31、物联网服务测试架构与可持续无线宽带接入研究

物联网服务测试架构与可持续无线宽带接入研究

物联网服务测试架构

在物联网服务创建和提供过程中，测试是确保服务质量的关键环节。测试用例使用标准化的测试控制符号版本3（TTCN - 3）语言进行描述，并结合基于语义服务描述的IOPE条件生成的测试数据，通过测试用例编译器生成可执行代码。

测试执行环境（TEE）是协调测试流程的核心组件，它负责测试执行，并在目标环境的受控和模拟条件下执行被测系统（SUT）。沙箱确保SUT可以在测试环境中执行，并在测试执行期间进行操作。TEE和沙箱的分离使得测试能够以分布式方式执行。SUT接口与TEE和网络模拟接口相连，这使得来自或发往SUT的每条消息都可以在延迟和数据包丢失方面进行操作，以评估其鲁棒性。运行时行为的改变通过执行运行时模拟实现，以确保识别潜在的服务级别协议（SLA）违规。资源模拟接口实现了SUT在沙箱内的严格隔离，它封装了与外部Web服务或物联网资源的接口。

案例研究

以一个简单的服务为例，该服务的目标是当用户接近家时打开暖气。服务由距离事件启动并存储当前距离，定时器事件触发后测量第二个距离，若第二个距离小于第一个距离则打开暖气，用户可以通过请求“TurnOff”关闭暖气。

为了测试该服务，需要服务的行为模型以及对其与外部服务（如距离测量）和物联网资源（如暖气）接口的模拟。
- 行为模型推导 ：服务的行为模型基于扩展有限状态机（FSM），以输入函数作为转换，并附带复杂的数据模型。自动推导行为模型利用了多种知识的组合，包括业务流程描述、语义服务描述和服务接地。具体步骤如下：
1. 识别状态变量及其有效范围（基于数据类型或前置条件）。
2. 根据状态变量的分区识别初步状态（如前置条件“distanceToHome < 10 km”）。
3. 根据规则描述中的保留字确定输入和输出函数。
4. 识别转换的前置和后置状态。
- 外部服务模拟 ：为了孤立地测试服务，需要模拟与外部（Web）服务的连接。当SUT处于模拟模式时，它通过RESTful接口将请求发送到模拟组件。例如，资源模拟接口能够将所需的距离插入到SUT中。
- 物联网资源模拟 ：对物联网资源的访问模拟类似于对外部服务的调用。需要两个主要步骤：
1. 根据接口描述插入代码。
2. 以与服务接口类似的方式创建行为模型。

插入的代码包括单例测试控制器类、资源模拟接口以及与物联网资源通信的方法封装。资源模拟接口处理来自模拟物联网资源的所有数据插入，并调用SUT内的重载方法。

创建资源模拟接口和SUT模型后，可以创建具体的测试用例。基于所需的测试覆盖率，路径搜索算法从扩展FSM中提取测试用例，并使用终止条件避免无限循环。创建的测试用例使用TTCN - 3语言编码，TTworkbench控制测试执行。测试执行从服务和模拟组件的初始化开始，通过资源模拟接口将距离插入SUT，触发相应事件，服务的反应表明其行为是否正确。

以下是物联网资源模拟概念和简化有限状态机的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(System Under Test):::process --> B(Service Interface):::process
    A --> C(IoT/external Resource Interface):::process
    C --> D(IoT/external Resource Emulation Interface):::process
    D --> E(Test Controller):::process
    B --> F(Service Logic):::process
    C --> G(Resource Request):::process
    D --> H(Overload Resource Request):::process
    subgraph States
    style States fill:#ffffff,stroke:#000000,stroke-width:1px;
    I(INITIAL):::process --> J(DISCOVER):::process
    J --> K(HEATING):::process
    J --> I
    K --> I
    end
    L(DistanceEvent):::process --> I
    M(TimingEvent):::process --> J
    N(Calculate1<br/>(distance1 > distance2)):::process --> K
    O(Calculate2<br/>(distance1 <= distance2)):::process --> I
    P(TurnOff):::process --> I

