Модуль беспроводной связи HL7800 компании Sierra Wireless

Канадская компания Sierra Wireless, основанная в 1993 году и специализировавшаяся на M2M-приложениях, в 2009 году объединилась с французской компанией Wavecom, которая являлась мировым лидером в производстве M2M (Machine to Machine) приложений. Технология M2M обеспечивает беспроводную связь между стационарными и мобильными устройствами благодаря использованию существующих сотовых сетей в любом сочетании и направлениях Machine-to-Mobile, Machine-to-Machine и Mobile-to-Mobile. После объединения компания выпускает продукцию под брендом Sierra Wireless Inc, а вся ее продукция выведена в отдельную линейку под брендом Wavecom.

В 2018 году компания выпустила модуль беспроводной связи и позиционирования HL7800, соответствующий стандарту LPWA (Low Power Wide Area) для «Интернета вещей». Устройства, удовлетворяющие этому стандарту, предназначены для работы в необслуживаемом режиме в течение длительного периода времени в отдаленных или труднодоступных местах. Основной особенностью таких устройств является низкое энергопотребление (low-power) и большой радиус действия (wide-area).

Модуль HL7800 для сетей Cat-M1/NB1 (Narrow Band — стандарт для узкополосных IoT-устройств) полностью совместим со стандартом 3GPP (международное объединение 3GPP — 3rd Generation Partnership Project) версии 13 выпуска 14, поддерживает функции NB2 и обеспечивает самое низкое энергопотребление среди устройств своего класса [1].

Модуль обеспечивает скорость обмена данными по нисходящему каналу до 300 кбит/с, а по восходящему — 375 кбит/с. Такая скорость обмена данными полностью удовлетворяет требованиям целого класса подключенных к сети устройств, которые попадают под категорию «Интернета вещей», а именно различных датчиков с низким расходованием энергии, не требующих высокой пропускной способности каналов связи.

Модуль HL7800 выпускается в форм-факторе CF3 и может работать в сетях 3G или 4G.

В таблице 1 представлена краткая информация об основных возможностях модуля HL7800.

Основные технические характеристики модуля HL7800 [2]:

• поддерживаемый стандарт 4G (LTE);
• категории Cat-M1/NB1;
• частотные полосы: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B9, B10, B12, B13, B14, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B27, B28, B66 (табл. 2);
• максимальная скорость данных при приеме: 300 кбит/с;
• максимальная скорость передачи данных: 375 кбит/с;
• поддерживаемые системы глобального позиционирования: GPS и Glonass;
• предварительно сертифицированная прошивка, безопасная загрузка;
• поддерживаемые технологии передачи звуковых сообщений: Digital Audio и VoLTE;
• системный драйвер Linux обеспечивает соответствие стандарту управления корпоративным контентом ECM (Enterprise content management), то есть системы электронного документооборота;
• интерфейсы связи UART 1×8-wire, USB, восемь GPIO, индикатор передачи, SIM-карта 1,8 В/3 В, два АЦП;
• встроенные часы реального времени;
• максимальная мощность передатчика: 23 дБм;
• диапазон рабочих температур: –40…+85 °C;
• корпус LGA (CF3 форм-фактор);
• габаритные размеры: 15×18×2,4 мм;
• масса: 1,17 г.

Примечание. *Предусматривается поддержка в следующих модификациях модуля.

Работу модуля поддерживают операторы: AT&T, KDDI, Sprint, Telstra, Vodafone. Планируемые по умолчанию операторы: docomo, LGU+, Rogers, T-Mobile, Verizon, Sierra Wireless. Встроенная SIM-карта (по заказу) позволяет осуществлять подключение к сети Sierra Wireless USIM. В модуле предусмотрена поддержка работы с облачными сервисами, бесплатное обновление ПО (FOTA upgrades), возможность управления подключением и устройством.

Рис. 1. Структура модуля HL7800

Структура модуля приведена на рис. 1 [2], а внешний вид — на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид модуля HL7800

В состав модуля входят приемопередатчик, устройство управления многосторонней связью (УУМС), цифровой сигнальный процессор (ЦСП), узел обработки аналоговых сигналов (содержит два АЦП), узел периферийных устройств, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), FLASH-память, узел подключения SIM-карты, встроенные генераторы тактовой частоты 26 МГц и часов реального времени 32,768 кГц и приемопередающий фронтально-оконечный модуль (TX FEM).

