Особенности использования NB-IoT-модулей Quectel

17 февраля

системы безопасностиучёт ресурсовавтоматизацияинтернет вещейQuectelстатьябеспроводные технологиисредства разработки и материалыGSMwirelessинтернет вещейNB IoTLPWAQuectel

Святослав Зубарев (г. Смоленск)

Системы NB-IoT уже сейчас получили широкое распространение по всему миру, а сама технология является одной из наиболее перспективных. Среди ведущих производителей NB-IoT-модулей одно из первых мест занимает компания Quectel, создающая устройства, которые имеют небольшой форм-фактор, малое энергопотребление и характеризуются простой интеграции, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации.

Появление стандарта LTE позволило значительно ускорить беспроводную передачу данных в мобильных устройствах. Однако использование данной технологии для построения IoT-систем во многом является нецелесообразным. Данный аспект связан не только с отсутствием в большинстве таких систем потребности в высокой скорости передачи (как правило, достаточно скорости 100…200 кбит/с), но и с необходимостью наличия у IoT-устройств таких качеств как:

  • малое энергопотребление, позволяющее устройствам работать от одного заряда аккумулятора несколько лет;
  • отсутствие проблем при высокой плотности размещения устройств IoT (до 1 млн на 1 км2);
  • возможность использования инфраструктуры существующих сетей сотовой связи при минимуме их модернизации;
  • бюджетность модулей.

Исходя из этих, а также ряда других требований, консорциум 3GPP стандартизовал три новые технологии, подходящие для использования в IoT:

  • eMTC (LTE-M, LTE Cat. M1) – технология на основе LTE, предназначенная для мобильных устройств с небольшими объемами передаваемых данных;
  • NB-IoT (Narrow Band IoT, Cat NB1) – технология на основе LTE, предназначенная для стационарных устройств с малыми объемами передаваемых данных и низким энергопотреблением;
  • EC-GSM – технология, представляющая собой эволюцию сетей GSM с прицелом на использование в IoT.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики рассмотренных выше технологий, основанные на данных 3GPP.

Таблица 1. Сравнение технологий передачи данных для IoT

Параметр eMTC
(LTE Cat. M1)
NB-IoT
(Cat NB1)
EC-GSM
Частотный диапазон В полосе лицензируемых частот FDD, TDD LTE (in-band) Три варианта размещения:
1) in-band LTE;
2) guard-band;
3) LTE, standalone в полосе частот FDD LTE
Только на частотах GSM (standalone)
Покрытие, дБм 155,7 164 164
Радиус действия, км До 11 До 15 До 15
Ширина полосы 1,08 МГц 180 кГц 200 кГц на канал, типичная полоса – 2,4 МГц
Скорость передачи данных, макс., кбит/с 1000 200 70
Режим работы Дуплекс, полудуплекс Полудуплекс Полудуплекс
Мобильность объекта Допускается Ограничена Ограничена
Режимы энергосбережения PSM, DRX, eDRX PSM, DRX, eDRX PSM, DRX
Излучаемая мощность, дБм 23 и 20 23 33 и 23
Необходимость модернизации сети Требуется Для ряда производителей требуется только обновление ПО Требуется

Как видно из таблицы 1, преимуществами eMTC являются высокая скорость передачи данных и мобильность, что позволяет использовать модули eMTC для мониторинга движущихся объектов. NB-IoT, в свою очередь, имеет лучшее покрытие и существенно меньшую ширину полосы пропускания, позволяющую использовать защитные интервалы и тем самым никак не влиять на емкость LTE-сети. Кроме того, некоторые производители оборудования сообщают, что модернизация сетей LTE для работы с NB-IoT потребует только обновления программного обеспечения без необходимости изменения аппаратной части устройств, что существенно сократит затраты для операторов сети. NB-IoT ориентирован на неподвижные (стационарные) приложения, так как не поддерживает автоматическое переключение между сотами (handover). При перемещении в другую соту устройству NB-IoT придется снова регистрироваться в сети.

