Модули LTE в форм-факторе PCI Express Mini Cards производства Thales — Gemalto

В линейке продукции Thales – Gemalto особое место занимают LTE-модули, изготовленные по стандарту PCI Express Mini Cards (PCIe) [1].

Модемы этого типа имеют стандартный разъем PCI Express Mini Card system connector — 52 pin. Стандарт PCIe позволяет создавать пакетные сети с топологией типа «звезда». Поэтому устройства PCIe, взаимодействуя между собой, связаны непосредственно с коммутатором соединением в топологии «точка-точка». Шина PCI Express поддерживает горячую замену карт, качество передачи данных (QoS), а также управление режимами энергопотребления. Основоположником стандарта PCI Express считается фирма Intel. Первый вариант спецификации PCI Express был опубликован в июле 2002 года. В настоящее время развитием и продвижением стандарта PCI Express занимается некоммерческое объединение PCI Special Interest Group (PCI SIG) [2].

В совете директоров PCI SIG представлены такие ведущие производители микроэлектроники, как Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, Broadcom, Agilent Technologies, NVIDIA, и другие.

Основные сигнальные линии, выведенные на контактные площадки PCIe-карты, одинаковы для всех изделий этого стандарта. Неподключенные выводы различные производители могут применять по своему усмотрению.

Стандарт рекомендует использовать подключения сигнальных линий, приведенные в таблице 1 [3].

Внешний вид модуля Gemalto PLS8 PCIe показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид модуля Gemalto PLS8 в форм-факторе стандарта PCI Express Mini Cards

Форм-фактор PCIe ограничен 52 контактами (табл. 1), что не позволяет в полной мере использовать все возможности базового модуля. Поэтому его некоторые интерфейсы (табл. 2) не поддерживаются в PCIe-картах Cinterion. При необходимости использования этих интерфейсов возможна установка базового модуля непосредственно на печатную плату конечного устройства.

Модемные карты Cinterion LTE стандарта PCI Express можно быстро подключить к 52-контактным разъемам, в том числе и в горячем режиме, без выключения питания основного устройства. Тем самым обеспечивается практически мгновенный доступ к сотовым сетям для большинства приложений IoT. Усовершенствованная система управления питанием поддерживает оптимальный режим ожидания для экономии энергии и продления срока службы батареи.

В настоящее время выпускаются три модели Cinterion LTE Express Mini Cards, предназначенные для работы в различных регионах мира (NORAM, EMEA, APAC) в определенных частотных диапазонах:

• mPLS62-W — LTE Cat. 1, 3G/2G fallback;
• mPLS8-E — LTE Cat. 3, 3G/2G fallback;
• mPLS8-US — LTE Cat. 3, 3G/2G fallback;
• mPLAS9-X — LTE Cat. 6, 3G/2G fallback
• mPLAS9-W — LTE Cat. 6, 3G/2G fallback.

Буквенные индексы определяют регион: EMEA (Europe, the Middle East and Africa); NORAM (North American Region, US), APAC (Asia Pacific), WORLDWIDE.

Модели этой серии — mPLS62, mPLS8 и mPLAS9 — рассчитаны на работу в сетях LTE Cat. 1, Cat. 3, Cat. 6 со скоростями DL/UL соответственно 10,2/5,2 с; 100/50 и 300/50 Мбит/с. Поэтому инженеры могут выбрать любой из вариантов, оптимальный для определенного приложения с точки зрения технических характеристик и цены.

Карта Cinterion mPLS62 обеспечивает уверенную работу в сетях LTE Cat. 6 в 12 частотных диапазонах FDD-LTE, семи диапазонах 3G HSPA/UMTS (WCDMA/FDD) и Quad Band 2G GSM. Встроенная платформа Java embedded system модуля mPLS62 предоставляет широкие возможности для разработки собственных уникальных программных приложений для конкретного вида оборудования. Загрузка, обновление и удаление пользовательских приложений, а также обновление встроенного ПО в модулях mPLS62 могут быть реализованы как через локальный интерфейс USB, так и удаленно — через защищенный канал с помощью механизма OTAP/DFOTA. Производитель также предоставляет возможность использования фирменной облачной платформы MODS. Все перечисленные действия возможно выполнить из веб-интерфейса данного сервиса.

