Развитие «гнездовой» концепции Telit: модули линейки xE310

В Telit было принято решение создать новый компактный форм-фактор для перспективных разработок. Им стал формат xE310 (рис. 1). Ключевыми параметрами нового формата являются [2]:

• Корпус LGA, габариты которого могут меняться в небольших пределах. На сегодня выпускаются модули габаритами от 13×14 до 15×18 мм.
• Идентичное для всех модулей посадочное место (футпринт). Все модули имеют 94 контакта, размеры футпринта 12,6×13,8 мм (рис. 2).
• Предусмотрено до пяти антенных выходов. Расположение антенных выходов оптимизировано: фидерный вывод находится всегда во внешнем ряду контактов и окружен «земляными» выводами (рис. 3) Такая конфигурация упрощает работу конструктора печатной платы и существенно улучшает параметры электромагнитной совместимости изделия в целом.
• Все важнейшие интерфейсы выведены во внешний контур модуля. Внутренние контакты — это «земля» или зарезервированные поля.
• Более 30% контактов — это «земля». Помимо прочего, это обеспечивает оптимальный теплоотвод внутренних компонентов модуля, при этом оптимизируются тепловые режимы при работе на повышенных температурах (выше +70 °C).
• Формат предусматривает использование USB 2.0, 3 UART, SPI, аналогового и цифрового (I²S) аудиоинтерфейсов, а также двух SIM-карт.

Рис. 1. Форм-фактор xE310

Рис. 2. Футпринт xE310

Рис. 3. Расположение антенных фидеров в линейке xE310

Указанный набор позволяет создавать в формате xE310 практически любые модули для «Интернета вещей» (IoT) — как модули сотовой связи различных стандартов, так и Wi-Fi-/BLE-модули, причем любой из них может быть использован в рамках одного дизайна. Рассмотрим далее более подробно некоторые модули xE310, выпускающиеся в настоящее время.

WE310F5 (рис. 4) — модуль Wi-Fi стандартов 802.11 b/g/n (2400 МГц) и BLE 5.0 [3], построенный на чипсете Realtek Ameba [4]. Может использоваться в режиме управления AT-командами и выполнять приложение пользователя AppZone [5]. В последнем случае для приложения пользователя доступно 4 Мбайт flash-памяти и 456 кбайт ОЗУ. Для выполнения приложений пользователя служит выделенный процессор Cortex M33, работающий на частоте 200 МГц. Для управления модулем WE310F5 предусмотрены интерфейсы UART, SPI или SDIO. Из приложения доступны USB, I²C, АЦП, ЦАП, I²S, SWD и GPIO. Выпускаются модификации WE310F5-I со встроенной антенной и WE310F5-P c антенным выводом. Уже здесь появляется характерная особенность линейки xE310 — модификации имеют различные габариты, но при этом футпринт полностью идентичен. Изображения модулей далее приводить не будем, поскольку они практически одинаковы.

Рис. 4. Модули WE310F5

GE310-GNSS — модуль GSM/GPRS c поддержкой спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС [6], использующий довольно популярный чипсет MT2503, применяющийся в бюджетных модулях сотовой связи. По сути, MT2503 — гибрид не менее популярных чипсетов MT3333 (GNSS-часть) и MT6261 (GSM-часть). МТ6261, в свою очередь, тоже гибрид, поскольку, помимо GSM/GPRS, поддерживает стандарт BLE 4.0 с отдельным радиоканалом. Несмотря на довольно сложную внутреннюю конфигурацию, структура модуля практически идеально ложится в формат xE310: три антенны, три UART, USB, SIM-интерфейс и другие выходы уже предусмотрены. Единственное принципиальное отличие GE310-GNSS от других модулей 310-й серии — уровни интерфейсных напряжений. Поскольку в GE310-GNSS используются достаточно давно выпускающиеся чипсеты, уровни самого модуля имеют значение 2,8 В, в отличие от других модулей Telit c более современными чипсетами и уровнями 1,8 В. Однако и это в линейке xE310 предусмотрено: имеется выход VAUX, напряжение на котором соответствует уровням интерфейсов и может быть использовано как опора для преобразователей уровней. Вообще говоря, Telit считает хорошим тоном при разработке использовать преобразователи уровня с применением именно VAUX, это гарантирует работу любых модулей Telit, даже тех, что еще не разработаны.

