В статье «Сравнительный анализ технологий мобильной связи» (БТ №2'2016) авторы представили обзор поэтапного развития сетей сотовой связи. В данном материале представлены 2G/3G/4G-модули Cinterion (Gemalto M2M).
Краткая история компании Gemalto M2M
В 1994 г. компания Siemens communications выпустила первые М2М сотовые модули. После этого Siemens communication была преобразована в отдельную компанию Cinterion, которая в 2010 г. выпустила первый SMT-модуль для автомобильного применения. На текущий момент Cinterion входит в крупный холдинг Gemalto, имеющий более 10 тыс. сотрудников в 43 странах мира.
Помимо разработки и производства сотовых модулей, Gemalto выпускает системы безопасности, электронные карты, электронные паспорта, банковские карты, смарт-карты и т. д. На сегодня в производственной программе компании Cinterion имеется около 40 различных модулей в трех линейках: Industrial, Industrial Plus, Automotive.
Модули серии Industrial
На рисунке 2 представлено семейство модулей линейки Industrial. Все они имеют одинаковый форм-фактор (условно называемый BGS2) и pin-2-pin совместимы.
- 2G-модуль BGS2 предназначен для бюджетных применений;
- BGS5 отличается от BGS2 наличием встроенной Java-платформы;
- EHS5 работает с 3G и также имеет Java-платформу, что позволяет строить на основе двух последних модулей самодостаточные системы. Из программы пользователя на Java можно использовать разнообразные интерфейсы для обмена данными с внешними устройствами, обработки этих данных и передачи их по каналам связи. Особо следует отметить и наличие режимов загрузки «по воздуху» новых версий как микрокода, так и программ пользователя, что радикально сокращает стоимость поддержки устройств на основе этих модулей.
- 4G-модуль ELS31 запланирован к продаже в 2016 г.
Функции и особенности BGS2 и EHS5-E
Основные характеристики модулей BGS2-E и EHS5-E (Rel. 3) приведены в таблице 1:
| Параметры | BGS2-E (Rel. 3) | EHS5-E (Rel. 3) |
| Частотные диапазоны | GSM 900/1800 | GSM 900/1800, UMTS/HSDPA 900/2100 |
| Скорость передачи | GPRS класс 12 |
GPRS класс 12, HSDPA DL 7,2 Мбит/с/UL 5,7 Мбит/с |
| Интерфейсы |
2х последовательных интерфейса 1х аналоговый (аудио) 1х цифровой 6х GPIO 1.8 V I²C ADC |
2х последовательных интерфейса |
| Питание, В | 3.3...4.5 | |
| Потребление |
1,2 мA Режим Sleep (DRX=9) 0,97 А пиковый ток питания на GSM 1800 1,35 А на GSM 900 |
1,2 мA Режим Sleep (DRX=9) 1,1 А пиковый ток питания на GSM 1800 2,3 А на GSM 900 |
|
Диапазон рабочих температур, °C |
–40…+90 | |
| TCP/IP-стек |
TCP server/client/transparent, UDP client/ transparent, HTTP, FTP, SMTP, POP3 |
TCP client/listener, UDP client/endpoint, HTTP, FTP, SMTP |
| Габариты, мм | 18,8×26,7×2,7 | |
Общие для обоих модулей специальные функции:
- Informal Network Scan — сканирование GSM-сети
- Jamming Detection — определение глушения сигнала
- PING Command — проверка целостности и качества соединений
- Audio Prompt — воспроизведение, сохранение, удаление аудиофайлов
- SSL-протокол — безопасная передача данных
- DTMF — встроенный декодер
- Split Power Supply — раздельное питание цифровой и радио части (в BGS2-E функция появилась в третьем релизе)
- Audio loop function – функция тестирования аудиотракта.
Кроме того, в модуле BGS2-E предусмотрены:
- Fast Shutdown (более быстрое и безопасное выключение GSM-модуля)
- Adaptive CellLock (функция привязки модуля к базовой станции)
- Triangulation — определение местоположения GSM-модуля
- Fast SIM switch (быстрая регистрация в сети, для двух SIM-карт — быстрая перерегистрация, функция появилась в третьем релизе)
МодульEHS5-E оснащен такими функциями, как: Java embedded (встроенная Java-платформа) и «ЭРА–ГЛОНАСС»/eCall. Отличаются модули объёмом встроенной памяти: 10 Мбайт flash EHS5-E и 2 Mбайт flash у BGS2-E. В BGS2 имеется аналоговая аудиочасть, а в EHS5 —только цифровая. Кроме того, в EHS5 естьUSB-интерфейс 2.0.
