Определяем частоту, уровень сотового сигнала и расположение базовых станций Операторов с помощью программ на смартфоне – ПО СПЕЦАНТЕННЫ Связь без преград!

В линейке продукции Thales – Gemalto особое место занимают LTE-модули, изготовленные по стандарту PCI Express Mini Cards (PCIe) [1].

Модемы этого типа имеют стандартный разъем PCI Express Mini Card system connector — 52 pin. Стандарт PCIe позволяет создавать пакетные сети с топологией типа «звезда». Поэтому устройства PCIe, взаимодействуя между собой, связаны непосредственно с коммутатором соединением в топологии «точка-точка». Шина PCI Express поддерживает горячую замену карт, качество передачи данных (QoS), а также управление режимами энергопотребления. Основоположником стандарта PCI Express считается фирма Intel. Первый вариант спецификации PCI Express был опубликован в июле 2002 года. В настоящее время развитием и продвижением стандарта PCI Express занимается некоммерческое объединение PCI Special Interest Group (PCI SIG) [2].

В совете директоров PCI SIG представлены такие ведущие производители микроэлектроники, как Intel, Microsoft, IBM, AMD, Sun Microsystems, HP, Broadcom, Agilent Technologies, NVIDIA, и другие.

Основные сигнальные линии, выведенные на контактные площадки PCIe-карты, одинаковы для всех изделий этого стандарта. Неподключенные выводы различные производители могут применять по своему усмотрению.

Стандарт рекомендует использовать подключения сигнальных линий, приведенные в таблице 1 [3].

Внешний вид модуля Gemalto PLS8 PCIe показан на рис. 1.

Форм-фактор PCIe ограничен 52 контактами (табл. 1), что не позволяет в полной мере использовать все возможности базового модуля. Поэтому его некоторые интерфейсы (табл. 2) не поддерживаются в PCIe-картах Cinterion. При необходимости использования этих интерфейсов возможна установка базового модуля непосредственно на печатную плату конечного устройства.

Модемные карты Cinterion LTE стандарта PCI Express можно быстро подключить к 52-контактным разъемам, в том числе и в горячем режиме, без выключения питания основного устройства. Тем самым обеспечивается практически мгновенный доступ к сотовым сетям для большинства приложений IoT. Усовершенствованная система управления питанием поддерживает оптимальный режим ожидания для экономии энергии и продления срока службы батареи.

В настоящее время выпускаются три модели Cinterion LTE Express Mini Cards, предназначенные для работы в различных регионах мира (NORAM, EMEA, APAC) в определенных частотных диапазонах:

• mPLS62-W — LTE Cat. 1, 3G/2G fallback;
• mPLS8-E — LTE Cat. 3, 3G/2G fallback;
• mPLS8-US — LTE Cat. 3, 3G/2G fallback;
• mPLAS9-X — LTE Cat. 6, 3G/2G fallback
• mPLAS9-W — LTE Cat. 6, 3G/2G fallback.

Буквенные индексы определяют регион: EMEA (Europe, the Middle East and Africa); NORAM (North American Region, US), APAC (Asia Pacific), WORLDWIDE.

Модели этой серии — mPLS62, mPLS8 и mPLAS9 — рассчитаны на работу в сетях LTE Cat. 1, Cat. 3, Cat. 6 со скоростями DL/UL соответственно 10,2/5,2 с; 100/50 и 300/50 Мбит/с. Поэтому инженеры могут выбрать любой из вариантов, оптимальный для определенного приложения с точки зрения технических характеристик и цены.

Карта Cinterion mPLS62 обеспечивает уверенную работу в сетях LTE Cat. 6 в 12 частотных диапазонах FDD-LTE, семи диапазонах 3G HSPA/UMTS (WCDMA/FDD) и Quad Band 2G GSM. Встроенная платформа Java embedded system модуля mPLS62 предоставляет широкие возможности для разработки собственных уникальных программных приложений для конкретного вида оборудования. Загрузка, обновление и удаление пользовательских приложений, а также обновление встроенного ПО в модулях mPLS62 могут быть реализованы как через локальный интерфейс USB, так и удаленно — через защищенный канал с помощью механизма OTAP/DFOTA. Производитель также предоставляет возможность использования фирменной облачной платформы MODS. Все перечисленные действия возможно выполнить из веб-интерфейса данного сервиса.

