NB-IoT Coverage
Development of a measuring instrument for NB-IoT.
Albin Blom
Faculty of Health, Science and Technology Computer Science
Bachelor of Science
Handledare: Karl-Johan Grinnemo Examinator: Johan Eklund
Datum: 13/1/2021
i
Sammanfattning
Denna rapport är en redogörelse för framtagningen av ett mätinstrument som har i uppgift att kartlägga NB-IoT nätets verkliga täckning. Mätinstrumentet är framtaget på TietoEvrys initiativ, då det var av intresse för dem att få ett mätinstrument som kan användas för att kartlägga delar av Värmlands NB-IoT nätverk. Som på så vis ger en bedömning för eventuellt framtida projekt som involverar NB-IoT.
Framtagningen av mätinstrumentet som man kan bära med sig ut i fält, använder sig framförallt av en mikrodator för inhämtning av mätdata som sparas undan i en loggfil med hjälp av Python. Rapporten redogör även för ett kompletterande program som i sin tur visualiserar den inhämtade datan i form av markörer på en karta, som visar signalstyrkan i NB-IoT nätet. Visualiseringsprogrammet är skrivet i Java och bygger på det öppna källkodsprojektet: jxmapviewer2. Mätinstrumentet som det är utformat i dag, är i behov av ytterligare tester för att säkerställa en rimlig noggrannhet i
mätningarna. Detta är något som kan ses över i framtiden.
ii
iii
Abstract
This report is an exposition of the development of a measuring instrument whose task is to map the physical coverage of the NB-IoT network. The measuring
instrument was developed on TietoEvry's initiative, as it was in their interest to obtain a measuring instrument that can be used to map the coverage in parts of Varmlands NB-IoT network. Which in this way provides an assessment for any future projects involving NB-IoT. The development of the measuring instruments you can carry with you out into the field, uses a microcomputer for collecting measurement data saved in a log file using Python. The report also describes a complimentary program that in turn takes and visualizes the acquired data in the form of markers on a map, which shows the signal strength of the NB-IoT network. The visualization program is written in Java and is based on the open source project: jxmapviewer2. However, the
measuring instrument as it is today needs further testing to ensure the accuracy of the measuring instrument. Something that can be looked over in the future.
iv
v
Innehåll
Sammanfattning i
Abstract iii
1 Introduktion ... 1
1.1 Uppdragsgivaren ... 1
1.3 Sammanfattning och överblick ... 2
1.4 Disposition... 3
2 Bakgrund ... 4
2.1 Internet of Things (IoT) ... 4
2.2 Narrow Band Internet of Things (NB-IoT) ... 4
2.3 GPS ... 6
2.4 Hårdvara ... 7
2.4.1 Rasperry Pi Zero W ... 7
2.4.2 NB-IoT expansionskortet ... 8
2.4.3 Ultimate GPS USB PA6H ... 9
3 Design plattform ... 10
3.1 Design av mätinstrumentets hårdvara ... 10
3.2 Design av loggning ... 11
3.3 Design av visualisering ... 12
4 Implementation ... 13
4.1 Implementation av hårdvara ... 13
4.2 Plattformen ... 14
4.3 Implementation av loggningsprogram ... 15
4.3.1 GPS-modulen ... 15
4.3.2 NB-IoT expansionskortet ... 16
4.3.3 Loggning ... 16
4.4 Implementation av visualiseringsprogram ... 18
5 Resultat ... 20
5.1 Utvärdering implementation ... 21
vi
5.1.1 Utvärdering loggning ... 21
5.1.2 Utvärdering visualisering ... 22
6 Slutsats ... 23
6.1 Projektutvärdering ... 23
6.2 Problem ... 23
6.3 Framtida arbete ... 24
Referenser ... 25
vii
Figurer
Figur 1 NB-IoT:s frekvensspektra [7]. ... 6
Figur 2 Raspberry Pi Zero W:s kretskort [13]. ... 7
Figur 3 NB-IoT Expansionskortet ovanför en Raspberry Pi Zero W med antenner [16]. ... 8
Figur 4 GPS-modul PA6H [18]. ... 9
Figur 5 Bild på mätinstrumentet. ... 11
Figur 6 kopplings och funktionalitetöversikt för mätinstrument. ... 13
Figur 7 loggnings formatet i logg filen... 18
Figur 8 visualisering programmet med markörer. ... 19
Figur 9 en testmätning över ett skogsområde. ... 21
1
Kapitel 1
1 Introduktion
I Sverige har Telia ett rikstäckande NB-IoT (Narrow Band Internet of Things) nät, som kan användas av NB-IoT enheter. Dessa enheter kännetecknas av enheter med låg effekt, bra täckning och billig och enkel kommunikationsteknik.
Syftet med arbetet var att ta fram en plattform för att mäta signalstyrkan i NB-IoT nät och visualisera detta på en karta. Arbetet genomfördes för att utveckla en plattform för att utvärdera möjligheterna att se över signalstyrkan för framtida ändamål som involverar NB-IoT. Ett obligatoriskt krav från TietoEvry var att använda sig av den hårdvara som de valt ut till projektet. Mer om det i kapitel 1.3
Det kunde även bli aktuellt om tid fanns att utvärdera hur bra den praktiska täckningen överensstämmer med Telia NB-IoT täckningskarta. Mätningar har ej utförts se kapitel 6.1.