Серия модулей ME310G1 поддерживает наибольшее количество стандартов связи в линейке xE310: GSM/GPRS (ME310G1-WW), LTE Cat. M1, LTE Cat. NB2 (включая диапазон B31 450 МГц) [7]. Также в модулях ME310G1 есть GNSS-приемник, поддерживающий работу со спутниками GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Beidou. Благодаря наличию до 19 частотных диапазонов LTE-модули ME310G1 могут работать по всему миру, включая любые европейские, азиатские и американские сети M1 и NB-IoT. Соответственно, имеется сертификация для работы в большинстве стран мира. Различные модификации модулей имеют выходную мощность 20–26 дБм в режиме LTE и до 33 дБм в режиме GSM, что позволяет им работать как в развитых сетях NB IoT/M1 (при этом обеспечивается низкое энергопотребление), так и в сетях со слабым покрытием (гарантируется работа с низким уровнем сигнала). Серия ME310G1 построена на чипсете MDM9205 от Qualcomm — это не самое бюджетное решение, но самое универсальное и надежное. Габариты различных модулей серии — от 13×14 мм до 15×18 мм, футпринт традиционно один и тот же. ME310G1 поддерживают написание программ пользователя в среде AppZone, что позволяет обойтись без внешнего процессора в изделии. Из аппаратных особенностей ME310G1 можно отметить совместное применение радиоканала сотовой частью и навигационной (GNSS). Как результат, одновременно получать навигационные данные и передавать информацию модули не могут. Впрочем, это скорее особенность архитектуры MDM9205, а потому модули любых производителей на MDM9205 работают точно так же. Готовится к производству также модуль ME310G1-WWV c поддержкой VoLTE. Однако практически использовать функцию передачи голоса можно только в сетях M1, в основном в США.

NE310H2-W1 [8] — бюджетный модуль LTE категории NB2 на еще одном чипсете от MTK MT2625. Имеется также поддержка предыдущего варианта NB-IoT — NB1. По характеристикам практически идентичен аналогам китайских производителей на MT2625 (SIM7020, BC66), но вышел несколько позже и поэтому поддерживает более современную ревизию стандарта 3GPP rel. 14, в которой зафиксированы более высокие скорости передачи данных NB-IoT, а также более совершенные алгоритмы энерго­сбережения. Пока что большинство отечественных сетей NB IoT поддерживает 3GPP rel. 13, и это не слишком заметно, но операторы постепенно модернизируют сети до rel. 14, в которых NE310H2-W1 получает существенное преимущество.

Серия NE310L2 пока состоит из двух модулей: NB2-модуля NE310L2-W1 и комбинированного NB2/GSM-модуля NE310L2-WW. Модули используют решение Altair (подразделение Sony) ALT1255 [9], отличающееся сверхнизким (даже в сегменте NB-IoT) энергопотреблением, позволяющим устройствам с автономным питанием работать до 15 лет от одной батарейки. Модули NE310L2 действуют в 20 частотных диапазонах и могут применяться в любых сетях NB2 по всему миру. Помимо этого, чипсет ALT1255 опционально поддерживает частоты 410–467,5 МГц, так что можно ожидать появления модулей, функционирующих в диапазоне 450 МГц (B31).

В таблице приведены основные характеристики модулей сотовой связи xE310.

В качестве примера использования модулей NB-IoT серии xE310 рассмотрим передачу данных по технологии NIDD. Как упоминалось выше, одним из ключевых преимуществ NB-IoT является очень низкое энергопотребление, что обеспечивается целым комплексом программных и аппаратных решений. Тем не менее основным потребителем в модулях NB-IoT становится трансивер, обеспечивающий передачу информации в эфир. Поэтому появляется задача минимизировать время работы трансивера, что, в свою очередь, зависит от объема передаваемых данных. Отметим, что NB-IoT — это в первую очередь стационарная технология, предназначенная для передачи небольших объемов информации — от единиц до десятков байт. При этом, используя классический подход, полезные данные «оборачиваются» протоколом TCP/IP, что увеличивает размер передаваемого пакета в несколько раз. Соответственно, так же увеличиваются и расходы на передачу данных, что намного сокращает срок жизни батареи. Именно поэтому и была создана технология NIDD — Non-IP Data Delivery. Как следует из ее названия, NIDD не использует TCP/IP, и накладные расходы на передачу данных существенно сокращаются. На сегодня NIDD в России поддерживается только в сети МТС [10]. Передача данных по NIDD доступна юридическим лицам по всей России, однако имеется два ограничительных момента:

• Оборудование клиента (в данном случае модули NB-IoT) должно поддерживать NIDD. Отметим, что все модули Telit, работающие в стандарте LTE NB2, поддерживают и NIDD. Кроме того, мы проверили работу этих модулей в сети МТС и получили положительные результаты.
• Клиент должен самостоятельно настроить сервис оператора SCEF (Service Capability Exposure Function). Это достаточно нетривиальная процедура, но без корректной настройки SCEF NIDD в МТС работать не будет. Вместе с тем прямой техподдержки по NIDD МТС не оказывает, поэтому рекомендуется обращаться к производителям или дистрибьюторам модулей NB-IoT.

Резюмируя вышесказанное, можно отметить, что модули Telit xE310 полностью удовлетворяют современным требованиям к компонентам «Интернета вещей», удобны для разработчиков и серийного производства, а надежность и качество продукции Telit гарантированы более чем 20-летней историей компании.