Модули с поддержкой NB-IoT и eMTC, производства Quectel
Часть 2. Основные технические характеристики модулей

Окончание. Начало в журнале «Беспроводные технологии» №2’2018

Отличительные особенности NB-IoT/eMTC модулей Quectel

Рассмотренные в статье модули производства Quectel соответствуют одному из основных требований, предъявляемых к устройствам, предназначенным для использования в различных проектах Интернета вещей IoT — это минимальная цена при оптимальной функциональности. Модули Quectel уже сегодня успешно используются в таких приложениях, как контроль перемещения грузов, агропромышленные системы, сети сбора метео данных, системы контроля воды, газа и электричества, пожарные системы, системы контроля доступа и других аналогичных приложениях.

Модули BC95-G, BC68

Модули BC95-G, BC68 с поддержкой NB-IoTCat. N1 изготовлены на базе чипа Boudica производства фирмы HiSilicon, которая является дочерним предприятием Huawei. Основные технические характеристики этих модулей приведены в табл. 5.

Различия между модулями семейства BC95-Gи модулем BC68 заключается в конструктиве и расположении контактных выводов. В остальном технические характеристики этих модулей совпадают.

Версия BC95-G, поступившая в коммерческую продажу в конце 2017 года, отличается тем, что может работать в любом из шести диапазонов:

• Band 1, H-FDD 2100 МГц;
• Band 3, H-FDD 1800 МГц;
• Band 8, H-FDD 900 МГц;
• Band 5, H-FDD 850 МГц;
• Band 20, H-FDD 800 МГц;
• Band 28, H-FDD 700 МГц.

Модуль BC68 изготовлен на базе чипа Boudica, производства HiSilicon и поддерживает те же частоты, что и модуль BC95-G: B1, B3, B5, B8, B20, B28.

Габаритные размеры BC68: 17,7×5,8×2,0 мм. Вес: 1,1 г. Таким образом, модуль BC68 меньше и легче, чем BC95-G (табл. 2).

Модуль BC95-G имеет 54-контактные площадки SMT с шагом 1,1 мм, на которые выведены все интерфейсные группы:

• Power supply;
• UART interfaces;
• USIM interface;
• ADC interface*;
• Network status indication*;
• RF interface.

*дорабатывается в настоящее время.

Кроме того, на корпусе BC95-G расположены 40 зарезервированных площадок, которые заземлены в текущих моделях. Габаритные размеры: 23,6×19,9×2,2 мм.

Модуль BC68 выполнен в корпусе для поверхностного монтажа SMD-типа, который имеет 44 LCC-вывода и 14 LGA-площадок, на которые выведены те же интерфейсы, что в модели BC95-G.

Модули BC95-Gи BC68 обладают чувствительностью (RF Receiving Sensitivity), равной –129 дБм во всех частотных диапазонах: В1, В3, В8, В5, В20, В28. Для сравнения отметим, что чувствительность модулей BG96 составляет –113 дБм.

Скорость передачи данных «вниз» составляет 25 кбит/с. При передаче «наверх», в зависимости от режима, максимальная скорость передачи может достигать 54 кбит/с (табл. 5). Следует обратить внимание на то, что модуль BC95-Gустойчив к колебаниям напряжения питания в диапазоне 3,1–4,2 В.

Модуль BC95-Gоснащен двумя портами UART. Обмен данными осуществляется с помощью основного порта.

В соответствии со стандартом Rel. 13 на DCE-DTE (Data Terminal Equipment) Main UART имеет следующие коммуникационные линии (уровни 3 В):

• TXD: Send data;
• RXD: Receive data;
• RI: Ring indicator.

Основной порт может использоваться для передачи команд ATи передачи данных. В этом случае скорость передачи составляет 9600 бит/с. Кроме того, с помощью основного UART можно обновлять прошивку со скоростью 115200 бит. Этот основной порт доступен в активном режиме, режиме ожидания и PSM. Сигнал Ringindicatorсоответствует случаю получения SMS или передачи данных.

Второй порт UART Debug, предназначенный для отладки ПО, имеет две линии:

• DBG_TXD: Send data to the COM port of DTE;
• DBG_RXD: Receive data from the COM port of DTE.

Этот простой и удобный интерфейс, позволяющий получать информацию через две информационные линии, поддерживает скорость 921600 бит/с и используется для отладки прошивки с помощью специального программного обеспечения UEMonitor, разработанного Quectel [30].

Это ПО использует файл message.xml, который используется для декодирования и форматирования отладочных сообщений, поступающих от устройств UE Quectel. Содержание файлов message.xml зависит от типа устройства. Например, если нужно просмотреть журнал модуля BC95-G, то необходимо использовать именно файл message-BC95-G.xml. Работа с UE Monitor намного проще по сравнению с хорошо известной программой Neul UE Log Viewer. Вместе с тем, UE Monitor позволяет в полном объеме работать с отладочными сообщениями NB-IoT модулей Quectel. Главное окно программы показано на рис. 9.

Рис. 9. Главное окно программы UEMonitor Quectel

Для того чтобы загрузить файл из QCOM или UE Log Viewer, достаточно выполнить три простые действия: Click File→ New Project→ From log file. В другом варианте нужно выбрать отладочный порт и правильный декодер. Подробно работа с этим ПО описана в документе «BC95-G&BC68 UE Monitor User Guide».