I kapitel 1 presenteras uppdragsgivaren och arbetet kring mätinstrumentet introduceras.
1.1 Uppdragsgivaren
TietoEvry är ett företag som finns på olika platser i världen och de i sin tur
samarbetar med företag och organisationer inom olika branscher, bland annat inom:
• Fordonsindustrin
• Bank, finans och försäkring
• Energi
• Hälsa och välfärd
• Industritjänster
2
• Offentlig förvaltning
• Olja och gas
• Retail och konsumentnära tjänster
• Skog, massa, papper och fiber
• Telekom
• Utbildning och skola
TietoEvry arbetar med digitaliserings- och programvarubehov där de tar fram digitala lösningar utifrån kundens behov.
Min ansvarige handledare på företaget TietoEvry var Johan Uttermalm.
1.3 Sammanfattning och överblick
Syftet med arbetet var att ta fram ett mätinstrument för att kunna mäta signalstyrkan i NB-IoT näten och visualisera detta på en karta. Med hjälp av detta mätinstrument skulle man kunna utvärdera signalstyrkan i delar av Värmlands landsbygd, där fokus låg på att helt enkelt titta på platser där de teoretiska täckningsvärdena som Telia hade tagit fram i sin NB-IoT täckningskarta visade sämre täckning. Genom dessa mätningar kunde det även bli möjligt att använda NB-IoT:s förmåga att användas där mer traditionella mobilnät som LTE (4G) inte har täckning i samma utsträckning.
TietoEvry hade redan tagit fram en prototyp för hårdvaran i form av en Raspberry Pi zero W [1] ihopkopplad med ett NB-IoT expansionskort, som har två antenner: En för GPS som var till för positionering och en annan antenn som var till för NB-IoT.
Orsaken till att det krävdes två antenner var för att en av antennerna användes till positionering och den andra antennen användes för NB-IoT-nätet. Det krävdes inget arbete att hitta olika komponenter till detta projekt, det utfördes av TietoEvry. Min uppgift var att få igång denna hårdvarulösning genom att installera ett OS på denna Raspberry Pi, koppla ihop komponenterna och sätta på antennerna. Jag skulle även se till att hårdvaruprototypen kunde matas via en power bank, så att man enkelt kunde bära med sig denna som en enhet. Slutligen ta fram en mjukvaruplattform för att kommunicera med hårdvaran och visualisera mätdata på en karta.
3
1.4 Disposition
• I Kapitel 2 Här beskrivs bakgrunden till NB-IoT och bakgrund till de olika komponenter som används i mätinstrumentet.
• Kapitel 3 är en beskrivning för hur designen ser ut för detta mätinstruments olika delar.
• I kapitel 4 beskrivs implementationen av de olika komponenterna,
integrationen av NB-IoT expansionskortet och GPS-modulen som kopplas in i Raspberry Pi:n. Samt hur implementationen ser ut för loggning och
visualisering.
• Kapitel 5 är resultatet för mätinstrumentförmågan och en utvärdering av kapitel 4
• I Kapitel 6 diskuteras en helhetsbedömning över projektets gång, samt framtida användningsområden.
4
Kapitel 2
2 Bakgrund
2.1 Internet of Things (IoT)
Internet of Things eller IoT är fysiska enheter som innehåller sensorer för att mäta olika verkliga storheter till exempel signalstyrka. Dessa sensorer använder sig av internet för att förmedla uppmätt data från mätenhetens sensorer, men utbytet av data behöver inte bara vara sensordata utan det kan även vara styrning och bearbetning av mätenheter. När IoT används vill man utnyttja enkelheten i att ha många olika enheter kopplade till samma system, eller olika system för att kunna kommunicera med olika enheter över internet. IoT förknippas oftast med smarta hem, där man kanske har en lampa som man kan tända eller släcka med hjälp av sin mobiltelefon. I detta fall är lampan en IoT-produkt som vi kan kommunicera med genom att utnyttja det faktum att både mobilen och lampan har tillgång till internet [2].
2.2 Narrow Band Internet of Things (NB-IoT)
3GPP [3] är samarbetsorganisationen för telekommunikation och är de som är ansvariga för standardiseringen av NB-IoT [3]. NB-IoT har på senare år växt och omfattar idag miljarder IoT-produkter [4]. Fördelen med att NB-IoT används för kommunikation är att den har en lägre effekt, bra täckning och gör det möjligt att utnyttja billig och enkel teknik. NB-IoT är designat för att på bästa sätt ge maskin-typ- kommunikationstjänster (MTC), som ett sätt för att kommunicera mellan IoT-enheten och basstationen genom att mobilnätet ger täckning över en stor yta, med låg
batterikonsumtion till enheter som är små och billiga. NB-IoT använder sig av samma spektrum som GSM och LTE.
