Сравнительный анализ технологий мобильной связи.
Обзор 2G/3G-модулей Cinterion (Gemalto M2M)

№ 3’2016
PDF версия
В статье «Сравнительный анализ технологий мобильной связи» (БТ No2'2016, с. 16) 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. Основные вехи развития компании представлены на рис. 1.

Основные вехи развития компании Gemalto M2M

Рис. 1. Основные вехи развития компании Gemalto M2M

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 рис. 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.

Семейство модулей в исполнении Industrial

Рис. 2. Семейство модулей в исполнении Industrial

Функции и особенности BGS2 и EHS5-E

Основные характеристики модулей BGS2-E и EHS5-E (Rel. 3) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики модулей Cinterion Gemalto в исполнении Industrial

 

BGS2-E (Rel. 3)

EHS5-E (Rel. 3)

Частотные диапазоны

GSM 900/1800

GSM 900/1800, UMTS/HSDPA 900/2100

Скорость передачи

GPRS class 10

GPRS class 12, HSDPA DL 7,2 Мбит/с, UL 5,7 Мбит/с

Интерфейсы

два последовательных интерфейса;
один аналоговый (аудио);
один цифровой;
6 GPIO pins 1.8 V;
I²C; ADC

два последовательных интерфейса;
USB аудио — один цифровой;
аудио — один цифровой;
I²C; SPI;
9 GPIO

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 — сканированиеGSM-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 радиочасти (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 Cell Lock (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). Модуль EHS5-E оснащен такими функциями, как Java embedded (встроенная Java-платформа) и ЭРА–ГЛОНАСС/eCall. Отличаются модули объемом встроенной памяти: 10 Мбайт flash у EHS5-E и 2 Mбайт flash у BGS2-E. В BGS2 имеется аналоговая аудиочасть, а в EHS5 — только цифровая. Кроме того, в EHS5 есть USB-интерфейс 2.0.

В таблице 2 приведено сравнение интерфейсов BGS2 и EHS5.

Таблица 2. Сравнительные особенности 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 рис. 3 показаны особенности антенных интерфейсов модулей. Видно, что чувствительность приемника 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 разведенную на плате антенну, надо применять либо чип-антенну, либо внешнюю. Указанное ограничение касается только режима 3G.

Сравнение интерфейсов антенны BGS2 и EHS5

Рис. 3. Сравнение интерфейсов антенны BGS2 и EHS5

Функция разнесенного приема (Antenna diversity) означает возможность использовать две или более антенн для улучшения характеристик канала приема/передачи. Идея в том, что сигнал от антенн, расположенных в пространстве в разных точках, идет по разным путям и подвергается разным затуханиям и искажениям. Это позволяет выбрать наилучший сигнал на приемном конце. Если на БС использовать две или более приемных 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 серьезные 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. Токи потребления для модулей BGS2 и EHS5 показаны на рис. 4.

Сравнение импульсных токов в режиме передачи: а) BGS2; б) EHS5

Рис. 4. Сравнение импульсных токов в режиме передачи: а) BGS2; б) EHS5

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. На рис. 5 приведена схема питания модуля EHS5, рекомендуемая в фирменной документации.

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.

Схема питания модуля EHS5 от USB

Рис. 5. Схема питания модуля EHS5 от USB

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 900/1800 МГц

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.

На рис. 6 представлены осциллограммы тока потребления в разных режимах работы абонентского устройства.

Осциллограммы тока потребления в разных режимах: а–г) — для BGS2; д–з) — для EHS5

Рис. 6. Осциллограммы тока потребления в разных режимах:
а–г) — для BGS2;
д–з) — для EHS5

Результаты измерений потребляемого тока в разных режимах сведены в таблице 4. Указаны максимальные токи и время выполнения каждого режима. Похожие режимы выделены одним цветом.

Таблица 4. Результаты измерений потребляемого тока в разных режимах

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

 

Ускоренная регистрация модуля EHS5 в сети

Рис. 7. Ускоренная регистрация модуля EHS5 в сети

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 приведен на рис. 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.

Таблица 5. Сравнительные характеристики BGS2 и EHS5 по результатам натурных тестов

 

2G

3G

Потребление, мА

Макс. 330/260

Макс. 440/470

Требования к ИП

пиковый ток 1,35 А

выше, пиковый ток 2,3 А

Чувствительность, дБ

–107

–110

Время регистрации в сети, c

10

 

Разнесенный прием (Antenna diversity)

+

Скорость передачи, кбит/с

44/56

5736/1895

Время отклика сети, мс (ping)

612

96

Голос + данные

– (приоритет отдается голосу)

+

CSD

+

– (только в режиме 2G)

Fallback

2G/3G

Сканирование сети

21 БС

42 БС

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. Логи показаны на рис. 8. 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.

Сравнение задержек выполнения команды ping в 2G и 3G

Рис. 8. Сравнение задержек выполнения команды ping в 2G и 3G

Использование встроенного стека TCP/IP

На рис. 9 показано использование встроенного стека TCP/IP для двух модулей. Работа со стеком практически аналогична, за исключением незначительных отличий при организации прозрачного стека. Приведенные логи выполнения команд работы со стеком иллюстрируют отличную программную совместимость модулей двух поколений.

Работа внутреннего стека TCP/IP

Рис. 9. Работа внутреннего стека TCP/IP

Использование внешнего TCP/IP стека

На рис. 10 приведено сравнение скоростей передачи данных в режимах 2G и 3G с использованием стека Windows. В режиме 2G достигнуты скорости приема/передачи 44/56 Кбит/с соответственно. В режиме 3G скорость обмена составила 4,48/1,22 Мбит/с при задержках порядка 40 мс. Задержка уменьшилась вдвое по сравнению с работой со встроенным стеком модулей.

Сравнение скорости передачи данных в 2G и 3G при использовании внешнего стека TCP/IP

Рис. 10. Сравнение скорости передачи данных в 2G и 3G при использовании внешнего стека TCP/IP

У разработчика есть альтернатива — либо использовать встроенные возможности модуля и сэкономить на стоимости разработки, либо использовать внешние системы для увеличения скорости.

Сканирование сети

На рис. 11 показаны логи выполнения команды сканирования сети с целью обнаружения БС. Более высокая чувствительность модуля EHS5 (на 3 дБм) выразилась в том, что было найдено суммарно 42 БС по сравнению с 21 для BGS2. Знание координат конкретных БС позволит определить местоположение абонентской станции методом триангуляции, хотя и с относительно невысокой точностью — порядка сотен метров. Впрочем, для многих приложений такой точности вполне достаточно.

Сравнение количества обнаруженных БС в режимах 2G и 3G

Рис. 11. Сравнение количества обнаруженных БС в режимах 2G и 3G

Следует также отметить наличие функции сканирования сети без SIM-карты.

 

Заключение

Основные выводы

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 защищенность каналов.
  • Высокая помехозащищенность.
  • Повышение качества телефонии за счет устранения замираний.
  • Гибкое распределение ресурсов.
  • Высокое качество речи в 3G.

Иначе говоря, 3G-устройства очевидно совершеннее во всем, 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/IOT стандарта LTE Cat. 0, LTE Cat. 1, LTE NB сможет использовать один источник питания типа батареи ААА в течение 10 лет.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.