lte-M abilitano svariate applicazioni con maggiore capacità su Lte-M, costo leggermente infriore e migliore copertura su NB-IoT.

Nuove sfide nel testing
Di norma, il 3Gpp definisce le specifiche mentre gli organismi nazionali forniscono le certificazioni. Una volta certificato, il modulo chipset può quindi essere integrato nel dispositivo. La conformità 3Gpp attualmente definisce nuovi tipi di test per dispositivi Mtc category 0 focalizzati sulle seguenti aree:

• Un nuovo tipo di test RF basato sulla riduzione ad una sola antenna, che avrà effetti sulla sensibilità, e riduce la copertura potenziale.
• Test delle prestazioni per assicurare che il massimo throughput di 1 Mbit/s venga raggiunto nonostante l’ottimizzazione del consumo energetico.
• La gestione delle risorse radio e protocollo, che risentono notevolmente delle nuove modalità a risparmio energetico. Il dispositivo deve ancora essere raggiungibile persino quando si riavvia dopo lungo tempo in modalità sleep.

Il test funzionale
Solitamente, i system integrators utilizzano un chipset o moduli pre-certificati per facilitare lo sviluppo dei loro prodotti. Durante la fase di integrazione, anche se il comportamento dei chipset è attendibile, è auspicabile effettuare test funzionali al fine di risolvere i potenziali problemi. Tipicamente, i test si focalizzano sull’integrazione hardware (antenna, progettazione della scheda, alimentazione, ecc.) o a livello protocollo/applicazione (wake-up time, server connection, ecc.). Una delle principali tecniche di analisi funzionale consiste nell’utilizzare analisi regressiva, che significa che per ogni test hardware o software, l’integratore avvia una serie di tipologie di test per verificare che le prestazioni complessive non siano state degradate. Per i dispositivi Lpwa, i tipici test funzionali includono:

• Hardware - Analisi delle batterie; analisi della sensibilità e throughput fisico.
• Protocol testing - Raggiungibilità del dispositivo (paging) e tempo di acquisizione; requisiti specifici dell’operatore di telefonia mobile (carrier acceptance testing).
• Application testing - Wake-up stimolato dall’applicazione; connessione al server (cloud storage); test del throughput a livello applicativo.

I simulatori di rete come l’MD8475A di Anritsu consentono agli utenti di testare l’hardware e l’applicazione in un ambiente controllato e riproducibile.