5 Mobil IoT (Cellular IoT) har många applikationsområden för att samla in mätdata från jordbruk och applikationer som övervakar transporter i transportsektorn. LPWA står för Low Power Wide Area Network (LPWAN) vilket ansluter stora MTC-system som innehåller många små MTC-enheter. Dessa enheter är till för att skicka små
kvantiteter data till sensorer som befinner sig på avlägsna ställen till exempel källare, parkeringshus eller långt ute i skogen.
NB-IoT började sin resa till att bli standardiserad 2014 [4] med tanken om att möta kraven hos stora MTC-system, där kraven var låg kostnad på enheterna, under 5 dollar per enhet, bättre täckning minst 20 dB bättre än GPRS. Som beskrivs av Regis J. Bates som en plattform för mobilöverföring inom GSM fram till 3G nät [5]
Ännu ett krav var att de skulle klara av 40 enheter i ett hushåll, låg batteriförbrukning, och en fördröjning på mindre än 10 sekunder i upplänk. Dessa mål har varit
fundamentet i utvecklingen av NB-IoT. Innan arbetet med NB-IoT fanns en annan påbörjad lösning för stora MTC system, så kallade LTE Cat-M1 system, vilket innehåller eMTC där e står för enhanced. Detta innebär att eMTC har en högre bithastighet än NB-IoT. eMTC har en breddare bandbredd, något som gör den till en dyrare teknik. eMTC är framtagen för en bredare grupp av applikationer än NB-IoT.
NB-IoT kan också tillåta stora MTC-system som innehåller många enheter där små kvantiteter data kan skickas.
En stor fördel med NB-IoT är att den kan användas i redan existerande LTE-band med en bandbredd på 200kHz och en upplänk på 30dB mer än LTE (se figur 1).
Man kan implementera NB-IoT i existerande nät på flera sätt: genom att byta ut en bärfrekvens i GSM eller som illustreras i figur 1, där NB-IoT ”in-band” placeras, d.v.s.
schemalägga NB-IoT och LTE i samma frekvensband.
NB-IoT kan också placeras i skyddsbandet mellan två av LTE:s bärfrekvensens, se figur 1 [4], [6].
6
Figur 1 NB-IoT:s frekvensspektra [7].
2.3 GPS
GPS står för Global Position System GPS och är ett system för att ange position på jorden och är det amerikanska systemet för satellitnavigation [8]. I Europa används systemet Galileo [9] som är den europeiska motsvarigheten till GPS, men man brukar ändå säga GPS eftersom GPS var först med denna typ av teknik. De flesta enheter stödjer båda systemen. Ett samlingsnamn för GPS och Galileo är Global Navigation Satellite System (GNSS), så sammanfattningsvis kan man säga att GNSS är ett samlingsnamn för hur tekniken fungerar, medan GPS och Galileo är olika satellitsystem. GPS utnyttjar satelliter som cirkulerar runt jorden, dessa
satelliter är utrustade med noggrant kalibrerade klockor för tid och datum. Data om satellitens position och tidsangivelser skickas sedan till en markstation på jorden.
Med utgångspunkt från de mottagna positions-och tidsangivelserna, kan markstationen få fram en tidsskillnad som man använder sig av för att beräkna avståndet till GPS satelliten. Genom att använda avståndet till flera satelliter, kan man med hjälp av trilateration bestämma en position [10], [8].
7
2.4 Hårdvara
Här presenteras bakgrunden av de hårdvarudelar som användes i projektet att beskrivas utförligare.
2.4.1 Rasperry Pi Zero W
Raspberry Pi Zero W är en liten mikrodator som är mindre än ett kreditkort och där W:et symboliserar att den stödjer trådlös kommunikation, mer exakt både Wifi och Bluetooth. Detta är en senare version av Raspberry Pi Zero då W:et indikerar en nyare version [11].
Raspberry Pi Zero W har två micro-usb-portar en för strömförsörjning som behöver en spänning på 5V för att fungera och en som kan användas på valfritt sätt, till exempel kan den användas till en usb-hub och man kan koppla in ett tangentbord och en mus. Raspberry Pi Zero W har också en HDMI-mini-port som kan utnyttjas för att ansluta en extern bildskärm, detta kan ses i figur 2 [12]. Man kan också se två rader av hål högst upp i figur 2 på Raspberry Pi:n som kan användas för seriell kommunikation.
Figur 2 Raspberry Pi Zero W:s kretskort [13].
8
2.4.2 NB-IoT expansionskortet
NB-IoT / Cat-M (eMTC) / GNSS HAT är ett expansionskort för Rasberry Pi (HAT) speciellt utvecklad för IoT-produkter, vilket gör att den stödjer både NB-IoT och eMTC. Detta expansionskort är ungefär lika stort som en Raspberry Pi Zero, vilket gör den perfekt för att sammankoppla den till en Raspberry Pi Zero.
Expansionskortet består av två antenner: en för LTE som kör NB-IoT och en andra antenn som består av en GNSS-antenn för GPS, vilket framgår i figur 3. Om man tittar på figuren så är den vita fyrkanten NB-IoT-Chippet. Chippet är ett SIM7080G [14] och sköter telekommunikationen. Expansionskortet har även en plats för ett SIM-kort men det syns ej i figur 3 då det sitter på undersidan av kretskortet [15].