NB-IoT и eMTC получили широкое распространение по всему миру, причем в ряде стран, таких как Россия, Китай, ЮАР, страны Восточной Европы, технологии NB-IoT отдается приоритет (рисунок 1). Тем не менее, существует мнение, что в недалеком будущем обе технологии – и NB-IoT, и eMTC, – будут развернуты повсеместно.

Рис. 1. Карта распределения технологий eMTC и NB-IoT

Рис. 1. Карта распределения технологий eMTC и NB-IoT

Технология NB-IoT

NB-IoT относится к стандарту LPWA (Low Power Wide Area), предназначенному для приложений M2M (Machine-to-Machine), которые требуют низкоскоростной передачи данных и работы в автоматическом режиме в течение длительного периода времени, например, таких как автоматический сбор показаний со счетчиков, датчиков, дистанционное управление уличным освещением и так далее (рисунок 2).

Преимуществами использования NB-IoT является малое энергопотребление модулей (при использовании режимов энергосбережения PSM и DRX/eDRX), большой энергетический потенциал линии связи (164 дБ), относительно низкая стоимость и постоянно расширяющаяся зона покрытия.

Рис. 2. Области применения NB-IoT-систем

Рис. 2. Области применения NB-IoT-систем

На территории Российской Федерации, согласно решению ГКРЧ от 28 декабря 2017 года, для NB-IoT могут использоваться следующие полосы частот:

  • 453…457,4 МГц;
  • 463…467,4 МГц;
  • 791…820 МГц;
  • 832…862 МГц;
  • 880…890 МГц;
  • 890…915 МГц;
  • 925…935 МГц;
  • 935…960 МГц;
  • 1710…1785 МГц;
  • 1805…1880 МГц;
  • 1920…1980 МГц;
  • 2110…2170 МГц;
  • 2500…2570 МГц;
  • 2620…2690 МГц.

Исключение касается частот 453…453,15 и 463…463,15 МГц на территории Москвы и Московской области.

Несмотря на широкий перечень допустимых для работы частот (по сути, для NB-IoT доступны все частотные диапазоны, которые когда-либо использовались для построения сетей сотовой связи), операторы, занимающиеся построением NB-IoT-систем, используют лишь некоторые из них:

  • компания Мегафон использует диапазон B8 (UL: 880…915 МГц, DL: 925…960 МГц);
  • компании МТС, Билайн, Теле2 – диапазоны B20 (UL: 832…862 МГц, DL: 791…821 МГц) и B3 (UL: 1710…1785 МГц, DL: 1805…1880 МГц).

Таким образом, наиболее актуальными диапазонами NB-IoT для РФ можно считать B20, B8 и B3.

NB-IoT-модули производства Quectel

Если с операторами и диапазонами все более-менее понятно, то что насчет аппаратной части? Одним из наиболее перспективных производителей NB-IoT-модулей на сегодняшний день является основанная в 2009 году компания Quectel Wireless Solutions, или просто Quectel. Quectel является мировым лидером в области производства модулей для сотовой связи и одной из первых компаний, представивших собственные NB-IoT-модули на мировом рынке. На сегодня компанией изготовлено свыше 2 млн модулей NB-IoT. Модули производства Quectel характеризуются компактными размерами, малым энергопотреблением, простой интеграцией, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации. Головной офис компании находится в Шанхае (Китай), однако она также имеет региональные представительства в Италии, Франции, Дании, России, Польше, Израиле, США, Бразилии, Австралии, Сингапуре, Южной Корее, Индии и других странах.

Условно модули NB-IoT производства Quectel можно разделить по фирме/производителю чипсета. Основными сериями данных модулей на сегодняшний день являются:

  • BG95, BG96, BG77, BG600L-M3, BC660K-GL – чипсет Qualcomm;
  • BC66, BC66-NA – чипсет Mediatek;
  • BC95-G, BC68, BC950V-GL, BC680V-GL – чипсет HISILICON;
  • BC92, BC65 – чипсет UNISOC.