Модуль BC9-G, также, как и другие модули NB-IoT, имеет интерфейс USIM, соответствующий спецификации 3GPP, который позволяет получать доступ к внешней USIM-карте. Интерфейс карты USIM поддерживает стандарты USIM-1.8V и USIM-3.0V.

Модуль BC95-G оснащен 10-разрядным АЦП, который предназначен для считывания показаний различных датчиков с выходным аналоговым сигналом. Этот интерфейс доступен как в активном режиме, так и в режиме ожидания.

Для внешнего перезапуска модуля имеется специальный вывод (pin 15), на который подается отрицательный импульс длительностью 100 мс. Аналогичным образом можно удаленно подавать и снимать внешнее питание модуля. Кроме того, имеется возможность перезагрузить модуль с помощью АТ-команды: AT+NRB.

Специальный вывод NETLIGHT предназначен для светодиодной сигнализации состояния модуля. Светодиод загорается при регистрации модуля в сети.

Модули BC95-G выполнены в стандартном конструктиве LCC, позволяющем переходить от существующих стандартных GSM/GPRS модулей М95 к мобильным устройствам с поддержкой NB-IoT. Функциональное назначение, уровни сигналов и расположение основных контактных площадок на корпусах модулей М95 и ВС95-G совпадают. Для отладки модулей рекомендуется использовать комплект GSM/NB-IoT EVB Kit.

Модули BC68 совместимы «pin-to-pin» с GSM/GPRS модулями M66, благодаря совпадению контактных площадок по расположению, назначению и уровням сигналов. Модули могут легко быть взаимозаменяемыми, что облегчает переход от 2G модуля M66 к NB-IoT BC68.

Можно отметить еще одну отличительную особенность этих модулей. В модулях Quectel BC95-G, BC68 функция RAI (Release Assistance Indication) реализована несколько иначе, чем в других модулях NB-IoT Quectel.

Работа с RAI в модулях BC95-G, BC68 включает несколько этапов. Первоначально, с помощью команды AT+NSOSTF на удаленный сервер пересылается сообщение UDPс флагом (UDP messages with flags).

После чего отрабатывается команда AT+QLWULDATAEX, которая используется для отправки на облачную платформу IoT Хуавэй (Huawei’s IoT platform) подтвержденных (CON) или не подтверждаемых (NON) сообщений с использованием протокола LWM2M и идентификатора RAI.

При этом уведомление об отправке CONв автоматическом режиме пересылается на терминал. Терминал может запросить статус отправленных данных CON с помощью команды AT+QLWULDATASTATUS. В случае если модулю не удалось зарегистрироваться в сети NB-IoT platform, эта команда инициирует новую регистрацию модуля. Более подробно эта процедура описана в документе «BC95&BC95-G&BC68 RAI Application Note».

BC66 — миниатюрный NB-IoT модуль с минимальным потреблением

Модуль BC66 (функциональная диаграмма которого представлена на рис. 10) разработан на базе чипа M2625, производства MediaTek Inc, предназначенного специально для стандарта NB-IoT. Этот чип обеспечивает низкое энергопотребление и экономичное решение для широкого спектра сетевых устройств, работающих в диапазоне 450 МГц…2,1 ГГц. Чип MT2625 содержит на одном кристалле: цифровой сигнальный процессор стандарта NB-IoT, радиочастотной блок обработки аналогового сигнала, микроконтроллер ARM Cortex-M, псевдостатическое ОЗУ с произвольным доступом (PSRAM), флэш-память и блок управления питанием. Следует отметить, что MT2625 удовлетворяет требованием спецификации 3GPP R14.

Рис. 10
Сверху. Функциональная диаграмма модуля BC66
Внизу. Основные функции различных моделей серии BC66

Благодаря использованию чипа с высокой степенью интеграции компонентов, в модуле BC66 удалось получить минимальное энергопотребление — 3,5 мкА в режиме PSM и 0,29 мА в режиме IdleModeeDRX. Этот чип имеет самые маленькие размеры и вес в серии NB-IoT: 17,7×15,8×2,3 мм; 1,2 г.

Модуль BC66 поддерживает пятнадцать частотных диапазонов: B1/ B2/ B3/ B5/ B8/ B12/ B13/ B17/ B18/ B19/ B20/ B25/ B26/ B28/ B66.

Скорость передачи модуля BC66 немного выше, чем у BC95-G и BC68: DL — 25,5 кбит/с; UL — 62,5 кбит/с (Multi Tone).

Важное значение имеет тот факт, что модули BC66 работают на устройствах, передвигающихся с высокими скоростями: до 120 км/час. Это свойство, подробно описанное в Rel. 14, позволяет использовать модуль BC66 на транспортных средствах и в высокоскоростных автоматизированных промышленных линиях.

Модуль BC66 поддерживает наибольшее число интернет-протоколов из всей линейки модулей NB-IoT, производимой в настоящее время фирмой Quectel: UDP/ TCP/ CoAP/LWM2M/ MQTT/ DTLS/SNTP/HTTP(S)/ SSL/ PPP/ FTP. В полном объеме эти протоколы поддерживаются в последней версии модуля BC66NB-04-STD.