Figur 3 NB-IoT Expansionskortet ovanför en Raspberry Pi Zero W med antenner [16].
9
2.4.3 Ultimate GPS USB PA6H
Ultimate GPS USB PA6H [17] är en GPS-modul som klarar av att spåra 22 satelliter på 66 kanaler med en uppdateringsfrekvens på upp till 10 Hertz, se figur 4. Denna GPS-modul kan också kopplas samman med en extern GPS-antenn för att förstärka signalen. GPS-modulen kan kopplas in via USB, modulen konverterar seriell till USB.
GPS-modulen har en precision på ca 3 meter. Modulen i sig är liten och smidig och kan strömförsörjas med 3,3 v eller 5v [17].
Figur 4 GPS-modul PA6H [18].
10
Kapitel 3
3 Design plattform
För att genomföra projektet så skulle en plattform tas fram som uppfyllde de krav som formulerats av TietoEvry i kapitel 1.
3.1 Design av mätinstrumentets hårdvara
Designen av hårdvaran är baserat på de krav som finns på hårdvaran:
• Plattformen skall gå att bära med sig mobilt i fält under en kortare period (2–3 timmar). Plattformen ska kunna drivas med en power bank
• Plattformen skall kunna koppla upp sig mot Telias NB-IoT nätverk [19].
• Plattformen skall kunna avgöra sin position genom att använda GPS.
För att kunna kommunicera med NB-IoT nätet, så använder sig SIM7080G av ett SIM-kort och ett abonnemang från Telia (för att kunna kommunicera i Telias NB-IoT nät). Raspberry Pi Zero W kommer att köra ett UNIX baserat operativsystem som då kommer kunna kommunicera med NB-IoT expansionskortet. Som fungerar som en sensor för att mäta signalstyrkan i nätet som läser in GPS-koordinater i form av longitud och latitud. Plattformen visualiseras i figur 5 där NB-IoT expansionskortet sitter ovanpå Raspberry Pi Zero W. Det är även en antenn inkopplad till NB-IoT expansionskortet.
11
Figur 5 Bild på mätinstrumentet.
3.2 Design av loggning
Loggningen av mätdata sker genom att Raspberry PI:n hämtar in mätdata från NB- IoT expansionskortet och GPS:en. Dessa mätvärden ska då på ett lämpligt sätt kunna sparas lokalt på vilken dator som helst exempelvis i en textfil. Krav på vad loggningen ska kunna göra är:
• Plattformen skall kunna mäta och spara signalstyrka med jämna tidsintervall.
• Varje mätning skall innehålla:
➢ Uppmätt signalstyrka.
➢ Ett klockslag för när mätningen gjordes.
➢ En GPS-koordinat för var mätningen gjordes.
• Även mätningar där ingen signal går att detektera skall sparas.
• Alla mätningar skall sparas permanent på en disk.
12
3.3 Design av visualisering
Designen av visualisering kommer att använda sig av någon form av färdig karttjänst, eftersom kartor är ett väldigt brett och komplicerat område då de
involverar många olika moment. Denna karttjänst som kommer att användas ska ha ett färdigt ramverk för kartkomponenten och den ska tillsammans med programkod kunna tillgodose dessa krav.
Kravlista för kartjänsten:
• Mätrapporteringen skall kunna visualiseras på en elektronisk karta som kan visas på en datorskärm.
• Inledningsvis räcker det att placera ut GPS-koordinater inhämtade mätdata.
• Inledningsvis så kan kartan vara statisk.
13
Kapitel 4
4 Implementation
I detta kapitel beskrivs hur designen och kravspecifikationen för plattformen implementeras. I figur 6 så visualiseras implementationen och dess gränssnitt.
Figur 6 kopplings och funktionalitetöversikt för mätinstrument.
4.1 Implementation av hårdvara
Implementationen av hårdvaran gick till på så vis att hårdvarukomponenterna kopplades samman, vilket visualiseras i figur 5, där NB-IoT expansionskortet sitter ovanpå Raspberry Pi:n och expansionskortet är inkopplat till en antenn som stödjer NB-IoT. Raspberry Pi:n som i sin tur ihopkopplad till en power bank för att kunna förses med ström, så man kan uppnå ett mobilt mätinstrument som man kan bära med sig i ett antal timmar enligt design kravet i 3.1. Raspberry Pi:n är också kopplat till GPS-modulen PA6H där även en extern antenn är inkopplad. Eftersom Raspberry Pi:n fungerar som en mikrodator, så installerades Raspberry Pi OS Lite [20] som är
14 ett operativsystem som är anpassad för Raspberry Pi Zero. Trots att Raspberry Pi kan köra andra operativsystem, så valdes Raspberry Pi OS Lite eftersom det är framtaget för Raspberry Pi Zero och var rekommenderat av uppdragsgivaren Johan Uttermalm. Det krävdes inte något speciellt av operativsystemet för att kunna
användas till denna plattform, utan en standardinstallation var tillräcklig.