В таблице 2 приведено сравнение интерфейсов BGS2 и EHS5:
| BGS2 | EHS5 | ||
| ASC0 логический уровень | 2.85 или 1.8 В | 1.8 В | |
| ASC1 логический уровень | 1.8 В | ||
| Аудио | Аналоговый | Есть | нет |
| Цифровой | PCM/I2C 1,8 или 2,85 В | PCM 1,8 В | |
| USB | Нет | USB 2.0 | |
| Выход сигналов |
10 GPIO 1,8 или 2,85 В I²C 1,8 или 2,85 В |
5+12 GPIO 1,8 В I²C 1,8 В SPI — 1,8 В |
|
| Интерфейс SIM | 3 или 1,8 В (встроен ESD) | 3 или 1,8 В | |
| ADC1 Vmax | 3,3 В | 1,2 В | |
Антенный интерфейс EHS5 и BGS2
На рисунке 3 показаны особенности антенных интерфейсов модулей. Видно, что чувствительность приёмника EHS5 выше на 3 дБ.Эта небольшая цифра на практике означает удвоение мощности сигнала и увеличение примерно в полтора раза дальности уверенного приема, что позволяет либо уменьшить мощность передатчика соты, либо увеличить линейный размер соты. Как будет показано далее, более высокая чувствительность приводит к большему числу обнаруженных при сканировании базовых станций (БС). Более высокая чувствительность обусловила особые рекомендации производителя по монтажу EHS5: не следует использовать разведённую на плате антенну, надо применять либо чип-антенну, либо внешнюю. Указанное ограничение касается только режима 3G.
Функция разнесённого приёма (Antenna diversity) означает возможность использовать две или более антенн для улучшения характеристик канала приёма/передачи. Идея в том, что сигнал от антенн, расположенных в пространстве в разных точках, идёт по разным путям и подвергается разным затуханиям и искажениям. Это позволяет выбрать наилучший сигнал на приёмном конце. Если на БС использовать две или более приёмных антенны, то получится, что при ограниченной мощности абонентского устройства БС получит возможность лучше «слышать» сигнал от передатчика.
Для абонентского устройства, особенно подвижного, множество антенн трудно применить, поскольку имеются серьёзные ограничения по месту и размерам, то есть антенны сложно разнести на достаточное расстояние. Следует отметить, что этот режим в EHS5 не использован, но в более дорогих модулях на чипсете QUALCOMM он имеется.
Питание модулей, токи потребления
Качественная система питания для модулей очень важна, поскольку ток потребления может достигать нескольких ампер (более 2 А) в пике. Источник питания, соответственно, должен быть рассчитан на такой импульсный ток потребления и не допускать значительного падения напряжения, не более 400 мВ в соответствии с фирменной документацией.
Из приведенных значений видно, что для модуля BGS2 импульсный ток потребления достигает 1,35 А, а для EHS5 — 2,3 А. Скважность при этом составляет 8 (4616/577), т. е. средний ток будет составлять 1,35/8 = 0,169 А и 2,3/8 = 0,288 А соответственно. Такие значения среднего тока позволяют использовать в качестве источника питания USB-порт, для которого максимальное значение отдаваемого тока по стандарту составляет 0,5 А.
Следует отметить совпадение скважности с числом временных слотов для стандарта GSM: каждому абонентскому устройству выделяется один тайм-слот, всего их восемь. Иначе говоря, сотовое устройство излучает сигнал только во время своего тайм-слота. Это, с одной стороны, снижает требования к среднему потребляемому току при передаче, а с другой — уменьшает максимальную скорость в те же восемь раз.
Любопытной особенностью рассматриваемых модулей является возможность раздельного питания цифровой части (+3,3 В) и усилителя мощности, которому достаточно 2,8 В. Это резко снижает требования к преобразователю питания в случае использования аккумулятора. Цифровую часть в этом случае можно питать от маломощного, экономичного и дешевого преобразователя на 3,3 В/200 мА, а усилитель мощности — напрямую от аккумулятора. Такой способ снижает потери мощности на бесполезный нагрев устройства и продлевает жизнь аккумуляторной батареи.
При максимальной потребляемой мощности около 9 Вт экономия на лишних потерях может составить около 1 Вт, что достаточно много, учитывая максимальную допустимую температуру окружающей среды +90 °С. То есть, при конструировании устройства, рассчитанного на большой диапазон допустимых температур, снижение рассеиваемой внутри устройства тепловой мощности на «лишний» 1 Вт может привести к значительной экономии затрат на обеспечение правильного теплового режима.
Второй плюс раздельного питания заключается в том, что модуль будет работать при снижении напряжения аккумулятора вплоть до 2,8 В, т. е. до практически разряженной батареи, максимально продляя тем самым время автономной работы.
Потребление модулей в режиме 2G и 3G
В таблице 3 представлены значения потребляемого тока модулей BGS2 и EHS5, которые приводятся в фирменной документации. Как видно из представленных данных, ток потребления EHS5 выше от полутора до двух раз, кроме режима сна.