Основные функции различных моделей серии BC66 показаны на рис. 10.

Следует обратить внимание на диапазон напряжений питания: 2,1–3,7 В. Расширенный диапазон позволяет подключить модуль непосредственно к литий-ионным типам батарей, исключить из схемы LDO или DC/DC и увеличить срок автономной работы устройства без замены источника питания.

В модуле BC66 поддерживаются следующие интерфейсы:

• USIM;
• 3×UART (Main_UART, AUX_UART, DBG_UART);
• SPI;
• PSM_EINT; ADC (10 bits);
• RESET;
• PWRKEY;
• NETLIGHT;
• Antenna Pad;
• I²C1 (используется для Open CPU);
• I²S 1(используется для Open CPU);
• GPIO Configurable (используется для Open CPU);
• Network Status Indication.

Интерфейс PSM_EINT предназначен для вывода модуля ВС66 из режимов энергосбережения через внешнее прерывание.

Модуль BС66 имеет три порта UART. Главный интерфейс Main UART используется для работы с AT-командами и передачи данных. Он также может быть задействован для обновления программного обеспечения. Максимальная скорость передачи для Main UART составляет 115200 бит/с.

Порт Main UART имеет две линии:

• TXD: Send data to RXD of DTE;
• RXD: Receive data from TXD of DTE.

Второй Debug UART Port, предназначенный для отладки программного обеспечения, поддерживает два сигнала:

• TXD_DBG: Send data to RXD of DTE;
• RXD_DBG: Receive data from TXD of DT.

Дополнительный порт Auxiliary UART Port может быть задействован в некоторых ситуациях для дублирования работы главного порта с АТ-командами и передачей специальных сообщений:

• TXD_AUX: Send data to the RXD of DTE;
• RXD_AUX: Receive data from the TXD of DTE.

Все сигнальные линии последовательных портов выведены на отдельные контактные площадки. Кроме того, на контактную площадку pin 20 выведен сигнал Ringing Signal — RI, соответствующий передаче SMS или URC.

Модуль BC66 оснащен интерфейсом SPI, поддерживающим режим Master. Этот интерфейс имеет четыре сигнальные линии с уровнями напряжения 1,8:

• SPI_MISO — Вход Master и выход slave интерфейса SPI;
• SPI_MOSI — Выход Master и вход slave интерфейса SPI;
• SPI_SCLK — Тактовый сигнал интерфейса SPI;
• SPI_CS — Выбор чипа интерфейса SPI.

Функция PWRKEY позволяет удаленно включать и выключать модуль с помощью импульса отрицательной полярности длительностью 500 мс.

Модуль BC66 поддерживает программное обеспечение Open CPU, которое позволяет встраивать в базовую прошивку модуля приложения пользователя и новые расширенные АТ-команды. В последней версии модуля BC66 разработчикам предоставляется возможность работы с интерфейсами прикладного программирования Open CPU APIs. Прикладные программы пользователя могут быть написаны на языках высокого уровня с использованием модуля API Open CPU. Интерфейсы I²C, I²S, SPI, а также GPIO доступны только из приложения пользователя Open CPU.

Параметры остальных интерфейсов одинаковы во всех модулях Quectel NB-IoT.

Модуль BC66 также поддерживает NITZ — Network Identity и Time Zone. Эта функция позволяет получать по беспроводной сети значения локального времени, даты, часового пояса, а также информацию об идентификаторе сетевого провайдера.

Рис. 11. Модуль BC66 совместим по контактным площадкам с GSM/GPRS-модулем M66

Модули BC66 могут работать в среде Huawei Ocean Connect, разработанной для приложений IoT. Эта открытая экосистема предоставляет разработчикам возможность создавать прикладные программы с использованием различных API.

Для передачи общей NAS (Non Access Stratum) информации, относящейся ко всем устройствам UE, а также специальной (dedicated NAS) информации, которая предназначена только определенным UE, используется протокол Radio Resource Control— RRC. Для устройств UE, которые находятся в состоянии RRC_IDLE (Idlemode), передается нотификация о входящих звонках. Модули Quectel NB-IoT поддерживают функцию индикации Release Assistance Indication — RAI. При передаче по восходящей линии связи в пакет сигнальной информации инкапсулируется сообщение RAI.

Это поле RAI позволяет устройству UE уведомлять управляющий сервер о том, ожидаются ли дальнейшие передачи данных по восходящей или нисходящей линии связи, или не ожидаются.

Получив такое сообщение, опорная сеть, в соответствии с информацией RAI, может разорвать RRC-соединение для того, чтобы позволить модулю войти в режим ожидания (Idlemode).

Таким образом, функция RAI позволяет сократить период времени, в течение которого устройство UE находится в режиме DRX, ожидая возможных дополнительных передач.

В модулях BC66 функция Release Assistance Indication— RAI реализуется с помощью команды +QNBIOTRAI, которая позволяет перевести модуль в одно из следующих состояний:

• ФункцияRAIотключена/включена;
• Модуль может передать только один пакет «вверх» и не ожидает приема пакетов «вниз»;
• Модуль может передать только один пакет «вверх» и ожидает прием одного пакета «вниз».
  