Модемные карты Cinterion mPLS8-E и mPLS8-US предназначены для эксплуатации в сетях LTE Cat. 3 на европейских и американских диапазонах частот, соответственно 5-Band LTE, 3-Band UMTS/WCDMA и 2-Band GSM/GPRS/EDGE. Базовый модуль PLS8, который является основой PCIe-карты mPLS8, имеет встроенный ГНСС-приемник с поддержкой систем спутниковой навигации GPS, Galileo и ГЛОНАС. Приемник GNSS поддерживает протокол NMEA через интерфейс USB. По умолчанию приемник GNSS отключен. Его включение и настройка осуществляются с помощью АТ-команд. На корпусе всех карт LTE PCIe Cinterion имеется два антенных разъема для разнесенных антенн GSM/UMTS/LTE. Модем mPLS8 оснащен третьим разъемом для подключения активной или пассивной антенны ГНСС.

Модемная карта mPLAS9 LTE Cat. 6 поддерживает 11 диапазонов LTE Advanced, четыре диапазона LTE-Advanced TDD и 2G/3G глобального покрытия. В этой модемной карте реализованы инновационные технологии, позволившие получить скорости передач 300/50 Мбит/с (DL/UL) при высокой чувствительности в условиях высоких помех и слабого сигнала.

Технические характеристики Gemalto LTE PCIe-карт приведены в таблице 2. Каждая из модемных карт имеет свой собственный базовый модуль Gemalto — Cinterion: PLS62-W (LTE Modem Card mPLS62-W); PLS8-E (LTE Modem Card mPLS8-E); PLAS9-W (LTE Modem Card mPLAS9-W). Между собой модемные карты различаются диапазоном рабочих частот и параметрами, которые определяются соответствующими поддерживаемыми классами LTE Cat. 1, 3, 6.

Практически LTE PCIe модемные карты Cinterion представляют собой плату с разъемом PCI Express Mini Card system connector — 52 pin и антенными разъемами, на которую напаян базовый модуль (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема PCIe Cinterion модема mPLAS9

Для этих модемных карт единым является стандарт PCI Express Mini Cards. Кроме того, все карты имеют несколько одинаковых параметров, в том числе напряжение питания (номинал 3,3 В), интервал рабочих температур –40…+85 °C, механизмы включения и аварийного отключения питания, параметры UICC, SMS, USB.

Напряжение питания для всех LTE PCIe Cinterion модемных карт находится в пределах 3–3,6 В. Все карты используют пять контактов 3,3 В и 14 «земляных» контактов, выведенных на 52-контактный системный разъем.

Все модели имеют двухпроводной интерфейс USB (USB_D+, USB_D–), реализованный в соответствии со стандартом PCIe на 52-контактном разъеме (табл. 1). Этот интерфейс соответствует USB 2.0 High Speed (480 Мбит/с) и совместим с USB Full Speed (12 Мбит/с). Из-за отсутствия выделенной линии контроля напряжения на системном разъеме модемная карта mPLS62-W идентифицируется как устройство с автономным питанием согласно стандарту Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. С помощью этого интерфейса реализуется работа USB-модема. Кроме того, доступны шесть дополнительных портов (Gemalto M2M ports), поддерживающих АТ-интерфейс модуля. Соответствующие конфигурации модема и АТ-интерфейса (configuration files INF) доступны на сайте Gemalto M2M Extranet. Для работы под ОС Windows производитель предоставляет USB-драйверы; для работы под ОС Linux используются стандартные драйверы “cdc_acm” и “cdc_ether”.

Все LTE PCIe модемные карты оснащены двумя SIM/UICC-интерфейсами, соответствующими стандарту ISO/IEC 7816-3 и выведенными на 52-контактный разъем. Данные интерфейсы позволяют подключать к модему внешние SIM/UICC-карты (рис. 2). Интерфейсы SIM поддерживают карты 1,8 и 3 В согласно GSM 11.12 Phase 2. Параметры сигналов SIM/UICC-интерфейсов модемных карт LTE PCIe Cinterion приведены в таблице 3.

Кроме того, на самой плате LTE-модемов напаян держатель micro-SIM (3FF), предназначенный для работы модемов с картами micro-SIM card (3FF).

Следует обратить внимание на то, что невозможна одновременная работа с внешними и встроенными SIM/UICC-картами.

Общим для всех рассматриваемых в этой статье модемных карт является сигнал W_DISABLE1#, который автоматически запускает модем в рабочее состояние сразу после подачи питания 3,3 В на соответствующие выводы 52-контактного разъема (табл. 1). Перезапустить модем можно командой AT^SMSO. Если линия W_DISABLE1# установлена на низкий уровень, то автоматическое включение модема будет дезавуировано. При этом команда AT^SMSO просто выключит модем. Рекомендуется управлять линией W_DISABLE1# с помощью биполярного транзистора с открытым коллектором или полевого транзистора с открытым стоком. Кроме того, LTE PCIe Cinterion модемные карты можно перезапускать, изменяя уровень линии PERST# Signal с низкого на высокий, либо подачей команды AT+CFUN=1,1.