Модемные карты Cinterion mPLS8-E и mPLS8-US предназначены для эксплуатации в сетях LTE Cat. 3 на европейских и американских диапазонах частот, соответственно 5-Band LTE, 3-Band UMTS/WCDMA и 2-Band GSM/GPRS/EDGE. Базовый модуль PLS8, который является основой PCIe-карты mPLS8, имеет встроенный ГНСС-приемник с поддержкой систем спутниковой навигации GPS, Galileo и ГЛОНАС. Приемник GNSS поддерживает протокол NMEA через интерфейс USB. По умолчанию приемник GNSS отключен. Его включение и настройка осуществляются с помощью АТ-команд. На корпусе всех карт LTE PCIe Cinterion имеется два антенных разъема для разнесенных антенн GSM/UMTS/LTE. Модем mPLS8 оснащен третьим разъемом для подключения активной или пассивной антенны ГНСС.

Модемная карта mPLAS9 LTE Cat. 6 поддерживает 11 диапазонов LTE Advanced, четыре диапазона LTE-Advanced TDD и 2G/3G глобального покрытия. В этой модемной карте реализованы инновационные технологии, позволившие получить скорости передач 300/50 Мбит/с (DL/UL) при высокой чувствительности в условиях высоких помех и слабого сигнала.

Технические характеристики Gemalto LTE PCIe-карт приведены в таблице 2. Каждая из модемных карт имеет свой собственный базовый модуль Gemalto — Cinterion: PLS62-W (LTE Modem Card mPLS62-W); PLS8-E (LTE Modem Card mPLS8-E); PLAS9-W (LTE Modem Card mPLAS9-W). Между собой модемные карты различаются диапазоном рабочих частот и параметрами, которые определяются соответствующими поддерживаемыми классами LTE Cat. 1, 3, 6.

Практически LTE PCIe модемные карты Cinterion представляют собой плату с разъемом PCI Express Mini Card system connector — 52 pin и антенными разъемами, на которую напаян базовый модуль (рис. 2).

Для этих модемных карт единым является стандарт PCI Express Mini Cards. Кроме того, все карты имеют несколько одинаковых параметров, в том числе напряжение питания (номинал 3,3 В), интервал рабочих температур –40… 85 °C, механизмы включения и аварийного отключения питания, параметры UICC, SMS, USB.

Напряжение питания для всех LTE PCIe Cinterion модемных карт находится в пределах 3–3,6 В. Все карты используют пять контактов 3,3 В и 14 «земляных» контактов, выведенных на 52-контактный системный разъем.

Все модели имеют двухпроводной интерфейс USB (USB_D , USB_D–), реализованный в соответствии со стандартом PCIe на 52-контактном разъеме (табл. 1). Этот интерфейс соответствует USB 2.0 High Speed (480 Мбит/с) и совместим с USB Full Speed (12 Мбит/с). Из-за отсутствия выделенной линии контроля напряжения на системном разъеме модемная карта mPLS62-W идентифицируется как устройство с автономным питанием согласно стандарту Universal Serial Bus Specification Revision 2.0. С помощью этого интерфейса реализуется работа USB-модема. Кроме того, доступны шесть дополнительных портов (Gemalto M2M ports), поддерживающих АТ-интерфейс модуля. Соответствующие конфигурации модема и АТ-интерфейса (configuration files INF) доступны на сайте Gemalto M2M Extranet. Для работы под ОС Windows производитель предоставляет USB-драйверы; для работы под ОС Linux используются стандартные драйверы “cdc_acm” и “cdc_ether”.

Все LTE PCIe модемные карты оснащены двумя SIM/UICC-интерфейсами, соответствующими стандарту ISO/IEC 7816-3 и выведенными на 52-контактный разъем. Данные интерфейсы позволяют подключать к модему внешние SIM/UICC-карты (рис. 2). Интерфейсы SIM поддерживают карты 1,8 и 3 В согласно GSM 11.12 Phase 2. Параметры сигналов SIM/UICC-интерфейсов модемных карт LTE PCIe Cinterion приведены в таблице 3.

Кроме того, на самой плате LTE-модемов напаян держатель micro-SIM (3FF), предназначенный для работы модемов с картами micro-SIM card (3FF).

Следует обратить внимание на то, что невозможна одновременная работа с внешними и встроенными SIM/UICC-картами.