  

  Рис. 12. Внешний вид отладочной платы BC66-TE-B

Подробно работа с RAI описана в документе BC66 AT Commands Manual. 

На корпусе BC66 расположены 44 LCC-контакта и 14 LGA-контактов. 

Модуль BC66 совместим по контактным площадкам с GSM/GPRSмодулем M66. (рис. 11).

Для отладки и тестирования модуля можно использовать набор BC66-TE-B.

BC66-TE-B (рис. 12)— это плата разработки NB-IoT решений, выполнена в виде платы расширения для Arduino, в размере 70,0×74,0×1,6 мм. BC66-TE-B может использоваться как самостоятельно под управлением КП или с использованием OpenCPU, чтобы разрабатывать и отлаживать приложения, так и совместно с STM32 Nucleo-64.

Модули BC68 совместимы «pin-to-pin» с GSM/GPRS модулями M66, а также с NB-IoT модулями BC66, благодаря совпадению контактных площадок по расположению.

Семейство модулей BG96

В состав серии входят модули BG96, BG96-M.

Модули BG96 представляют собой универсальные модели cподдержкой LTECatM1, LTECat. NB1, GSM, GPRS, предназначенные для использования в различных странах в пятнадцати частотных диапазонах LTE. В этих модулях используются чип Qualcomm MDM9206, разработанный на базе ЦПУ ARM Cortex A7 с тактовой частотой 1,3 ГГц. Кроме поддержки стандартов LTE Cat. M1 (eMTC) и Cat. NB1 (NB-IoT) модуль BG96 может работать и в сетях E-GPRS. В сетях LTE возможна работа как в режиме HD-FDD, так и в TDD режиме. Максимальные скорости передачи данных для режимов DL и UL составляют соответственно 300 кбит/с и 375 кбит/с.

Модули BG96, вобравшие в себя все преимущества чипа MDM9206, являются наиболее универсальными в линейке модулей Quectel с поддержкой NB-IoT/eMTC. Они могут работать как в сетях Cat. M1 (LTE FDD и B39 LTE TDD), так и в тринадцати частотных диапазонах в режиме Cat. N1 (B1/ B2/ B3/ B4/ B5/ B8/ B12/ B13/ B18/ B19/ B20/ B26/ B2). Кроме того, модули BG96 могут работать в режиме GSM, GCS, EGPRS.

Основные характерные особенности, отличающие BG96 от других LPWA модулей Quectel:

• Поддержка eMTC, Cat. М1;
• Встроенный приемник ГНСС;
• Работа в режиме EGPRS;
• Интерфейс PCMaudio;
• Интерфейс USB0;
• Интерфейс I2C(BG96-V2);
• Интерфейсы UART0, UART1, UART2;
• Голосовая связь (VoLTE) в устройствах Cat. M;
• Поддержка кодека Realtek ALC 5616;
• Работа с протоколами TLS/PAP/CHAP.

Кроме NB-IoTтолько модули BG96 поддерживают стандарт eMTCCat. M1 в следующих частотных диапазонах: LTE FDD B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B26, B28 и LTE-TDD B39. Полоса пропускания Cat. M1 BG96 1,4 МГц.

В отличие от других моделей BG96 может работать в режиме E-GPRSи GPRS на частотах 850/900/1800/1900 МГц.

Модуль BG96 может передавать и принимать данные со следующими скоростями:

• LTECat. M1: Max. 300 кбит/с (DL),Max. 375 кбит/с (UL) (HalfDuplexer);
• LTECat. NB1: Max. 32 кбит/с (DL), Max. 70 кбит/с (UL);
• EGPRS: Max. 296 кбит/с (DL),Max. 236.8 кбит/с(UL);
• GPRS: Max. 107 кбит/с (DL),Max. 85.6 кбит/с (UL).

Общие сведения о стандарте eMTC приведены в первой части статьи. Поэтому здесь эта информация повторно не приводится. Достаточно отметить, что технические характеристики модуля BG96 полностью удовлетворяют требованиям Rel. 13 в плане LTECat. M1.

Выбор необходимого режима работы модуля реализуется с помощью многопараметрической, специальной АТ-команды: AT+QCFG= «nwscanseq»[,<scanseq>[,effect].

Параметр <scanseq> определяет режим работы модуля:

• 00Automatic(LTECat. M1 → LTECat. NB1 → GSM);
• 01GSM;
• 02LTECat. M1;
• 03LTECat. NB

Параметр <catm1bandval> команды AT+QCFG определяет выбор частотного диапазона LTECat. M1. Например, значение этого параметра, равное 0x40000000, будет означать выбор всех диапазонов: 0x15=0x01(LTEB1)+0x04(LTEB3)+0x10(LTEB5) и т.д.

Модуль BG96 серийно выпускается с конца 2107 года. Кроме модели BG96 разрабатываются и другие версии этого модуля.

Модуль BG96-M разрабатывается, ожидаемое время выхода модуля — конец 2018 года. Модуль BG96-Mподдерживает только eMTC Cat. M1. Он разработан на базе чипа MDM9206.

Модуль BG95 будет выпускаться с новым чипом Qualcomm MDM9205. Будет поддерживать Cat. M1/ NB2/ EGPRS.

Модуль BG95-Mбудет выпускаться с новым чипом Qualcomm MDM9205, будет поддерживать Cat. M1.