Стоит отметить, что почти для каждой серии есть варианты модулей, выполненные в конструктиве pin-to-pin и позволяющие с наименьшими затратами заменять старые модули на модули следующего поколения.

Более подробные характеристики NB-IoT-модулей Quectel приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики NB-IoT-модулей производства компании Quectel

Наимено-
вание
Чипсет Поддержи-
ваемые технологии
Поддержи-
ваемые
диапазоны, МГц
Напряжение питания, В Энерго-
потребление
Корпус, размер (ДхШхВ), мм Особенности
модуля
BG96 Qualcomm MDM9206 Cat M1, Cat NB1, EGPRS Cat M1/NB1: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B39;

EGPRS: 850, 900, 1800, 1900

3,3…4,3 10 мкA при задействован-
ном PSM
102-pin LGA, 26,5×22,5×2,3 Поддержка QuecOpen Мбайт RAM; QuecLocator; обновление прошивки по USB; DFOTA (обновление прошивки по беспроводной сети)
BG95 Qualcomm MDM9206 Cat M1, Cat NB2, EGPRS LTE-FDD: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B27, B28, B31, B66, B71, B72, B73, B85;

EGPRS: 850, 900, 1800, 1900

2,6…4,8 (BG95-M1/-M2); 3,3…4,3 (BG95-M3/-M5/-M6/-MF); 3,2…4,2 (BG95-M4) 3,9 мкА при задействован-
ном PSM (USB и UART отключены)
102-pin LGA, 23,6×19,9×2,2 Поддержка SIM: eSIM/SoftSIM/nuSIM; поддержка облачных сервисов AWS/Azure; QuecLocator; QuecOpen
BG77 Qualcomm MDM9205 LTE Cat M1, Cat NB2 LTE-FDD: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B27, B28, B66, B71, B85 2,6…4,8 3,2 мкА при задействованном PSM (USB и UART отключены) 94-pin LGA, 14,9×12,9×1,7 SoftSIM; QuecLocator; QuecOpen; обновление прошивки: по USB, DFOTA; Jamming Detection
BG600L-M3 Qualcomm MDM9205 Cat M1, Cat NB2, EGPRS LTE-FDD: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B18, B19, B20, B25, B26, B27, B28, B66, B71. B85;

EGPRS: 850, 900, 1800, 1900

3,3…4,3 4 мкА при задействованном PSM (USB и UART отключены) 68-pin LGA, 18,7×16,0×2,1 Обновление прошивки: по USB, DFOTA; QuecOpen; QuecLocator
BC660K-GL Qualcomm QCX212 Cat NB2 LTE Cat NB2: B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B14, B17, B18, B19, B20, B25, B28, B66, B70, B85 2,2…4,3 800 нА при задействованном PSM; 0,038 мА в режиме ожидания (eDRX = 40,96 с); 0,11 мА в режиме ожидания (DRX = 2,56 с) 58-pin LCC, 17,7×15,8×2 eSIM; контроль заряда батареи; QuecOpen; DFOTA
BC66 MTK MT2625 Cat NB1 B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B66 2,1…3,63 3,5 мкА при задействованном PSM; 0,24 мА в режиме ожидания (eDRX = 81,92 с); 0,35 мА в режиме ожидания (DRX = 2,56 с); 110 мА при LTE Cat NB1, 23 дБм 58-Pin LCC, 17,7×15,8×2 QuecOpen; DFOTA; eSIM
BC66-NA MTK MT2625 Cat NB2 B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B66, B71, B85 2,1…3,63 3,5 мкА при PSM; 0,13 мА в режиме ожидания (eDRX = 81,92 с); 0,25 мА в режиме ожидания (DRX = 2,56 с); 95 мА при LTE Cat NB2, 23 дБм 58-pin LCC, 17,7×15,8×2 QuecOpen; DFOTA; ECID (Enhanced Cell ID); OTDOA (Observed Time Difference of Arrival); eSIM
BC65 UNISOC RDA8908A LTE Cat NB1, LTE Cat NB2 B1, B3, B5, B8, B20, B28 3,2…4,2 4 мкА при задействованном PSM 58-Pin LCC, 17,7×15,8×2,2 Встроенное определение температуры АЦП; QuecOpen; DFOTA
BC92 UNISOC RDA8909B LTE Cat NB1, LTE Cat NB2, GSM LTE Cat NB2: B3, B5, B8, B20, B28;