Линия WAKE#Signal контролируется сигналом модема RING0, а также входящими сообщениями SMS и URC. Линия RING0 (Ring line) активируется как виртуальная Virtual ring line, если URC появляется на USB-интерфейсе.

Модемные карты оснащены системами аварийного отключения питания при превышении заданных порогов температуры и рабочего напряжения. Встроенный датчик NTC измеряет температуру базового модуля. Если на модуле обнаружена повышенная (> +90 °C) или пониженная (< –40 °C) температура, LTE-модемы автоматически отключаются.

При процедуре автоматического выключения модемные карты выходят из сети, и программное обеспечение реализует режим безопасного состояния, позволяющий избежать потери данных.

После того как модем возвратится в допустимый температурный диапазон, он автоматически включается в полноценный рабочий режим, если автоматическое включение не запрещено низким уровнем на линии W_DISABLE1#.

Предупреждающие сообщения URC, передаваемые непосредственно до аварийного выключения модема, настраиваются командой AT^SCTM, приведенной в [1].

Все модели модемных карт mPLS62, mPLAS9, mPLS8 поддерживают антенный интерфейс GSM/UMTS/LTE, который содержит основную антенну GSM/UMTS/LTE и антенну UMTS/LTE Rx diversity/MIMO. Разнесенная антенна позволяет повысить надежность и качество передачи сигнала. Для подключения обеих антенн используются два разъема U.FL-R-SMT, размещенных на корпусе карты.

Базовый модуль PLS8 модемной карты mPLS8 оснащен встроенным GNSS-приемником. Поэтому карта, кроме двух указанных выше антенных разъемов (GSM/UMTS/LTE и UMTS/LTE Rx diversity/MIMO), имеет антенный разъем для работы с сигналами ГНСС, к которому можно подключить как активные, так и пассивные антенны с импедансом 50 Ом. Антенный и RF-интерфейсы карты mPLS8 позволяют одновременно работать с сигналами GSM/UMTS/LTE и GNSS. Интерфейс GPIO поддерживает следующие антенные линии: ANT_CTRL0, ANT_CTRL1, а также может быть задействован для светодиодной индикации режимов работы модема (LED_WLAN# и LED_WPAN#).

Модемная карта mPLS8 обеспечивает напряжение питания, необходимое для подключения активной антенны GNSS. По умолчанию этот источник питания и приемник ГНСС не задействованы. Они включаются специальными АТ-командами (AT^SGPSC GNSS Configuration). На рис. 3 показана схема подключения активной антенны GNSS к модемной карте mPLS8.

Рис. 3. Схема подключения активной антенны GNSS к модемной карте mPLS8

Основные технические характеристики ГНСС модемной карты mPLS8 приведены в таблице 4.

Данные таблицы 4 получены при условии, что время ожидания составляет не менее 300 с; QoS = 1000 м; CEP 50; число видимых спутников не менее 4, минимальный уровень сигнала –130 дБм на антенне соответствует; C/No = 42 дБ в сообщении NMEA $ GPGSV; активирована строка DR_SYNC с помощью команды AT: AT^SGPSC = «Nmea / DRSync», «on».

Следует отметить, что тест холодного запуска может быть инициирован командой AT: AT^SBNW = «agps», –1. Рекомендуется сделать резервную копию стартовых параметров приемника в реальном времени с использованием линии VDDLP.

Модемные карты LTE PCIe Cinterion могут работать в различных режимах энергосбережения, приведенных в таблице 5.

Для управления картами LTE PCIe Cinterion используются как стандартные (Hayes 3GPP TS 27.007, TS 27.005), так и специальные АТ-команды, разработанные Gemalto [4].

Стандартный набор включает такие хорошо известные команды, например, как конфигурационные (AT&F, AT&V, AT+CFUN и т. д.); идентификационные и статусные (AT+CGMM, AT+CEER, AT+CPAS и т. д.); команды контроля безопасности (AT+CPIN, AT+CPWD и т. д.); сетевые команды (AT+COPS, AT+CREG и т. д.).

Кроме стандартных, для модулей LTE разработаны и сугубо специальные команды Gemalto, например: AT^SCFG — Extended Configuration Settings; AT^SMSO — Switch Off; AT^SIND — Extended Indicator Control. Подробное описание АТ-команд можно найти, в частности, в документе Cinterion PLS8-E AT Command Set.