Модуль BG95-N будет выпускаться с новым чипом Qualcomm MDM9205, будет поддерживать только NB2.

Модуль BG99 будет выпускаться с новым чипом Qualcomm MDM9205, будет поддерживать Cat. M1/ NB2/ EGPRS. Также это самый миниатюрный модуль с поддержкой технологий Cat. M1/ NB2/ EGPRS.

Ожидаемый план поступления новых моделей BG96 в коммерческую продажу показан на рис. 13.

Рис. 13. План поступления в коммерческую продажу модулей семейства BG96

Модуль BG96 имеет интерфейс USB, соответствующий стандарту USB 2.0 и поддерживающий передачу данных со скоростями до 480 Мбит/с (только в режиме slave). Этот интерфейс может работать с драйверами: USB drivers for Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8/8.1, Windows 10, Windows CE 5.0/6.0/7.0, Linux 2.6/3.x/4.1, Android 4.x/ 5.x/ 6.x/ 7.x.

В модуле BG96 имеются три последовательных порта.

Главный интерфейс UART1, поддерживающий RTS и аппаратный CTS контроль потока, используется для передачи данных со скоростями вплоть до 921600 бит/с, по умолчанию выставлено 115200 бит/с. UART1 можно использовать для работы с АТ-командами. По умолчанию установлен формат передачи 8N1 (8 data bits, no parity, 1 stop bit). Интерфейс UART2 предназначен для отладочных целей. Скорость передачи 115200 бит/с. Интерфейс UART3 используется для коммуникации с GNSS приемником и навигационных сообщений NEMA. Скорость по умолчанию 115200 бит/с.

Опционно BG96 выпускаются со встроенным приемником GNSS, который поддерживает все основные системы спутниковой навигации: GPS, GLONASS, Beidou, Galileo. ГНСС-приемник поддерживает навигационную систему идентификации данных спутников Gen8C-Lite of Qualcomm (GPS, GLONASS, BeiDou/Compass, Galileo, QZSS). Приемник GNSS работает со стандартными NMEA-0183 протоколами и сообщениями как через интерфейс USB, так и UART3 с интервалом обновлений 1 Гц. По умолчанию GNSS-приемник выключен. Включение и управление навигационным приемником осуществляется с помощью специальных АТ-команд. На корпусе модуля имеется отдельный вывод для подключения GNSS-антенны. Модуль оснащен встроенным малошумящим усилителем, что позволяет подключать модуль к пассивной антенне.

Основные технические характеристики GNSS-приемника модуля BG96 приведены в табл. 6.

В модуле BG96 поддерживается 2-проводной интерфейс I²C:

• I2C_SCL — тактовая частота (необходим внешний подтягивающий резистор к 1,8 В);
• I2C_SDA — данные (необходим внешний подтягивающий резистор к 1,8 В).

Данный интерфейс предназначен для управления аудиокодеками, а также может быть использован для связи с другими устройствами.

Модуль BG96 оснащен современным аудиоцифровым интерфейсом с поддержкой импульсно-кодовой модуляциии (Pulse Code Modulation Interface — PCM).

Цифровой PCM интерфейс модуля имеет сигнальные линии:

• PCM_CLK — тактовая частота (1,8 В);
• PCM_SYNC — синхронизация фрэйма (1,8 В);
• PCM_IN — вход данных (1,8 В);
• PCM_OUT — выход данных (1,8 В).

Цифровой аудиоинтерфейс модуля BG96 позволяет использовать его для связи с другими устройствами с поддержкой PCM в таких приложениях, как например: голосовая связь в сетях GSM, LTE (VoLTE — Voice over LTE), цифровые беспроводные аудиосистемы, охранная сигнализация, беспроводные системы аварийного оповещения и т. д.

Рис. 14. Внешний вид модуля BG96

Модуль BG96 имеет расширенный набор сетевых протоколов, среди которых следует отметить PAP (Password Authentication Protocol) и CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol), которые обычно используются для PPP-соединения.

Модуль BG96 изготовлен в конструктиве LGA. На корпусе модуля расположены 102 контактные площадки. Внешний вид модуля BG96 показан на рис. 14.

Для разработки можно использоват Complete Initial Evaluation Kit for BG96-GG LTE/M1 Module.

Следует обратить внимание еще на одну полезную опцию, поддерживаемую модулями BG96 — QuecOpen. Функция QuecOpen позволяет использовать модуль в качестве центрального процессора. В модуле BG96 для пользователей доступна работа с процессором ARM A7 и флэш-памятью 3 MB. Кроме того, для пользователя доступна дополнительная память 3 MB RAM. Специально для работы с приложением QuecOpen разработан отладочный комплект LTE OPEN EVB, который представляет собой законченное устройство в виде платы с напаянным на нее модулем BG96 (рис. 15). Этот отладочный комплект имеет все описанные выше интерфейсы модуля BG96, которые выведены на стандартные разъемы [25].

Рис. 15. Отладочный комплект «LTE OPEN EVB» для работы с приложением QuecOpen

Использование QuecOpen позволяет сократить время и затраты на разработку, оптимизировать схему конечного устройства и уменьшить его стоимость, а также повысить уровень защиты от несанкционированного доступа к сети. На сайте [26] можно скачать архивированную версию ПО.

