SIM7000E/SIM7000E-N: применение энергосберегающих режимо в PSM и eDRX в сети NB-IoT

Arduino

мая 132020

https://wireless-e.ru/gsm/nb-iot/sim7000e/

С релизом стандарта 3GPP Rel-13 [1] весной прошлого года миру мобильных IoT-устройств открылись три новые технологии LTE Cat-NB1 (или Cat-M2, далее NB-IoT), LTE Cat-M1 (eMTC) и EC-GSM-IoT, предназначенные обеспечить стабильную, повсеместную и, главное, энергоэффективную связь. Рынок IoT находится в самом начале развития, чтобы осознать все преимущества этих технологий, и только готовится применить их в практическом русле. Однако уже сегодня наметились тенденции к выбору той или иной технологии в разных странах (рис. 1). В частности, в России суждено быть сетям связи стандарта NB-IoT. Именно этой технологии и ее практическому применению посредством мультидиапазонных NB-IoT/GSM-модулей SIM7000E и SIM7000E-N посвящена данная статья.

На скорость проникновения технологии NB-IoT в России, как и в других странах, влияет много факторов: публикация международного стандарта 3GPP, наличие абонентского оборудования (SIM7000E, SIM7000E-N и т. п.), организационно-техническая готовность операторов сотовой связи и проч. К последнему надо добавить простоту интеграции NB-IoT в существующие сети без глобальной модернизации сетевого оборудования. А этообозримые перспективы внедрения новых технологий, свидетельствующие о том, что производителям IoT-оборудования новые разработки надо начинать уже сегодня, чтобы не оказаться в арьергарде в новой эпохе IoT-устройств. Ведь эти технологии позволят устройствам на батарейном питании работать без подключения к сети энергоснабжения в течение 10 лет [2]. А если обеспечено питание от солнечных батарей, то можно добиться почти неограниченного срока службы! Кроме того, имея в виду технические особенности NB-IoT, покрытие узкополосной сети глубже по сравнению с GSM/GPRS-сетью, часто применяемой в М2М. Это значит, к большому сроку жизни добавляется уверенное покрытие. Все эти аргументы есть приложение к главному: существует реальная потребность в NB-IoT, огромный парк устройств, которые ждут энергоэффективной технологии связи.

Рис. 1. Карта распространения технологий eMTC и NB-IoT в мире

NB-IoT/GSM-модули SIM7000E и SIM7000E-N

Справедливости ради надо отметить, что в России полно масштабно развернутых сетей NB-IoT пока нет (прогноз 2018 г.), и стандарт NB-IoT все еще развивается и дополняется новыми возможностями, которые мы можем видеть в более новых релизах 3GPP, но главные новинки, такие как энергосберегающие режимы PSM (Power Save Mode) и eDRX (Extended Discontinuous Reception), можно проверить и применить на практике уже сегодня на базе специализированных лабораторий операторов сотовой связи. Это и было сделано с применением мультидиапазонного NB-IoT/GSM-модуля сотовой связи SIM7000E (рис. 2).

Мультидиапазонный NB-IoT/GSM-модуль SIM7000E (слева — вид сверху, справа — вид снизу)

Рис. 2. Мультидиапазонный NB-IoT/GSM-модуль SIM7000E (слева — вид сверху, справа — вид снизу)

SIM7000Eпервый на рынке NB-IoT/GSM-модуль, поддерживающий широкий спектр частот: B3, B8, B20 и B28. Для России, в перспективе, данный набор (за исключением B28) означает доступность сети NB-IoT практически везде, где существует покрытие сетей сотовой связи. Можно сказать, что такой набор частот делает этот модуль универсальным, в отличие от прочих модулей, представленных на рынке.

Мультидиапазонный NB-IoT/GSM-модуль SIM7000E-N (слева — вид сверху, справа — вид снизу)

Рис. 3. Мультидиапазонный NB-IoT/GSM-модуль SIM7000E-N (слева — вид сверху, справа — вид снизу)

SIM7000E-N (рис. 3) является менее функциональной версией SIM7000E, и при этом он pin2pin совместим с последним. Сравнительная характеристика SIM7000E и SIM7000E-N наглядно показана в таблице.