Общим для всех рассматриваемых в этой статье модемных карт является сигнал W_DISABLE1#, который автоматически запускает модем в рабочее состояние сразу после подачи питания 3,3 В на соответствующие выводы 52-контактного разъема (табл. 1). Перезапустить модем можно командой AT^SMSO. Если линия W_DISABLE1# установлена на низкий уровень, то автоматическое включение модема будет дезавуировано. При этом команда AT^SMSO просто выключит модем. Рекомендуется управлять линией W_DISABLE1# с помощью биполярного транзистора с открытым коллектором или полевого транзистора с открытым стоком. Кроме того, LTE PCIe Cinterion модемные карты можно перезапускать, изменяя уровень линии PERST# Signal с низкого на высокий, либо подачей команды AT CFUN=1,1.

Линия WAKE#Signal контролируется сигналом модема RING0, а также входящими сообщениями SMS и URC. Линия RING0 (Ring line) активируется как виртуальная Virtual ring line, если URC появляется на USB-интерфейсе.

Модемные карты оснащены системами аварийного отключения питания при превышении заданных порогов температуры и рабочего напряжения. Встроенный датчик NTC измеряет температуру базового модуля. Если на модуле обнаружена повышенная (> 90 °C) или пониженная (< –40 °C) температура, LTE-модемы автоматически отключаются.

При процедуре автоматического выключения модемные карты выходят из сети, и программное обеспечение реализует режим безопасного состояния, позволяющий избежать потери данных.

После того как модем возвратится в допустимый температурный диапазон, он автоматически включается в полноценный рабочий режим, если автоматическое включение не запрещено низким уровнем на линии W_DISABLE1#.

Предупреждающие сообщения URC, передаваемые непосредственно до аварийного выключения модема, настраиваются командой AT^SCTM, приведенной в [1].

Все модели модемных карт mPLS62, mPLAS9, mPLS8 поддерживают антенный интерфейс GSM/UMTS/LTE, который содержит основную антенну GSM/UMTS/LTE и антенну UMTS/LTE Rx diversity/MIMO. Разнесенная антенна позволяет повысить надежность и качество передачи сигнала. Для подключения обеих антенн используются два разъема U.FL-R-SMT, размещенных на корпусе карты.

Базовый модуль PLS8 модемной карты mPLS8 оснащен встроенным GNSS-приемником. Поэтому карта, кроме двух указанных выше антенных разъемов (GSM/UMTS/LTE и UMTS/LTE Rx diversity/MIMO), имеет антенный разъем для работы с сигналами ГНСС, к которому можно подключить как активные, так и пассивные антенны с импедансом 50 Ом. Антенный и RF-интерфейсы карты mPLS8 позволяют одновременно работать с сигналами GSM/UMTS/LTE и GNSS. Интерфейс GPIO поддерживает следующие антенные линии: ANT_CTRL0, ANT_CTRL1, а также может быть задействован для светодиодной индикации режимов работы модема (LED_WLAN# и LED_WPAN#).

Модемная карта mPLS8 обеспечивает напряжение питания, необходимое для подключения активной антенны GNSS. По умолчанию этот источник питания и приемник ГНСС не задействованы. Они включаются специальными АТ-командами (AT^SGPSC GNSS Configuration). На рис. 3 показана схема подключения активной антенны GNSS к модемной карте mPLS8.

Основные технические характеристики ГНСС модемной карты mPLS8 приведены в таблице 4.

Данные таблицы 4 получены при условии, что время ожидания составляет не менее 300 с; QoS = 1000 м; CEP 50; число видимых спутников не менее 4, минимальный уровень сигнала –130 дБм на антенне соответствует; C/No = 42 дБ в сообщении NMEA $ GPGSV; активирована строка DR_SYNC с помощью команды AT: AT^SGPSC = «Nmea / DRSync», «on».

Следует отметить, что тест холодного запуска может быть инициирован командой AT: AT^SBNW = «agps», –1. Рекомендуется сделать резервную копию стартовых параметров приемника в реальном времени с использованием линии VDDLP.

Модемные карты LTE PCIe Cinterion могут работать в различных режимах энергосбережения, приведенных в таблице 5.

Для управления картами LTE PCIe Cinterion используются как стандартные (Hayes 3GPP TS 27.007, TS 27.005), так и специальные АТ-команды, разработанные Gemalto [4].

Стандартный набор включает такие хорошо известные команды, например, как конфигурационные (AT&F, AT&V, AT CFUN и т. д.); идентификационные и статусные (AT CGMM, AT CEER, AT CPAS и т. д.); команды контроля безопасности (AT CPIN, AT CPWD и т. д.); сетевые команды (AT COPS, AT CREG и т. д.).