Для разработки изделий на базе BG96 можно также использовать отладочный комплект Complete Initial Evaluation Kit for BG96-GG LTE/M1 Module. Проверить работоспособность конечного изделия, разработанного на базе модулей Quectel можно с помощью тестового сервера [27], доступ к которому предоставляется бесплатно всем зарегистрированным клиентам. На сайте [28] можно посмотреть видео о практическом использовании BG96 в комплекте с отладочной платой.

Как уже отмечалось выше, модуль BG96 совместим по выводам (полностью или большей частью) с BC95, M95R2.0, EG91, EG95, UG96,UG95. Подробное описание процесса замены этих модулей на BG96 приведено в документах «EG9x&BG96&UG96&UG95 Compatible Design» и «BG96&BC95&M95 R2.0 Compatible Design», которые доступны у региональных дистрибьюторов QUECTEL. Более подробную информацию о модулях BG96 можно найти на сайте производителя.

Следует обратить внимание на такую важную, характерную для всех NB-IoTмодулей Quectel особенность, как удаленное обновление программного обеспечения устройств пользователей UE— FOTA.

Аббревиатура FOTA расшифровывается как Firmware Over-The-Air. Новое ПО может заливаться на устройство по беспроводному каналу связи, что исключает необходимость физической перепрошивки.

Программное обеспечение Quectel DFOTA (Delta Firmware Upgrade Over-The-Air), позволяет по радиоканалу обновить прошивку до новой версии или вернуться к старой версии. Для реализации операции DFOTA необходимо подготовить пакет прошивки, который содержит только различия между старыми и новыми версиями ПО. Такой подход значительно уменьшает количество передаваемых данных и ускоряет скорость обновления прошивки.

Простой протокол, необходимый для обновления прошивки, достаточно просто интегрировать в пользовательское программное обеспечение. Внешний микропроцессор полностью контролирует процесс загрузки ПО, включая такие параметры, как скорость загрузки, место для хранения прошивки и кодирование пакетов. Важным является то, что загружается и устанавливается новое ПО в фоновом режиме, в то время как устройство продолжает нормально функционировать.

Процесс DFOTAвключает три этапа:

• Получение дельта-файла от Quectel;
• Размещение дельта-файла на HTTP(S) сервере пользователя;
• Запуск процесса обновления с помощью специальной команды QuectelAT+QFOTADL.

По команде +QFOTADL устройство начинает передачу пакета обновления, и далее модуль самостоятельно завершает процесс проверки и запуска нового ПО. На сайте Quectel можно найти подробную документацию с описанием процесса обновления ПО для каждого модуля, например, BG96 DFOTA User Guide.

Для модулей с поддержкой NB-IoT/eMTCпроизводства Quectelможно отметить следующие общие черты:

• Спящий режим PSM с током потребления в единицы микроампер;
• Режим ожидания (Idle/Standby Mode) с током потребления в единицы миллиампер;
• ПоддержкаАТ-командAT 3GPP Rel. 13 иQuectel Enhanced AT;
• Небольшие скорости передачи данных;
• Узкая полоса пропускания (180 кГц минимум для NB-IoT);
• Возможность работы только в экономичном полудуплексном режиме (HD–FDD);
• ИнтерфейсыUSIMx1 1.8V/3.0V, UART, ADC;
• Совместимость («pin-to-pin») с другими модулями Quectel;
• Небольшие габаритные размеры;
• Международные сертификаты (CE/GCF Europe, FCC North America, CCC/ NAL/ SRRC China);
• Расширенный диапазон рабочих температур –40… + 85 °С;
• Удаленное обновление ПО (FOTA);
• Конкурентные цены.

Название моделей с поддержкой NB-IoTи eMTC, а также частотные диапазоны, для которых они предназначены, приведены в табл. 7. Для диапазонов частот LTE использованы следующие стандартные международные обозначения: B1 — 2100 МГц, B2 — 1900 МГц, B3 — 1800 МГц, B8 — 900 МГц, B5 — 850 МГц, B12/ B13/ B17 — 700 МГц, B18/ B19 — 850, B20 — 800 МГц, B25 — 1800 МГц, B26 — 850 МГц, B28 — 700 МГц, В66 — 1700 МГц. Как видно из табл. 7, модули Quectel могут быть использованы практически во всех странах мира.

С точки зрения внедрения новых модулей в существующие у пользователей устройства, очень важным является общий конструктив для отдельных групп модулей, который позволяет переходить от существующих стандартных GSM/GPRS/LTE модулей к мобильным устройствам с поддержкой NB-IoT/eMTC. Функциональное назначение, уровни сигналов и расположение основных контактных площадок на корпусах модулей разного типа совпадают.

Рис. 16. Конструктив «102-pin LGA» дает возможность взаимной замены для модулей: BG96, UG96, M95

Конструктив «102-pin LGA» дает возможность взаимной замены для следующих модулей (рис. 16):

• [4G] — BG96 LTECat. M1 & NB-IoT;
• [4G] — UG96 UMTS/HSPA;
• [2G] — M95 GSM/GPRS.