可持续无线宽带接入

在全球经济和人口持续增长的背景下，生态可持续性至关重要。移动宽带网络面临着流量的指数级增长，其可持续性受到挑战。欧洲资助的第七框架计划（FP7）项目EARTH研究了流量增长对移动宽带网络能源消耗和碳足迹的影响。

项目背景

欧盟的“欧洲2020战略”旨在实现智能、可持续和包容性增长，信息和通信技术（ICT）被认为是实现这一增长的关键驱动力。移动设备对未来互联网的访问将占据主导地位，但流量的爆炸式增长对网络的可持续性提出了挑战。随着流量的增加，能源消耗和碳足迹也相应增加，而能源价格的波动使得网络运营成本上升，这表明网络增长的可持续性面临风险。

EARTH项目由15个来自工业界、中小企业和学术界的合作伙伴共同参与，旨在提高移动通信基础设施的能源效率。项目的总体目标是在不降低服务质量的前提下，将网络能源消耗降低50%。

社会经济影响分析

EARTH开发了一种方法，能够准确量化2007 - 2020年期间移动通信的全球碳足迹，并考虑了整个网络生命周期。
- 全球移动通信碳足迹
- 到2020年，移动通信的总体碳足迹几乎呈线性增长，每年增加11 Mto CO2e，相当于250万户欧盟家庭的年排放量。2020年的排放量将超过235 MtoCO2e，超过英国目前年排放量的三分之一。
- 2007年，RAN运营是碳足迹的最大贡献者，但到2020年，移动设备制造将在总体碳足迹中占据相同份额。这是因为智能手机和笔记本电脑的碳足迹分别是普通手机的近两倍和十倍。
- 从2007年到2020年，每个移动订阅的年数据流量预计将从0.3 GBytes/年大幅增加到100 GBytes/年。与流量的指数级增长相比，全球碳足迹的线性增长相对温和，这得益于小基站带来的网络容量增加、未来移动标准中频谱效率和带宽的提高以及现有未使用的容量。
- 预计2020年将有1亿个毫微微蜂窝，其年耗电量约为4.4 TWh，不到2020年全球RAN运营预计耗电量的5%。只有当毫微微蜂窝的数量达到数十亿或更多时，其碳排放量才会变得显著。
- 即使到2020年存在大量的M2M通信设备，其制造和运营的碳足迹也将很小。
- RAN能源消耗及EARTH技术的潜在影响 ：在每年效率提高8%的参考情况下，与2012年相比，2020年RAN能源消耗将增加约28%。

以下是移动数据流量每月增长情况的表格：
| 年份 | 移动数据流量（每月） |
| ---- | ---- |
| 2012 | [具体数据] |
| 2014 | [具体数据] |
| 2016 | [具体数据] |
| 2018 | [具体数据] |

EARTH项目的研究成果为能源高效无线接入这一成熟的科学工程学科奠定了基础，目标是在IETF和3GPP进行标准化，对学术研究趋势产生了重大影响，并将很快反映在欧洲电信行业的产品和部署中。

物联网服务测试架构与可持续无线宽带接入研究

EARTH方法论与解决方案

为了实现减少网络能源消耗的目标，EARTH采用了一系列方法来评估不同解决方案对网络能源消耗的影响，并提出了有效集成解决方案的方法。

EARTH评估方法

EARTH开发了一套评估方法，用于分析不同解决方案对网络能源消耗的影响。该方法考虑了网络的多个方面，包括无线接入网（RAN）、核心网以及终端设备等。通过建立详细的模型，模拟不同解决方案在不同场景下的应用，从而评估其对能源消耗和碳足迹的影响。

具体评估步骤如下：
1. 定义场景 ：根据不同的网络部署和业务需求，定义多种场景，如城市密集区、郊区、农村等。
2. 选择解决方案 ：确定EARTH项目中提出的各种解决方案，如基站节能技术、网络优化算法等。
3. 建立模型 ：基于场景和解决方案，建立网络能源消耗模型，考虑网络拓扑、业务流量、设备性能等因素。
4. 模拟运行 ：在模型中模拟不同解决方案的应用，计算网络的能源消耗和碳足迹。
5. 评估结果 ：比较不同解决方案的评估结果，确定最有效的解决方案组合。