GSM: 850, 900, 1800, 1900

3,4…4,2 4 мкА при PSM; 1,2 мА при задержке (DRX = 2,56 с) 50-pin LCC, 23,6×19,9×2,2 Встроенное определение температуры АЦП; DFOTA; QuecOpen
BC95-G HiSilicon Boudica 150 (Hi2115) 3GPP Rel-14, Cat NB1, Cat NB2 B1, B3, B8, B5, B20, B28 3,1…4,2 3 мкА при PSM; 0,5 мА в режиме ожидания (DRX = 2,56 с, ECL0); 250 мА при передаче, 23 дБм (B1/B3); 220 мА при передаче 23 дБм (B8/B5/B20); 280 мА при передаче 23 дБм (B28); 130 мА при передаче 12 дБм (B1/B3/B8/B5/B20/B28); 70 мА при передаче 0 дБм (B1/B3/B8/B5/B20/B28); 60 мА при приеме 94-pin LCC, 23,6×19,9×2,2 DFOTA; RAI: Release Assistance Indication; ECID: Enhanced Cell ID; OTDOA; QuecOpen
BC950V-GL HiSilicon Boudica 200 (Hi2120) 3GPP Rel-14, 3GPP Rel-15, Cat NB2 B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B28, B66, B31 2,1…4,2 В разработке LCC+LGA, 23,6×19,9×2,2 DFOTA; RAI; ECID; OTDOA; QuecOpen; интегрированный BLE 5.0
BC68 HiSilicon Boudica 150 (Hi2115) 3GPP Rel-14, Cat NB2 B1, B3, B8, B5, B20, B28 3,1…4,2 3 мкА при PSM; 0,5 мА в режиме ожидания (DRX = 2,56 с, ECL0); 250 мА при передаче 23 дБм (B1/B3); 220 мА при передаче 23 дБм (B8/B5/B20); 280 мА при передаче 23 дБм (B28); 130 мА при передаче 12 дБм (B1/B3/B8/B5/B20/B28); 70 мА при передаче 0 дБм (B1/B3/B8/B5/B20/B28); 60 мА при приеме 58-pin LCC, 17,7×15,8 x2 DFOTA; RAI; ECID; OTDOA; QuecOpen
BC680V-GL HiSilicon Boudica 200 (Hi2120) 3GPP Rel-14, 3GPP Rel-15, Cat NB2 B1, B3, B5, B8, B20, B28 2,1…4,2 В разработке 58-pin LCC, 17,7×15,8 x2 DFOTA; RAI; ECID; OTDOA; QuecOpen; интегрированный BLE 5.0

Как видно из таблицы 2, практически все модули производства Quectel поддерживают фирменную технологию QuecOpen. Благодаря данной технологии модуль может выполнять роль основного процессора в приложении. QuecOpen прекрасно подходит для решений, не требующих большой вычислительной мощности и позволяет в значительной степени упростить процесс проектирования аппаратного и программного обеспечения, снизить стоимость конечного продукта, а также уменьшить его габариты и потребляемую мощность.

Другой фирменной технологией, также заслуживающей внимания, является QuecLocator. QuecLocator представляет собой технологию сотового позиционирования, которая позволяет улучшать и дополнять данные, получение посредством GNSS, благодаря информации из ячеек мобильной сети. Это особенно актуально в условиях плохого сигнала, например, при нахождении в помещении, каньоне или при глушении сигналов GNSS.