Operativsystemet installerades på ett 32-GB mikro-SD för att få plats med både operativsystemet och mängder med loggningsdata. Det kan tyckas att 32-GB är lite väl mycket internminne för vad den ska användas till, men i detta fall så valde man att köra 32 GB och på så vis undvika att internminnet inte skulle räcka till. En annan fördel är att ingen av hårdvarudelarna är hårt knutna till varandra utan man skulle kunna använda NB-IoT expansionskortet i vilken dator som helst, så det behöver inte vara Raspberry Pi:n som den är kopplad till. På samma sätt är det med GPS- modulen. Eftersom denna möjlighet fanns, så testades alla komponenter separat innan de sattes ihop med Raspberry Pi:n för att underlätta plattformens utvecklande, eftersom Raspberry Pi:n kan vara lite långsam när det är hård belastning speciellt när många tester körs.
4.2 Plattformen
Raspberry Pi:n är kärnan i hårdvaruplattformen och eftersom det inte går att bära med sig skärm, mus och tangentbord på ett smidigt sätt krävs det att man kan fjärrstyra den mobila plattformen. Då kan man använda sig av SSH [21] för att kommunicera över samma nätverk som Raspberry Pi:n. För att kunna genomföra detta användes ett program som kallas VNC [22]. Detta program finns förinstallerat i operativsystemet, så att man enkelt kan kontrollera Raspberry Pi:ns funktionalitet.
Det fanns en del viktiga inställningar att göra i installationsfasen till exempel att öppna upp serieporten i Raspberry Pi:n. Genom att följa Wiki-dokumentation från tillverkaren av NB-IoT expansionskortet, så rekommenderas att man ställer in Raspberry Pi:n, så att man inte behöver ange lösenord för serieporten när man öppnar upp porten. Detta gjordes enligt de instruktionerna som fanns i
dokumentationen. Man behöver även installera några Python-bibliotek ”python serial” och ”RPi.GPIO” [23].
15 Där ”python serial” är till för att kommunicera över den seriella porten. ”Rpi.GPIO”
kontrollerar GPIO (GPIO står för General Purpose Input/Output), vilket är själva hålen på Raspberry Pi:n som kan ses i figur 2 och en beskrivning av hålen figur 6.
För utvecklingsmiljön i Raspberry Pi:n valdes Thonny [24] som IDE (Integrated development environment) och programmeringsspråket Python. Utvecklingsmiljön valdes då det var förinstallerat i operativsystemet tillsammans med Python. Python är den rekommenderade språket enligt dokumentationen för NB-IoT
expansionskortet. Även det var förinstallerat i operativsystemet. Valet att använda Python togs inte bara för att det redan var förinstallerat, utan för att underlätta då både GPS-modulen och NB-IoT expansionskortet hade färdiga ramverk och exempel på Python.
4.3 Implementation av loggningsprogram
Som tidigare beskrivits i kapitel 4.2, så användes Python för att skapa programmet och för att logga mätdata. Genom användning av Python kan man kommunicera med GPS-moduler och NB-IoT expansionskortet. Genom användningen av ”python serial” som gör att Raspberry Pi:n kan sända kommandon över Rasberry Pi:ns seriella port med UART som är en enhet för seriell- och parallell data, som innebär att man kan sända och ta emot information. Dessa instruerar då GPS-modulen och NB-IoT expansionskortet om vad de ska sända tillbaka för data.
4.3.1 GPS-modulen
Till GPS-modulen skickas ett kommando över det seriella gränssnittet, där man enligt GPS-modulens dokumentation anger vilken typ av data som man vill ha och hur fort data ska uppdatera sig från GPS-modulen [25].
Enligt designspecifikationen ska det gå ett antal sekunder mellan mätningarna som görs och i detta fall valdes en tidsintervall på 4 sekunder, efter enklare typer av tester. Totalt kan man säga att mätningarna från GPS och NB-IoT görs med 5 sekunders mellanrum, men detta går givetvis att ändra efter behov. GPS-data skickas sedan tillbaka i form av NMEA sentence som beskrivs av Richard B Langley
16 i NMEA 0183 A GPS Receiver Interface Standard är en GPS mottagares gränssnitts standard. NMEA står för National Marine Electronics Association, men används inte bara för hav utan även för land- och luftnavigering [26] från GPS-modulen som med hjälp av biblioteksfunktioner kan konverteras till att bara utläsa longitud och latitud på ett enkelt sätt.
4.3.2 NB-IoT expansionskortet
Expansionskortet för NB-IoT fungerar på ett liknande sätt som GPS-modulen.
Instruktioner skickas över det seriella gränssnittet via Rasberry Pi:ns GPIO-hål till expansionskortet för NB-IoT. Eftersom SIM7080G använder sig av AT- kommandon som enligt Wikipedia är ett programspråk som består av små textsnuttar som kan användas för att styra telefonmodem [27]. AT-kommandon kommer att skickas över det seriella gränssnittet så NB-IoT expansionskortet förstår vad den ska göra och enligt designspecifikation så ska den hämta signalstyrka från NB-IoT-nätet.