То есть эти модули BG96, UG95 и M95 совместимы «pin-to-pin», поскольку их основные контактные площадки совпадают по расположению, назначению, логике и уровням сигналов. Таким образом, существующую печатную плату для изделия на базе GSM/GPRS модуля M95, в принципе можно использовать в качестве прототипа платы для изделия на базе NB-IoT модулей BG96. Такая конструкция модулей позволяет c минимальными затратами осуществлять адаптацию интеллектуальных датчиков предыдущего поколения к новым сетям IoT. С небольшими доработками модули BC95, EG91,UG96, можно также заменять на модули BG96. Детальную информацию по этому вопросу можно найти в технических описаниях на эти модули.

Аналогичный подход применим и к модулям М95 и ВС95. Функциональное назначение, уровни сигналов и расположение основных контактных площадок на корпусах модулей М95 и ВС95 совпадают. Так, например, контактные площадки у модуля BC95 , показанные на рис. 17,VBAT(45), VBAT(46), GND(47), RXD(29), TXD(30), RI(34), USIM_VDD(38), USIM_RST(39), USIM_DATA(40) и другие, по расположению на печатной плате и по назначению совпадают с контактными площадками модуля М95: VBAT(33), VBAT(34), GND(38), RXD(21),TXD(22), RI(28), SIM_VDD(27), SIM_RST(28), SIM_DATA(29). Аналогичным образом совпадают и все остальные выводы модуля BC95.

Рис. 17. Контактные площадки модуля BC95-G

Частично некоторые из перечисленных характеристик были рассмотрены в первой части статьи. Часть перечисленных свойств не требует дополнительных пояснений. Поэтому остановимся только на наиболее важных особенностях.

Одной из ключевых и наиболее важных черт LPWA(eMTC/NB-IoT) модулей Quectel является поддержка спящего режима PSM— Power Saving Mode, который дает возможность эксплуатировать полевое устройство несколько лет от одной батареи. Так, например, мобильное устройство NB-IoT с покрытием 164 дБ может работать примерно 10 лет от одной батарейки (250 мАч), если оно передает не больше 200 байт информации один раз в день.

На рис. 18 показаны различные этапы режимов энергопотребления модуля BG96.

Рис. 18. Этапы режимов энергопотребления модуля BG96

В LPWA модулях Quectel поддерживается режим Extended Discontinuous Reception — e-I-DRX (ждущий режим с расширенным интервалом работы без обязательных сигнальных сообщений). Этот режим позволяет снизить периодичность сообщений, оптимизировать интервалы приема и получения информации, организовать поддержку длительных периодов «молчания», в течение которых устройство остается подключенным к сети, не передавая и не получая информацию. Максимальный периодe DRX, определенный в Rel. 13, составляет 10485,76 секунды (175 мин). В соответствии с требованиями Rel. 13, устройства UE должны поддерживать функции конфигурирования режима eDRX, например, поддерживать взаимную настройку сети и модуля о параметрах пейджинга в момент регистрации или во время периодической процедуры Tracking Area Update — TAU и Routing Area Update — RAU. Поскольку в режиме e-I-DRX LPWA модули Quectelтолько слушают эфир, то ток в этом случае составляет единицы миллиампер. Токи потребления BG96 для различных значений времен e-I-DRX приведены в табл. 5.

Согласно Rel. 13 процедура TAU реализуется в тех случаях, когда подключенное к GPRS или UUTRAN устройство UE выполняет одно из следующих действий (рис. 18):

• UE регистрируется в новой зоне отслеживания (TA — Tracking Area), которая отсутствует в списке индикатора зоны отслеживания (TAIs — Tracking Area Indicators);
• Истек срок действия периодического таймера обновления TA;
• UE находилось в состоянии UMPANPMM_Connected (например, URA_PCH), когда оно повторно выбирает E-UTRAN;
• UE находился в состоянии GPRSREADY, когда он повторно выбирает E-UTRAN;
• Индикатор TIN указывает состояние P-TMSI, когда UE повторно выбирает E-UTRAN (например, из-за изменений конфигурации несущей, выполняемых на GERAN/UTRAN);
• RRC-соединение было реализовано в процессе перезагрузки, вызванной необходимостью балансировки нагрузки TAU;
• На уровне RRC появляется сообщение об аварийном отключении в E-UTRAN или UTRAN;
• Когда UE изменяет параметры радиосвязи по меньшей мере одной из следующих технологий радио доступа: GERAN, UTRAN или CDMA2000;
• Устройство UEнаходится в режиме поддержки резервного CSили поддержки голоса IMS, либо того и другого, с предпочтением голосового домена для E-UTRAN;
• Устройство UE, находящееся в режиме поддержки SR-VCC, изменяет MS Classmark 2 или MS Classmark 3, а также поддерживаемые кодеки;
• Устройство UE находится в режиме ручного выбора ячейки CSG, CSG-идентификатор которой отсутствует как в списке разрешенных CSG UE, так и в списке CSG оператора UE.

Режим Standby State на рис. 18 соответствует состоянию, когда модуль зарегистрирован в сети, но нет активных действий по приему и передаче информации.