Режимы экономии энергии NB-IoT-модулей

Модули NB-IoT производства компании Quectel поддерживают несколько режимов энергосбережения, позволяющих существенно экономить заряд батареи и сохранять работоспособность в течение длительного периода времени. К примеру, модуль NB-IoT может работать вплоть 10 лет от одной батарейки при условии передачи 200 байт информации один раз в день.

NB-IoT-модули Quectel имеют следующие режимы энергопотребления:

  • Idle mode представляет собой режим ожидания, при котором модуль ожидает отправки/приема данных от сети;
  • DRX (discontinuous reception) – режим прерывистого приема, при котором модуль принимает сообщения от сети не постоянно, а в течение определенных периодов времени;
  • eDRX (extended discontinuous reception) – расширенный режим прерывистого приема. eDRX имеет более длинный цикл пейджинга, чем DRX, что позволяет повысить уровень энергосбережения, но также вызывает более длительную задержку при приеме данных;
  • PSM (Power Saving Mode) позволяет модулю отключать питание, оставаясь при этом зарегистрированным в сети, и не переустанавливать PDN каждый раз при необходимости передать данные.

Рассмотрим данные режимы более подробно.

Idle mode

При работе в данном режиме модуль находится в состоянии ожидания. Чтобы передать данные на устройство, которое находится в Idle mode, сеть выполняет процедуру оповещения – пейджинг (Paging). При получении сообщения пейджинга модуль начинает коммуникацию с сетью. Однако чтобы не пропустить сообщение пейджинга, модулю необходимо постоянно мониторить эфир, что является достаточно энергозатратным мероприятием. Здесь на помощь и приходят режимы DRX/eDRX, которые проверяют эфир не постоянно, а в определенные периоды времени. Если сообщений от сети не поступает в течение заданного времени, модуль из Idle mode переходит в режим PSM (рисунок 3).

Рис. 3. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, DRX, PSM

Рис. 3. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, DRX, PSM

DRX

DRX представляет собой режим прерывистого приема. Принцип прерывистого приема известен в сотовой связи достаточно давно и заключается в том, что для экономии энергии приемный тракт модуля включается периодически в определенные моменты, а большую часть времени отключен. Во время процедур Attach (подключение к сети) или TAU (Tracking Area Update – периодическая процедура, которая используется в LTE для уведомления сети о доступности и местоположении устройства) модуль согласовывает с сетью временные промежутки, в течение которых он будет мониторить эфир. Как следствие, отправка сообщения пейджинга сетью будет происходить именно в эти же промежутки, что позволит не держать тракт приема в постоянно включенном состоянии и снизить энергопотребление. В режиме DRX работа модуля разбивается на циклы. В начале каждого цикла идет так называемое «окно пейджинга» (Paging Time Window, PTW), которое представляет собой время, за которое модуль как раз и мониторит эфир.

Модули NB-IoT поддерживают длительности циклов DRX, содержащие 128, 256, 512 и 1024 радиофреймов, что эквивалентно 1,28; 2,56; 5,12 и 10,24 секундам, однако наиболее распространенным форматом DRX являются 1,28 и 2,56 с.

Режим DRX прекрасно подходит для сценариев с высокими требованиями к работе в режиме реального времени, но малым энергопотреблением, например, для умных уличных фонарей.

eDRX

Данный режим был впервые представлен в 3GPP Rel.13 и, в отличие от DRX, имеет более длинный цикл пейджинга, что позволяет повысить уровень экономии энергии, но также вызывает более длительную задержку данных нисходящего канала. Согласно спецификации 3GPP TS 23.682, период прерывистого приема eDRX в NB-IoT-модулях может составлять 20,48…10485,76 секунды (почти 3 часа), однако наиболее распространенными значениями являются 20,48 и 81,92 секунд (рисунок 4).