Если говорить о различиях между рассмотренными LTE PCIe-картами Cinterion, то наиболее выделяется mPLS8. Основные отличительные черты этой серии от других — LTE CAT 3, встроенный GNSS, Multiplexer в соответствии с 3GPP TS 27.010, Multiple Operator VoLTE support, CSFB (circuit-switched fallback), 2×2 DL-MIMO support.

Поскольку LTE представляет собой IP-сеть с пакетной передачей, то для доставки голосовых и SMS-сообщений в сеть LTE через GSM-канал или другие сети с коммутацией линий используется технология CSFB [5].

Из отличительных черт mPLS62 можно отметить встроенную платформу Java Open Platform, удаленное обновление программного обеспечения FOTA, функцию SAT с поддержкой BIP (class b, c, e); RLS Monitoring (Jamming detection), Informal Network Scan, Cell ID based Location Support. Встроенная платформа Java Open Platform модемной карты mPLS62 поддерживает такие важные функции, как Java profile IMP-NG & CLDC 1.1 HI; безопасность с использованием протоколов HTTPS/SSL1; многопоточное программирование и многопоточный блок поддержки приложений. Объем памяти, доступной для программ Java, составляет 30 Мбайт флэш и 18 Мбайт оперативной памяти.

Одной из последних разработок Gemalto является модуль PLAS9-W с поддержкой высокоскоростной технологии LTE Advanced Cat. 6. Модемная PCIe-карта mPLAS9-W изготовлена на базе этого модуля. Основная особенность данной карты — это скорость передачи данных до 300 Мбит/с. Кроме того, mPLAS9-W может работать и в сетях предыдущих поколений 2G и 3G. Базовый модуль и сама карта mPLAS9 поддерживают функцию агрегации каналов (Intra-Band-Contiguous and Inter-Band Carrier Aggregation in Downlink CA-DL) и функцию «множественный вход — множественный выход» (2×2 DL-MIMO). В модуле задействованы две передающие и две принимающие антенны (2×2). За счет CA-DL и MIMO значительно увеличивается полоса пропускания канала, обеспечивающая скорость передачи данных от базовой станции до 300 Мбит/с.

Следует также отметить функцию Antenna diagnostics, которая позволяет свести к минимуму ошибки, возникающие в приемных антеннах [6].

Карта mPLAS9 предназначена для использования в промышленных компьютерах, высокоскоростных маршрутизаторах и шлюзах, в системах рекламного потокового видео и других аналогичных приложениях.

Для тестирования и разработки изделий на базе модемных карт Gemalto PCIe mPLAS9, mPLS8 и mPLS62 выпускается Gemalto LTE Modem Card Adapter Board, внешний вид которой показан на рис. 4 [7].

Рис. 4. Gemalto LTE Modem Card Adapter Board

Использование Gemalto LTE Modem Card Adapter Board сокращает время и затраты на разработку, оптимизирует схему конечного устройства и уменьшает его стоимость.

На плате LTE Modem Card Adapter Board расположены разъемы для подключения модемной карты, а также переключатели и контактные площадки, позволяющие контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках карты. Для контроля работы используется светодиодная индикация. Питание платы от внешнего сетевого адаптера подается через специальный разъем. На плате имеется внешний держатель SIM-карты.

Выбор режимов работы осуществляется DIP-переключателями. Управлять платой можно с помощью АТ-команд. Через специальные разъемы к плате подключаются внешние LTE-, UMTS- и GNSS-антенны.

Таким образом, в любой момент можно контролировать состояние каждого из выводов системного разъема карты.

После подключения модемной карты к отладочной плате нужно подсоединить Modem Card Adapter Board к ПК и установить Gemalto USB driver, входящий в комплект поставки. Если драйвер USB установился правильно, то все USB-устройства отображаются в окне диспетчера устройств Windows в разделах «Модемы», «Сетевые адаптеры» и «Порты (COM и LPT)», как показано на рис. 5 для карты mPLAS9-W.

Рис. 5. Отображение модемной карты mPLAS9-W в окне диспетчера устройств Windows

Два USB-устройства, реализованные как сетевые адаптеры (network adapters) USB CDC ECM, активируются и деактивируются командой AT^SWWAN. При этом различные APN могут быть назначены и использованы одновременно при помощи двух адаптеров WWAN или RmNet. Командой AT^SSRVSET два сетевых адаптера USB CDC ECM заменяются одним интерфейсом USB CDC MBIM (Mobile Broadband Interface Model).