Таблица 3. Сравнение потребления тока модулей в режимах 2G и 3G (согласно технической документации на приборы)
| Режимы | Энергопотребление, мА | |
| BGS2 | EHS5 | |
| HSDPA 900/2100 МГц | 440/470 | |
| GPRS(2Tx 3Rx) 900/1800 МГц | 330/260 | 430/310* |
| Пиковый ток 900/1800 МГц | 1,35/0,97 | 1,6 (2,3)/1,1 (1,4) |
| SLEEP | 1,1–1,2 (DRX = 9, GSM, GPRS) | 0,9–1,4 (DRX = 9, GSM, WCDMA, USB — вкл./откл.) |
| Voice Call | 200/150 | 245/180 |
* ROPR (Radio Output Power Reduction) 0,4
Измеренные значения (по оценке специалистов компании «ЕвроМобайл») отличаются (в меньшую сторону) по очевидным причинам: изготовитель указывает (и гарантирует) в спецификации максимальные значения, средние же величины обычно заметно меньше. Максимальные значения потребляемого тока достигаются при значительном удалении от БС, при плохой помеховой обстановке, когда абонентское устройство по команде от БС увеличивает мощность излучения до максимума. БС измеряет параметры принимаемого сигнала, оценивает соотношение сигнал/ шум и на основе этой оценки вырабатывает команды управления мощностью излучения абонентского устройства.
Результаты измерений потребляемого тока в разных режимах сведены в таблице 4. Указаны максимальные токи и время выполнения каждого режима. Похожие режимы выделены одним цветом.
| Условия измерения | BGS2 | EHS5 | ||
| Ток, А | Время, с. | Ток, А | Время,с. | |
| Регистрация в сети, GSM 900, –80 дБм | 1,2 | 11 | ||
| Регистрация в сети, UMTS 2100, –102 дБм | 0,7 | 16 | ||
| Регистрация в сети, GSM 900, –60 дБм | 1,2 | 10 | ||
| Регистрация в сети, GSM 900, –58 дБм | 1,5 | 16 | ||
| Звонок, GSM 900 | 0,75 | 1,25 | ||
| Передача данных, GSM 900 | 1,2 | |||
| Передача данных, UMTS 2100 | 1,2 | |||
Из анализа этих данных следует, что ток потребления в импульсе больше в режиме 3G. Обращает на себя внимание и заметная разность времен регистрации в сети для режима 2G и 3G. В первом случае это время составляет 10 с, а во втором — 16 с. Такая существенная разность объясняется разным алгоритмом работы микрокода BGS2 и EHS5. При старте второго модуля запускается Java-подсистема, приложение сначала читает записную книжку из SIM-карты и лишь потом выполняет процедуру регистрации в сети. Для доказательства этого утверждения был проделан следующий эксперимент: после старта модуля EHS5 из консоли выдавалась команда принудительной регистрации AT+COPS=0, и замерялось время до выполнения команды по ответу модуля: +COPS: 0,0,”MegaFon RUS”,2.
Упрощенный лог показан на рисунке 7. Верхняя часть показывает процедуру регистрации в соответствии с логикой приложения в модуле, а нижняя — принудительно выполненную регистрацию. Время первой процедуры составило 17 с, второй — 10 с, т. е. столько же, что и для модуля BGS2.
Любопытной особенностью EHS5 является приложение Java remote control (JRC), при разрешении запуска которого модуль становится дистанционно управляемым, в том числе по SMS. Из анализа приведенных данных следует, что ни время регистрации, ни потребляемый ток сильно не зависят от мощности принимаемого сигнала БС. В первом случае сигнал от БС составляет –80 дБм и –102 дБм (плохие условия приема), а во втором — –60 дБм и –58 дБм соответственно.
Измерение задержек в канале
Для измерения задержки в канале были проделаны одинаковые запросы в обоих режимах.
Задержка в канале при работе в режиме 2G достигла 613 мс, а в режиме 3G — 96 мс. Из практики известно, что паузы в обмене данными могут достигать нескольких секунд и более. Это явление следует учитывать при проектировании устройств с использованием радиообмена.
Заключение
Для 3G-устройств:
- Ток потребления устройств в режиме 3G больше, в пиках в режиме передачи почти вдвое, что требует более совершенного источника питания.
- В среднем энергопотребление также больше.
- Чувствительность больше.
- БС обнаруживается примерно вдвое больше.
- Скорость передачи данных существенно выше.
- Латентность сети заметно меньше (почти на порядок).
- Улучшенная защита от обрывов связи в движении. Используется «мягкий хендовер», переход на другую БС плавный, а не скачком.
- Более высокая защищённость каналов.
- Высокая помехозащищенность.
- Повышение качества телефонии за счёт устранения замираний.
- Гибкое распределение ресурсов.
- Высокое качество речи в 3G.
Иначе говоря, 3G-устройства очевидно совершеннее во всём, но за это совершенство приходится расплачиваться повышенным расходом энергии.
Перспективы
Следующее поколение сетей стандарта LTE, в который уже включены режимы (категории) связи, оптимизированные под потребности М2М/IoT-устройств, позволит строить реально более экономные и долгоживущие приборы с автономным питанием. Ожидается, что абонентская станция М2М/I0T стандарта LTE Cat. 0, LTE Cat. 1, LTE NB сможет использовать один источник питания типа батареи ААА в течение 10 лет.
©Компания «ЕвроМобайл», журнал «Беспроводные технологии», №3, 2016.
Денис Можайков