Рис. 4. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, eDRX, PSM

Рис. 4. Режимы работы модуля NB-IoT: Idle, eDRX, PSM

PSM

Этот режим во многом схож с обычным отключением устройства, однако в данном случае модуль сохраняет регистрацию в сети. Активация режима PSM происходит путем передачи в сообщениях «Attach Request» или «Tracking Area Request», отправляемых в период исполнения процедур Attach и TAU, значений таймеров T3324 (Active Timer) и T3412 (Extended periodic TAU Timer). Значение первого устанавливает период времени, в течение которого модуль сохраняет доступность для других устройств сети после исполнения процедур Attach, TAU или окончания передачи. Значение второго таймера устанавливает период процедуры TAU. Во время отправки значений таймеров сеть принимает не только сами значения, но и локальную конфигурацию устройства.

Продолжительность нахождения модуля в режиме PSM определяется посредством вычитания из T3412 значения T3324. Поскольку величина T3324 может принимать нулевое значение, максимальная длительность нахождения в PSM будет соответствовать максимальному значению T3412, то есть 413 дней и 8 часов. Максимальное значение T3324 в свою очередь составляет 3 часа и 6 минут.

Стоит отметить, что в режиме PSM модуль доступен только для входящих коммуникаций. При необходимости отправки данных в сеть модуль для начала должен выйти из PSM, оставшись после этого активным в течение таймера T3324 для приема информационных сообщений от сети.

Итог

Системы NB-IoT уже сейчас получили широкое распространение по всему миру, а сама технология является одной из наиболее перспективных, когда дело касается приложений, которые не нуждаются в высокоскоростной передаче данных, но в то же время требуют длительного периода работы от одного заряда аккумулятора или батареи. Простота протокола взаимодействия позволяет соединять в сеть десятки тысяч устройств NB-IoT, а сама сеть может быть развернута на базе уже существующих станций стандарта 2G/3G.

Одной из первых компаний, которая вывела на мировой рынок модули NB-IoT является Quectel Wireless Solutions. Модули Quectel характеризуются небольшим форм-фактором, малым энергопотреблением (работа от одной батареи до 10 лет), простой интеграцией, доступностью и возможностью работы в жестких условиях эксплуатации. Данные модули находят широкое применение в различных областях, начиная от коммунальных услуг (счетчики, системы освещения), систем умного дома (умные замки и датчики, системы оповещения) и заканчивая промышленностью и сельским хозяйством (газоанализаторы, датчики кислотности почвы и так далее).

Литература

  1. Quectel LPWA Module Product Overview, September, 2020
  2. Quectel Products Portfolio, September 2020
  3. BC92 Release Notes and FAQs, Version: 1.0.0 Date: 2020-09-17
•••

Наши информационные каналы

О компании Quectel

Компания Quectel предлагает высокопроизводительные сотовые (2G, 3G, 4G,..) и GNSS (GPS, GLONASS,..) модули. Для того, чтобы полностью удовлетворить потребности клиента, Quectel обеспечивает не только широкий ассортимент продукции с многочисленными встроенными функциями, способными удовлетворить самые сложные требования от всего сегмента рынка, но и обеспечивает всестороннюю техническую поддержку для разработчиков в стадии разработки и тестирования. Малый форм-фактор, низкое энергопотребление, ...читать далее

Товары
Наименование
BC92RB-08-STD (QUECTEL)
BC95GJB-02-STD (QUECTEL)
BC95GJB-02-STD/BC95GJBR01A03 (QUECTEL)
BC95GJB-02-STD/BC95GJBR01A04 (QUECTEL)
BC92RBTEB-KIT (QUECTEL)
BC66NBTEB-KIT (QUECTEL)
BC68JA-02-STD (QUECTEL)
BC68JATEB-KIT (QUECTEL)
BG96MATEA-128-SGN (QUECTEL)
BG96MATEA-128-SGNS (QUECTEL)
BG96MA-128-SGNxEXG (QUECTEL)
BG96MA-128-SGN (QUECTEL)
BG96MA-128-SGNEXG (QUECTEL)