Модемными картами Gemalto можно легко управлять с помощью стандартных и специальных АТ-команд. Например, чтобы активировать mPLS9-W через интерфейс USB с помощью стандартной терминальной программы, достаточно проделать следующие простые операции:

• проверьте параметры последовательного порта CDC ACM LTE USB serial port 1;
• запустите терминальную программу на ПК;
• подключите к выделенному COM-порту (COM-порт 47, рис. 5) назначенный последовательный порт CDC ACM LTE USB serial port;
• введите AT-команду ATE1, чтобы видеть эхо-сигнал для введенных AT-команд;
• затем введите ATI, чтобы отобразить идентификационную информацию LTE-карты.

Пример управления модемной картой mPLAS9 с помощью АТ-команд приведен на рис. 6.

Рис. 6. Пример управления модемной картой mPLAS9 с помощью АТ-команд

Подробные инструкции по работе с отладочным комплектом для модемных LTE -карт приведены в документе Getting Started with LTE Modem Cards, DocId: mPLAS9_mPLS8_mPLS62_startup_guide_v01.

Особое место в линейке модемных PCIe-карт Gemalto занимает анонсированная в конце 2019 года миниатюрная 5G-карта MV31-W, предназначенная для работы в миллиметровом диапазоне частот со скоростями до 6 Гбит/с. Кроме того, карта может работать в диапазонах частот LTE. На сегодня модель MV31-W является самой маленькой компьютерной картой с поддержкой 5G — ее габаритные размеры всего 30×42×2,5 мм. Из других характерных особенностей MV31-W прежде всего следует отметить встроенный двухдиапазонный GNSS-приемник; две SIM-карты с поддержкой функционала eSIM, SIM Application Toolkit, MIMO.

Карта MV31-W изготовлена в новом формате M.2 (другое название — M.2 PCIe). Встречается также старое название — Next Generation Form Factor, NGFF.

Кроме базовых интерфейсов стандарта SATA Express, на системный разъем M.2 выведены дополнительные интерфейсы. Также М.2 предоставляет поддержку шин PCI Express 3.0. Вместе с тем M.2 является более компактной реализацией платы SATA Express. Немаловажно то, что стандарт M.2 предусматривает поддержку NVM Express (NVMe) и Advanced Host Controller Interface (AHCI). В картах M.2 реализован PCI Express 4x и один порт SATA 3.0 со скоростью до 6 Гбит/с. Таким образом, в форм-факторе стандарта M.2 могут быть реализованы как устройства PCI Express, так и SATA. В общем случае стандарт М.2 предусматривает внутренний интерфейс USB 3.0, совместимый с USB 2.0 [8].

Карты формата М.2 предназначены для различных классов устройств, в том числе Wi-Fi, WiMax, GSM, GPS, SSD, USB (2.0/3.0), SATA (I, II, III), RS232, SMBus и т. д. Поэтому карты M.2 могут иметь различные типы разъемов в зависимости от своего функционального назначения [9].

Компьютерная карта 5G MV31-W создана для работы во всех основных диапазонах частот по всему миру в соответствии с требованиями стандарта 3GPPP Release 15 [10].

Для MV31-W предусмотрены два варианта режима работы. Режим Non-Standalone (NSA) использует ядро LTE. В другом варианте Standalone (SA), в котором применяется ядро New Radio (NR), модем полностью независим от ядра сети LTE.

Согласно документам 3GPP TS 38.104 для режима New Radio (5 G) отведены два интервала частот (frequency ranges — FR):

• FR1: 410–7125 МГц;
• FR2: 24250–52600 МГц.

Продажи модели MV31-W планируется начать во втором квартале 2020 года. На данный момент для тестирования доступны инженерные образцы.

Предварительные технические характеристики компьютерной карты 5G Computing IoT card MV31-W, доступные на январь 2020 года, приведены в таблице 6.

Подводя итог этому краткому обзору, можно сказать, что линейка модемных карт LTE Gemalto представляет собой оптимальный вариант практически для любого приложения IoT, которое включает широко используемый стандарт PCIe и M.2 PCIe. Простой и удобный монтаж этих карт в готовое устройство позволяет выбрать наилучший вариант модемной карты, необходимый для наилучшей реализации всех потребностей конкретной сети беспроводной связи. При этом переход от простых устаревших сетей UMTS к современным сетям LTE advanced и 5G-NR может быть осуществлен с минимальными затратами. Модемные карты LTE Gemalto имеют все необходимые сертификаты и соответствующие технические параметры, которые позволяют использовать их в любом регионе мира.