4.3.3 Loggning
Loggningen genomfördes på så vis att kommandon skickades över den seriella porten och sänder tillbaka data i form av mätvärden och loggningen sparades till samma textfil. Den loggade informationen lagrades lokalt på datorn enligt
designspecifikationen för loggning, se figur 7, där vi först sparar latituder och
longituder för var plattformens geografiska position befinner sig. Denna data kommer från GPS-modulen och har en noggrannhet på 6 decimaler som motsvarar en
osäkerhet på ungefär 11 cm. Värdet man får fram har inget med osäkerheten av den faktiska positionen av mätinstrumentet att göra, utan bara noggrannheten i longitud- och latitud.
Den data som skickas från NB-IoT expansionskortet till Rasperry Pi:n skall läggas in i loggfilen efter positionen “AT+CENG?” (som är AT-kommandot som skickades till NB-IoT expansionskortet) se figur 7. Detta följs sedan av svaret från NB-IoT
“+CHENG: 1,1,1,LTE NB-IoT” där enligt dokumentationen för SIM7080 betyder
17
“+CHENG: <mode>,<Ncell>,<cell num>,<System Mode>”
<mode> - enginering mode är på eller av.
<Ncell> - cell id
<cell num> - antalet celler
<system mode> - vilket läge som körs där LTE NB-IoT betyder att man kör NB-IoT.
Nästa rad med information i figur 7 från NB-IoT expansionskortet är “+CHENG:
<cell>,”<earfcn>,<pci>,<rsrp>, <rssi>,<rsrq>,<sinr>,<tac>,<cellid>,<mcc>,<mnc>,<tx power>”
<cell> - cellnummer, 0 = serving cell, 1-6 neighbouringcell
<earfcn> - E-ultra och är det absoluta radiofrekvenskanal för att söka efter NB-IoT celler.
<pci> - ”verklig cell id
<rsrp> referenssignal mottagen
<rssi> signalstyrkan
<rsrq> mottagen referenssignals kvalité
<sinr> signal interferens och signalstörning
<tac> tracking area code
<cell id> cell id
<mcc> mobile country code
<mnc> mobile network code
<tx power> power värde och är bara betydande när NB-IoT expansionskortet är i trafik [28].
Detta kan då följas av flera rader som gäller samma mätning men avser närliggande celler, men det är den översta cellen som är den så kallade serving cell.
Därefter kommer en tidsstämpel vilket anger när mätningen gjordes i form av (“Time:”). Varje mätning åtskiljs med hjälp av bindestreck, för att separera mätningarna se figur 7.
18
Figur 7 loggnings formatet i logg filen.
4.4 Implementation av visualiseringsprogram
Visualiseringsprogrammet skrevs i Java och är uppbyggt ovanpå ett existerande ramverk för öppen källkod som heter jxmapviewer2. Detta GitHub-projekt är i sig ett visualiseringsprogram för kartor, där kartorna kommer i från det öppna
källkodsprojektet OSM som står för OpenStreetMap [29] och som är gratis att
använda. Att programmet är kostnadsfritt att använda var en av anledningarna till att denna lösning valdes. Anledningen till att inte Google Maps [30] användes i arbetet har att göra med att Google har blivit allt restriktivare med användningen av deras API. De tar betalt för varje API-anrop om det inte handlar om en Android-app, så anses det som en onödig utgift speciellt innan man har en färdigställd prototyp.
jxmapviewer2 fungerar genom att visa en karta som man kan navigera igenom, med hjälp av att zooma in och ut och givetvis svepa runt. jxmapviewer2 har även
inbyggda utformningar av markörer som kan sättas in på en karta. En förutsättning för att visualisera positionerna på en karta är att ett textdokument med genererade mätdata är tillgänglig. För att programmet ska kunna förstå loggningsformatet, se figur 7, så finns en översättningsmodul (parser) implementerad. Programmet lägger in positionen på kartan i en lista och signalstyrkan i en annan separat lista. Denna översättningsmodul interagerar sedan med jxmapviewer2 och sätter ut markörer för
19 signalstyrkan på de positioner som finns se figur 8.
Figur 8 visualisering programmet med markörer.
20
Kapitel 5
5 Resultat
Utvecklingen av hårdvaran till mätinstrument kunde slutföras utan att behöva frångå några av de krav som ställts av TietoEvry. Det hade krävts mer tid för att finjustera mätningarna, så att man kunde ha fått en överblick i hur bra mätinstrumentets
precision är. Problemet är att testning av mätinstrumentet är väldigt tidskrävande, då man använder sig av komplicerade synkroniseringssekvenser för den seriella
kommunikationen mellan de olika hårdvarukomponenterna som måste samköra på samma interface. Varje liten ändring kan få stora konsekvenser för resultatet, plus att alla delar inte har gått igenom en ordentlig testning. Exempelvis så har inte power banken använts i ett antal timmar för att se om den möter kravställningen, utan är mer bedömd på att det står att den har en kapacitet på upp till 6 laddningar för en mobiltelefon. Vilket inte säger mycket, men mätinstrumenten har lyckats med tre större test-mätningar som varade någonstans runt 30 minuter vardera. Dessa större testmätningar är illustrerade i figur 9 och illustrerar en så kallad “proof of concept”, så det är ingen verklig mätning som kan användas i en undersökning av NB-IoT. Då dessa mätningar som utförts var med ett mätinstrument som inte har gått igenom tillräckligt med tester och kalibreringar.