无线接入网解决方案

在无线接入网方面，EARTH提出了多种解决方案来提高能源效率。
- 基站节能技术 ：通过调整基站的发射功率、关闭空闲基站或部分载波等方式，减少基站的能源消耗。例如，采用智能功率控制算法，根据业务流量动态调整基站发射功率。
- 小基站部署 ：增加小基站的部署，如微微基站和毫微微基站，以提高网络容量和覆盖范围，同时降低能源消耗。小基站的功率相对较低，能够更有效地满足局部区域的业务需求。
- 频谱效率优化 ：通过优化频谱分配和调制解调技术，提高频谱效率，减少单位流量的能源消耗。例如，采用先进的多输入多输出（MIMO）技术和载波聚合技术。

以下是无线接入网解决方案的对比表格：
| 解决方案 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- |
| 基站节能技术 | 降低基站能源消耗，减少运营成本 | 可能影响覆盖范围和服务质量 |
| 小基站部署 | 提高网络容量和覆盖范围，降低能源消耗 | 增加部署成本和管理复杂度 |
| 频谱效率优化 | 提高频谱利用率，减少单位流量能源消耗 | 需要先进的技术支持和设备升级 |

网络层解决方案

在网络层，EARTH提出了一些解决方案来优化网络架构和流量管理，以提高能源效率。
- 网络拓扑优化 ：通过优化网络拓扑结构，减少传输链路的长度和数量，降低传输能耗。例如，采用分布式架构和软件定义网络（SDN）技术。
- 流量管理策略 ：实施智能流量管理策略，根据业务优先级和时间动态分配网络资源，避免资源浪费。例如，采用流量调度算法和缓存技术。
- 绿色数据中心建设 ：建设绿色数据中心，采用高效的服务器和存储设备，优化数据中心的冷却系统，降低数据中心的能源消耗。

以下是网络层解决方案的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(核心网):::process --> B(传输网):::process
    B --> C(无线接入网):::process
    C --> D(终端设备):::process
    E(网络拓扑优化):::process --> A
    E --> B
    E --> C
    F(流量管理策略):::process --> A
    F --> B
    F --> C
    G(绿色数据中心建设):::process --> A

解决方案集成

EARTH项目强调将各种解决方案集成到一个综合解决方案中，以实现最大的能源节省。集成过程需要考虑多个因素，如解决方案之间的兼容性、互操作性以及对网络性能的影响。

集成原则

• 兼容性 ：确保不同解决方案之间能够相互兼容，避免冲突和干扰。
• 互操作性 ：实现不同解决方案之间的互操作，使得它们能够协同工作，提高整体效率。
• 性能优化 ：在集成过程中，对网络性能进行优化，确保服务质量不受影响。

集成步骤

1. 需求分析 ：明确网络的业务需求和能源节省目标，确定需要集成的解决方案。
2. 方案设计 ：根据需求分析结果，设计集成方案，考虑解决方案的组合方式和接口标准。
3. 系统实现 ：按照集成方案，实现各个解决方案的集成，并进行测试和验证。
4. 优化调整 ：根据测试结果，对集成方案进行优化调整，确保系统的稳定性和性能。

通过以上步骤，EARTH项目实现了各种解决方案的有效集成，在不降低服务质量的前提下，将网络能源消耗降低了50%。

结论

物联网服务测试架构为物联网服务的创建和提供提供了有效的测试手段，通过模拟外部服务和物联网资源，能够准确评估服务的性能和可靠性。而EARTH项目在可持续无线宽带接入方面的研究成果，为解决移动宽带网络的能源消耗和碳足迹问题提供了可行的方案。通过评估不同解决方案的效果，并将其集成到综合解决方案中，能够实现网络能源消耗的显著降低，为实现可持续的网络增长奠定了基础。这些研究成果不仅对欧洲电信行业具有重要意义，也为全球通信行业的可持续发展提供了借鉴。未来，随着物联网和移动通信技术的不断发展，相关的测试架构和节能技术也将不断完善和创新。