Основные параметры режима PSM (рис. 18) описаны в документах «3GPPRel. 12» [23]. По существу, режим PSM можно сравнить с полным отключением питания. Однако, в этом режиме устройство пользователя (UE) остается зарегистрированным в сети, и нет необходимости повторно подключать или восстанавливать соединения PDN. При этом чтобы вернуть устройство в нормальный режим работы, необходимо задать таймер сна или использовать внешнее воздействие, например, процедуру TAU (Tracking Area Update). В течение выполнения процедуры отслеживания и добавления зоны контроля TAU модуль отправляет запрос на вход в режим PSM: ATTACH REQUEST. После того, как сеть приняла этот запрос, включается таймер активного режима (T3324). Когда время таймера T3324 истекает, модуль переходит в режим PSM на период T3412 (периодический таймер TAU). После окончания действия этого таймера модуль выйдет из режима PSM. Также модуль выходит из режима PSM в том случае, когда передается исходящее сообщение типа Mobile Originated.

Все LPWA модули Quectel поддерживают стандартные AT-команды (Rel. 13), а также специальные команды Quectel Enhanced AT [24].

Для работы с PSMиспользуется многопараметрическая стандартная (Rel. 13) команда AT+CPSMS, которая позволяет выбрать конкретные настройки этого режима для определенного типа устройств UE.

С помощью этой команды прежде всего определяется текущее состояние UE и его способность поддерживать режим PSM. Кроме того, команда позволяет определять такие важные параметры, как: расширенное периодическое значение RAU; значение таймера GPRSREADY в сетях GERAN; расширенное периодическое значение TAUв сетях E-UTRAN; значение активного времени работы Active Time, определяемое командой AT+CGREG; значение таймера GPR SREADY timer(таймер T3314), выделенное модулю сетью GERAN; значения Active Time(таймер T3324) и TAU(таймер T3412), которые выделены модулю сетью E-UTRAN.

Форматкоманды:

AT+CPSMS=<mode>[,<Requested_Periodic-RAU>[,<Requested_GPRS-READY-timer>[,<Requested_Periodic-TAU>[,<Requested_Active-Time>]]]]

Задавая определенные значения параметров этой команды, можно в широких пределах регулировать работу модуля в режиме PSM.

Например, параметр <mode> определяет следующие состояния модуля:

• Включить режим работы PSM— <mode> = 0;
• Выключить PSM— <mode> = 1;
• Выключить режим PSM и вернуться к заводским настройкам — <mode> = 2.

Подробное описание этой команды приведено в руководстве пользователя [24].

Рис. 19. Структурная схема автоматического выхода модуля BG96 из режима PSM

Специальная команда, разработанная Quectel, AT+QPSMS предоставляет дополнительные возможности управления спящим режимом — Extended Power Saving Mode Setting. Подробное описание этих команд приведено в руководстве пользователя [24].

Выход из режима PSM можно реализовать, как в ручном, так и в автоматическом режимах. В автоматическом режиме выход из режима PSM осуществляется сразу после того, как истекает время действия таймера T3412 (periodic TAU value). Например, задать время таймера Active Time (T3324), равное 30 с, и время таймера Periodic TAU value (T3412), равное 40 мин., можно с помощью команды:

AT+QPSMS=1,,,»00000100″,»00001111″

Процесс вывода модуля из режима PSM в ручном режиме, схематически показан на рис. 19. Для того, чтобы вывести модуль из режима PSM в ручном режиме, нужно подать на вывод PWRKEY низкий логический уровень напряжения и затем активировать режим приема или передачи данных.

Все модели NB-IoTимеют интерфейсы: PowerSupply, USIM(1.8/3.0V), UART, ADC, RESET, Antenna Interface, Network status indication(последнего нет в модуле BC95). Кроме того, дополнительные интерфейсы есть в отдельных моделях. Об этом будет сказано в следующем разделе.

Все LPWA модули Quectelподдерживают сетевые протоколы PPP/ TCP/ UDP/ SSL/ FTP/ HTTP. Двухточечный протокол «точка-точка» (Pointto Point Protocol—PPP) уровня Data Link, предназначенный для установления прямой связи между узлами сети, является базовым для модулей LPWA. Для обмена данными между модулем и сервером, как правило, используется интерфейс UART. При этом нужно, чтобы сервер также поддерживал такие сетевые протоколы, как, например, TCP/IP, HTTP(S) и т. д.

Прежде, чем соединение «точка-точка» будет установлено, модуль должен зарегистрироваться в сети LTECat. NB1 или других поддерживаемых сетях, например, LTE Cat.M1, EGPRS для BG96. Для работы с протоколом PPP используется хорошо известные стандартные АТ-команды. После регистрации в сети с помощью команды AT+CGDCONT определяется точка доступа (Access Point Name — APN) для соединения PPP. Начало сеанса реализуется стандартной командой ATD*99#. После того, как PPP-соединение установлено, сервер сможет передавать IP-пакеты по сети Интернет. Большинство стандартных операционных систем (например, Windows,Unix/Linux) включают в себя стек протокола PPP.

Кроме стандартных АТ-команд, в модулях Quectel поддерживаются специальные команды, позволяющие упростить работу с протоколами TCP(IP), HTTP(S) и PDP контекстом. Подробно работа с АТ-командами описана в AT Commands Manual, которые можно для каждого модуля найти на сайте Quectel.

Вся цитированная в статье техническая документация доступна на сайте официального дистрибьютера в России [31].