Кроме стандартных, для модулей LTE разработаны и сугубо специальные команды Gemalto, например: AT^SCFG — Extended Configuration Settings; AT^SMSO — Switch Off; AT^SIND — Extended Indicator Control. Подробное описание АТ-команд можно найти, в частности, в документе Cinterion PLS8-E AT Command Set.

Если говорить о различиях между рассмотренными LTE PCIe-картами Cinterion, то наиболее выделяется mPLS8. Основные отличительные черты этой серии от других — LTE CAT 3, встроенный GNSS, Multiplexer в соответствии с 3GPP TS 27.010, Multiple Operator VoLTE support, CSFB (circuit-switched fallback), 2×2 DL-MIMO support.

Поскольку LTE представляет собой IP-сеть с пакетной передачей, то для доставки голосовых и SMS-сообщений в сеть LTE через GSM-канал или другие сети с коммутацией линий используется технология CSFB [5].

Из отличительных черт mPLS62 можно отметить встроенную платформу Java Open Platform, удаленное обновление программного обеспечения FOTA, функцию SAT с поддержкой BIP (class b, c, e); RLS Monitoring (Jamming detection), Informal Network Scan, Cell ID based Location Support. Встроенная платформа Java Open Platform модемной карты mPLS62 поддерживает такие важные функции, как Java profile IMP-NG & CLDC 1.1 HI; безопасность с использованием протоколов HTTPS/SSL1; многопоточное программирование и многопоточный блок поддержки приложений. Объем памяти, доступной для программ Java, составляет 30 Мбайт флэш и 18 Мбайт оперативной памяти.

Одной из последних разработок Gemalto является модуль PLAS9-W с поддержкой высокоскоростной технологии LTE Advanced Cat. 6. Модемная PCIe-карта mPLAS9-W изготовлена на базе этого модуля. Основная особенность данной карты — это скорость передачи данных до 300 Мбит/с. Кроме того, mPLAS9-W может работать и в сетях предыдущих поколений 2G и 3G. Базовый модуль и сама карта mPLAS9 поддерживают функцию агрегации каналов (Intra-Band-Contiguous and Inter-Band Carrier Aggregation in Downlink CA-DL) и функцию «множественный вход — множественный выход» (2×2 DL-MIMO). В модуле задействованы две передающие и две принимающие антенны (2×2). За счет CA-DL и MIMO значительно увеличивается полоса пропускания канала, обеспечивающая скорость передачи данных от базовой станции до 300 Мбит/с.

Следует также отметить функцию Antenna diagnostics, которая позволяет свести к минимуму ошибки, возникающие в приемных антеннах [6].

Карта mPLAS9 предназначена для использования в промышленных компьютерах, высокоскоростных маршрутизаторах и шлюзах, в системах рекламного потокового видео и других аналогичных приложениях.

Для тестирования и разработки изделий на базе модемных карт Gemalto PCIe mPLAS9, mPLS8 и mPLS62 выпускается Gemalto LTE Modem Card Adapter Board, внешний вид которой показан на рис. 4 [7].

Использование Gemalto LTE Modem Card Adapter Board сокращает время и затраты на разработку, оптимизирует схему конечного устройства и уменьшает его стоимость.

На плате LTE Modem Card Adapter Board расположены разъемы для подключения модемной карты, а также переключатели и контактные площадки, позволяющие контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках карты. Для контроля работы используется светодиодная индикация. Питание платы от внешнего сетевого адаптера подается через специальный разъем. На плате имеется внешний держатель SIM-карты.

Выбор режимов работы осуществляется DIP-переключателями. Управлять платой можно с помощью АТ-команд. Через специальные разъемы к плате подключаются внешние LTE-, UMTS- и GNSS-антенны.

Таким образом, в любой момент можно контролировать состояние каждого из выводов системного разъема карты.

После подключения модемной карты к отладочной плате нужно подсоединить Modem Card Adapter Board к ПК и установить Gemalto USB driver, входящий в комплект поставки. Если драйвер USB установился правильно, то все USB-устройства отображаются в окне диспетчера устройств Windows в разделах «Модемы», «Сетевые адаптеры» и «Порты (COM и LPT)», как показано на рис. 5 для карты mPLAS9-W.

Два USB-устройства, реализованные как сетевые адаптеры (network adapters) USB CDC ECM, активируются и деактивируются командой AT^SWWAN. При этом различные APN могут быть назначены и использованы одновременно при помощи двух адаптеров WWAN или RmNet. Командой AT^SSRVSET два сетевых адаптера USB CDC ECM заменяются одним интерфейсом USB CDC MBIM (Mobile Broadband Interface Model).