21
Figur 9 en testmätning över ett skogsområde.
5.1 Utvärdering implementation
Överlag så tog hela projektet längre tid än enligt planeringen av implementationen. I slutändan så blev implementationen mer komplicerad, då det fanns problematik med timingen för hur den seriella porten användes i Raspberryn Pi:n, då Raspberry Pi:n bara har en UART för kommunikation med andra komponenter.
5.1.1 Utvärdering loggning
Loggningen av mätdata visar på förväntade resultat när det kommer till vad NB-IoT expansionskortet är kapabelt till. Allt som ansågs viktigt loggades enligt
kravställningen och även den data som inte används i nuläget lagrades på ett enkelt och permanent sätt. Mätdatan är enkel att avläsa och då plattformen loggar allt, mer
22 än som vad är relevant för uppgiften, vilket gör att vidareutvecklingen blir enklare eftersom den redan innehåller data som inte används av visualiseringen idag. Det man kan göra vid en eventuell vidareutveckling är att arbeta vidare med precisionen av loggningen och använda den data i loggningen som man inte redan använder i visualiseringen.
5.1.2 Utvärdering visualisering
Visualiseringen kan man säga är området där det finns mest utvecklingspotential i framtiden, då visualiseringsprogrammet i dagsläget endast gör det möjligt att grafiskt åskådliggöra mätpunkter på en elektronisk karta. I kartan kan man zooma in och ut, men även svepa runt. En annan sak är att loggningen är mer förbered för framtiden, vilket innebär att man loggar mera mätvärden än vad som används i visualiseringen i nuläget (se kapitel 4.3.3). Då man bara visualiserar signalstyrkan i punkter på kartan (se figur 8).
23
Kapitel 6
6 Slutsats
6.1 Projektutvärdering
Målet med projektet har uppnåtts, då plattformen uppfyller kraven i kravställningen.
Däremot kan givetvis mätinstrumentets förmåga diskuteras, eftersom precisionen inte har testats i tillräcklig utsträckning. Detta tillsammans med att mätinstrumentet har begränsad batteritid har gjort att någon översiktlig mätning av signalstyrka över täckningskartan av Telias NB-IoT nät i Värmland har ej utförts. En annan orsak är att det även skulle ta en hel del tid att genomföra dessa tester, tid som helt enkelt inte fanns.
6.2 Problem
Detta projekt har kantats av det ena problemet efter det andra, man kan börja med att berätta att detta projekt genomfördes under tiden av den globala pandemin Covid-19, som skapar svårigheter på en arbetsplats. Möten och dylikt var svårt att utföra på plats utan fick ske digitalt. Problem som lätt beskrivs med bilder på en Whiteboard, är svåra att beskriva i mail. Andra svårigheter var försenade leveranser av de hårdvarudelar som användes i projektet. Det var delar som saknades vid leverans, det var nämligen en antennkabel som saknades i beställningen av NB-IoT- expansionskortet. Detta gjorde att det tog väldigt lång tid att få tillgång till alla delar som projektet krävde.
NB-IoT-expansionskortets dokumentation var under all kritik, då det var en väldigt begränsad dokumentation som var översatt från kinesiska till engelska. Från början var det tänkt att NB-IoT expansionskortet skulle klara av att köra både GPS och NB- IoT för att kartlägga signalstyrkan, men efter testningar så visade det sig att det inte var möjligt att utföra. Jag skickade även ett mejl till Waveshare som är tillverkare av NB-IoT expansionskortet, och fick som svar att det inte fanns möjlighet att köra GPS
24 och NB-IoT samtidigt med det expansionskortet. Waveshare hänvisar istället till expansionskortet med SIM7600x, men det kortet verkar inte använda sig av NB-IoT, utan 4G. För att komma vidare med arbetet, beslutades det att GPS-modulen skulle införskaffas som ett komplement till mätinstrumentet och som ett komplement till NB- IoT expansionskortet. Istället för att använda hålen på Raspberry Pi:n som kan ses i figur 2, så används mikro-usb-porten istället för GPS:en.
6.3 Framtida arbete
Jag ser många utvecklingsområden i framtiden kring detta projekt. Hur viktiga utvecklingsområdena är kan diskuteras, då jag mer ser detta projekt som en
“stepping stone” för andra arbeten som involverar NB-IoT. Detta projekt gick ut på att ta fram ett mätverktyg för NB-IoT för att man ska kunna utvärdera den verkliga
täckningen av NB-IoT. Det finns möjligheter för det här mätinstrumentet att
utvecklas, det är framförallt utveckling av visualiseringen, men det skulle även kunna läggas lite extra arbete på loggningsdelen som exempel:
• Plattformen bör då kunna mäta och spara dataöverföringshastigheter på samma format som signalstyrkan.
• Kartan bör kunna interpolera mellan mätpunkter för signalstyrka/dataöverföring.