Рассмотрим подробнее некоторые характеристики этого модуля.

Напряжение питания 3,2–4,35 В (типовое значение 3,7 В), максимальный ток потребления по цепи питания VBATT —300 мА, по цепи VBATT_PA — 400 мА. Для экономии энергии предусмотрено несколько режимов работы модуля. Характеристики этих режимов приведены в таблице 3.

Примечания.
¹ PSM (Power Save Mode — режим сохранения энергии).
² eDRX (Extended Discontinuous Reception — расширенный прерывистый прием).
³ DRX (Discontinuous Reception — прерывистый прием).
⁴ PTW (Paging Time Window — пейджинговое окно времени).

Иллюстрация энергопотребления модулем HL7800 в различных режимах работы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тока потребления HL7800 от режима работы

HL7800 и HL7800-M поддерживают режим работы eDRX (Extended Discontinuous Reception — расширенный прерывистый прием), который является активным режимом «гибкого сна» и обеспечивает более длительную продолжительность сна и значительное снижение энергопотребления по сравнению с обычным DRX. Функция eDRX позволяет модулю контролировать не каждое пейджинговое событие (Paging Occasion — PO), а только те PO, которые относятся к окну PTW (Paging Transmission — пейджинговая передача), как показано на рис. 4. Цикл eDRX прерывается в каждый момент времени, который задается таймером сети TAU, и восстанавливается после ответа модуля. Затем цикл повторяется.

Рис. 4. Прерывание профиля низкого энергопотребления eDRX периодическим событием TAU с длительностью цикла 81,92 с

Более подробную информацию о различных режимах работы с пониженным энергопотреблением можно найти в [2].

Для связи с клиентскими устройствами возможно использование трех различных вариантов подключения по интерфейсу UART: 8-, 4- и 2-проводное подключение, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Подключение клиентских устройств к модулю HL7800 с помощью:
а) 8-проводного интерфейса UART;
б) 4-проводного интерфейса UART;
в) 2-проводного интерфейса UART

ВЧ-интерфейс модулей AirPrime HL7800 и HL7800-M позволяет передавать и принимать сигналы с помощью встроенной антенны. Рекомендуется подключать антенну через разъемы SMA, UFL (и подобные) с волновым сопротивлением 50 Ом. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 2,5:1 как при передаче, так и при приеме.

Максимальная выходная мощность передатчика AirPrime HL7800 и HL7800-M для всех диапазонов в нормальных условиях эксплуатации (+25 °C) не менее 21,5 и не более 24,5 дБм (типовое значение 23 дБм). Для индикации режима передачи на выводе С60 формируется сигнал TX_ON. Высокий уровень на этом выходе (1,8 В) соответствует режиму передачи.

Чувствительность приемника во всех полосах принимаемых сигналов для сетей Cat-M1 при ширине полосы принимаемого сигнала 5 МГц не хуже –103,5 дБм.

GPS-приемник AirPrime HL7800 и HL7800-M поддерживает прием сигналов GPS L1 ((1575,42 ±20) МГц) и сигналов GLONASS L1 FDMA (1597,5–1605,8 МГц). Приемник GPS использует те же радиочастотные узлы, что и приемник 4G. Поэтому рекомендуется применять модуль в тех приложениях, в которых положение объекта либо не изменяется, либо изменяется очень медленно. Чувствительность приемника GPS, время и ошибки позиционирования при различных условиях испытаний приведены в таблице 4.

Примечания.
¹ TBC (Trimble Business Center — геодезическая офисная программа, предоставляющая все существующие на сегодня возможности по обработке данных GNSS-измерений, автоматически преобразовывает данные GNSS-измерений в файлы соответствующего формата, а также позволяет импортировать данные через Интернет, что дает возможность за один шаг подгрузить в рабочий проект данные базовых станций, точные эфемериды и списки NGS).
² TTFF (Time To First Fix — время первого определения местоположения).

Полное описание АТ-команд для модуля HL7800 можно найти в «Руководстве по интерфейсу AT-команд» [3], а ответы на различные вопросы по применению модуля в [2] и на форуме компании Sierra Wireless [4].