Модемными картами Gemalto можно легко управлять с помощью стандартных и специальных АТ-команд. Например, чтобы активировать mPLS9-W через интерфейс USB с помощью стандартной терминальной программы, достаточно проделать следующие простые операции:

• проверьте параметры последовательного порта CDC ACM LTE USB serial port 1;
• запустите терминальную программу на ПК;
• подключите к выделенному COM-порту (COM-порт 47, рис. 5) назначенный последовательный порт CDC ACM LTE USB serial port;
• введите AT-команду ATE1, чтобы видеть эхо-сигнал для введенных AT-команд;
• затем введите ATI, чтобы отобразить идентификационную информацию LTE-карты.

Пример управления модемной картой mPLAS9 с помощью АТ-команд приведен на рис. 6.

Подробные инструкции по работе с отладочным комплектом для модемных LTE -карт приведены в документе Getting Started with LTE Modem Cards, DocId: mPLAS9_mPLS8_mPLS62_startup_guide_v01.

Особое место в линейке модемных PCIe-карт Gemalto занимает анонсированная в конце 2022 года миниатюрная 5G-карта MV31-W, предназначенная для работы в миллиметровом диапазоне частот со скоростями до 6 Гбит/с. Кроме того, карта может работать в диапазонах частот LTE. На сегодня модель MV31-W является самой маленькой компьютерной картой с поддержкой 5G — ее габаритные размеры всего 30×42×2,5 мм. Из других характерных особенностей MV31-W прежде всего следует отметить встроенный двухдиапазонный GNSS-приемник; две SIM-карты с поддержкой функционала eSIM, SIM Application Toolkit, MIMO.

Карта MV31-W изготовлена в новом формате M.2 (другое название — M.2 PCIe). Встречается также старое название — Next Generation Form Factor, NGFF.

Кроме базовых интерфейсов стандарта SATA Express, на системный разъем M.2 выведены дополнительные интерфейсы. Также М.2 предоставляет поддержку шин PCI Express 3.0. Вместе с тем M.2 является более компактной реализацией платы SATA Express. Немаловажно то, что стандарт M.2 предусматривает поддержку NVM Express (NVMe) и Advanced Host Controller Interface (AHCI). В картах M.2 реализован PCI Express 4x и один порт SATA 3.0 со скоростью до 6 Гбит/с. Таким образом, в форм-факторе стандарта M.2 могут быть реализованы как устройства PCI Express, так и SATA. В общем случае стандарт М.2 предусматривает внутренний интерфейс USB 3.0, совместимый с USB 2.0 [8].

Карты формата М.2 предназначены для различных классов устройств, в том числе Wi-Fi, WiMax, GSM, GPS, SSD, USB (2.0/3.0), SATA (I, II, III), RS232, SMBus и т. д. Поэтому карты M.2 могут иметь различные типы разъемов в зависимости от своего функционального назначения [9].

Компьютерная карта 5G MV31-W создана для работы во всех основных диапазонах частот по всему миру в соответствии с требованиями стандарта 3GPPP Release 15 [10].

Для MV31-W предусмотрены два варианта режима работы. Режим Non-Standalone (NSA) использует ядро LTE. В другом варианте Standalone (SA), в котором применяется ядро New Radio (NR), модем полностью независим от ядра сети LTE.

Согласно документам 3GPP TS 38.104 для режима New Radio (5 G) отведены два интервала частот (frequency ranges — FR):

• FR1: 410–7125 МГц;
• FR2: 24250–52600 МГц.

Продажи модели MV31-W планируется начать во втором квартале 2020 года. На данный момент для тестирования доступны инженерные образцы.

Предварительные технические характеристики компьютерной карты 5G Computing IoT card MV31-W, доступные на январь 2020 года, приведены в таблице 6.

Подводя итог этому краткому обзору, можно сказать, что линейка модемных карт LTE Gemalto представляет собой оптимальный вариант практически для любого приложения IoT, которое включает широко используемый стандарт PCIe и M.2 PCIe. Простой и удобный монтаж этих карт в готовое устройство позволяет выбрать наилучший вариант модемной карты, необходимый для наилучшей реализации всех потребностей конкретной сети беспроводной связи. При этом переход от простых устаревших сетей UMTS к современным сетям LTE advanced и 5G-NR может быть осуществлен с минимальными затратами. Модемные карты LTE Gemalto имеют все необходимые сертификаты и соответствующие технические параметры, которые позволяют использовать их в любом регионе мира.