Signalstyrka:
• Fel frekvens under random access-proceduren.
• Täckningsnivå (CE).
• Antal repitioner.
• Modulationsnivå.
Plattformen bör kunna bäras längre perioder i fält (8–10 timmar).
25
Referenser
[1] ”Raspberrypi,” [Online]. Available:
https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-zero-w/. [Använd 14 December 2020].
[2] ”Wikipedia,” [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things.
[Använd 10 oktober 2020].
[3] ”3GPP,” [Online]. Available: https://www.3gpp.org/about-3gpp. [Använd 10 oktober 2020].
[4] S. Landström; J. Bergström; E. Westerberg; D. Hammarwall, ”NB-IoT: a sustainable technology for connecting billions of devices,” Ericsson Technology Review, 25 April 2016.
[5] R. J. Bates, GPRS - General Packet Radio Service, New York: McGraw-Hill, 2001.
[6] E. Dahlman, S. Parkvall och J. Sköld, ”4G, LTE-advanced pro and the road to 5G, 3rd ed,” San Diego, CA:, Academic Press, 2016, pp. 433-439.
[7] ”rfwireless-world,” [Online]. Available: https://www.rfwireless-
world.com/images/NB-IoT-Frequency-Spectrum.jpg. [Använd 14 December 2020].
[8] ”Wikipedia,” [Online]. Available: https://sv.wikipedia.org/wiki/Satellitnavigation.
[Använd 2 November 2020].
[9] ”Wikipedia,” [Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_(satellite_navigation). [Använd 14 December 2020].
[10] ”Wikipedia,” [Online]. Available:
https://sv.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System. [Använd 2 November 2020].
[11] M. Brian, ”engadget,” 28 Februari 17. [Online]. Available:
https://www.engadget.com/2017-02-28-raspberry-pi-zero-w-is-a-10-computer- with-wifi-and-bluetooth.html. [Använd 8 December 2020].
[12] M-Short, ”learn.sparkfun,” [Online]. Available:
https://learn.sparkfun.com/tutorials/getting-started-with-the-raspberry-pi-zero- wireless/all. [Använd 8 December 2020].
[13] ”Asset.conrad,” [Online]. Available:
https://asset.conrad.com/media10/isa/160267/c1/-
/sv/1693283_BB_01_FB/image.jpg. [Använd 14 December 2020].
[14] ”Simcom,” [Online]. Available:
https://www.simcom.com/product/SIM7080G.html. [Använd 23 December 2020].
[15] ”Waveshare,” [Online]. Available: https://www.waveshare.com/sim7080g-cat- m-nb-iot-hat.htm. [Använd 8 December 2020].
[16] ”Waveshare,” [Online]. Available:
https://www.waveshare.com/media/catalog/product/cache/1/image/800x800/9d f78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/s/i/sim7080g-cat-m-nb-iot-hat-5_2.jpg.
[Använd 14 December 2020].
26 [17] ”Adafruit,” [Online]. Available: https://www.adafruit.com/product/746. [Använd 8
December 2020].
[18] ”Elfa,” [Online]. Available: https://www.elfa.se/sv/ultimate-gps-med-usb- delningskort-adafruit-4279/p/30155848. [Använd 14 December 2020].
[19] ”Telia,” [Online]. Available: https://www.telia.se/foretag/trender-och-
nytta/2018/mars/narrowband-for-iot-och-det-hallbara-samhallet. [Använd 14 December 2020].
[20] ”Raspberrypi,” [Online]. Available:
https://www.raspberrypi.org/software/operating-systems/. [Använd 14 December 2020].
[21] ”Wikipedia,” [Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/wiki/SSH_(Secure_Shell). [Använd 14 December 2020].
[22] ”Realvnc,” [Online]. Available:
https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/. [Använd 14 December 2020].
[23] ”Waveshare,” [Online]. Available:
https://www.waveshare.com/wiki/SIM7080G_Cat-M/NB-IoT_HAT. [Använd 8 December 2020].
[24] ”Thonny,” [Online]. Available: https://thonny.org/. [Använd 23 December 2020].
[25] l. ada, ”Adafruit,” 4 September 2020. [Online]. Available: https://cdn- learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit-ultimate-gps.pdf. [Använd 8 December 2020].
[26] R. B. Langley, ”NMEA 0183: A GPS Reciver Interface Standard,”
INNOVATION GPS world, 1995.
[27] ”Wikipedia,” [Online]. Available:
https://en.wikipedia.org/wiki/Hayes_command_set. [Använd 8 December 2020].
[28] SIMCom, ”Waveshare,” 26 Februari 2020. [Online]. Available:
https://www.waveshare.com/w/upload/3/39/SIM7080_Series_AT_Command_
Manual_V1.02.pdf. [Använd 8 December 2020].
[29] ”OpenStreetMap,” [Online]. Available:
https://www.openstreetmap.org/#map=5/62.994/17.637. [Använd 23 December 2020].
[30] ”Developers.google,” [Online]. Available:
https://developers.google.com/maps/documentation/javascript/overview.
[Använd 14 December 2020].
27