ТАБЛИЦА. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТАБЛИЦА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДУЛЕЙ SIM7000E И SIM7000E-N

SIM7000E	SIM7000E-N
Платформа		Qualcomm
Корпус		LCC 24×24 мм
Диапазоны частот	LTE NB-IoT	Band 3/8/20/28
	CAT-M1(eMTC)	Band 3/8/20/28	–
	GSM	GSM900/DCS1800	–
Пакетная передача данных, выгрузка/скачивание, кбит/с	GPRS	85,6/85,6	–
	EDGE	236,8/236,8	–
	NB-IoT	66/34
	eMTC	375/300	–
Чувствительность приемника в сети, дБм	GSM	–109
	LTE NB-IoT	–129
Интерфейсы	UART	2	1
	USB	1
	Аудио	1 (PCM)	–
	АЦП	1
	I2C	1
	GPIO	5
Напряжение питания, В		3,0–4,3
Потребление в сети LTE NB-IoT	Peak	0,6 A
	LTE Idle	11 мА
	LTE Sleep	1 мкА
	PSM	9 мкА
	eDRX	1–2 мА
	Power off	7 мкА
Диапазон рабочих температур, °С		–40…+85
ПО		Протоколы TCP/IP, UDP, HTTP, FTP, PING, PPP, Email, MMS, NTP и проч. Совместимы с протоколами модулей SIM800-й серии и 3G модулей SIM5300E/EA	Протоколы TCP/IP, UDP, PPP. Совместимы с протоколами модулей SIM800-й серии и 3G-модулей SIM5300E/EA
		SMS
		Embedded AT
Навигационный приемник		ГЛОНАСС/GPS/ Beidou/Compas/ Galileo/QZSS	Опция (по умолчанию нет)
Обновление ПО		USB, FOTA (ожидается)

Оба модуля совместимы с устройствами других стандартов: с GSM-модулями SIM800/SIM800F и 3G-модулями SIM5300E/SIM5300EA. Вопрос аппаратной совместимости с 2G- и 3G-дизайнами можно изучить более подробно, обратившись к соответствующей документации [3]. Программная совместимость между модулями обеспечена одинаковой системой АТ-команд в части основных стандартных и проприетарных функций.

Из таблицы 1 можно сделать вывод, что SIM7000E применим там, где нужны обе сетии GSM, и NB-IoT. А SIM7000E-N является модулем LTE Only. При работе в сети LTE есть одно техническое преимуществомаксимальный ток в пике составляет всего 600 мА. В случае с SIM7000E-N это удешевляет источник питания и упрощает требования к нему при работе в экстремальных условиях. Хотя такого же потребления можно добиться и с SIM7000E, если принудительно, при помощи соответствующей АТ-команды перевести его в режим LTE Only (как это сделать, будет рассказано далее).

Пару слов о поддержке eMTC в SIM7000E. Платформа позволяет работать и в сетях eMTC, это делает модуль универсальным решением для устройств, подлежащих продаже на европейский рынок, где может сложиться такая ситуация, когда доступна только эта сеть (рис. 1).

Говоря о надежности покрытия сети NB-IoT, стоит обратить внимание на чувствительность в сетях GSM и NB-IoT: последняя качественно выделяется на фоне GSM, не оставляя выбора в споре о том, покрытие какой сети в перспективе будет доступней и надежней.

Диапазон питающих напряжений SIM7000E/E-N позволяет эксплуатировать стандартную батарею вплоть до полного ее разряда, что может продлить срок службы устройства от одного заряда на значимое количество недель и месяцев.

Программное обеспечение (ПО) модулей SIM7000E/E-N может быть обновлено через интерфейс USB, а также (в скором времени) посредством FOTA (Firmware Over The Air), когда файл прошивки доставляется в память модуля посредством сети GSM или LTE и автоматически записывается.

Для устройств, где малые габариты и бюджет проекта имеют существенное значение, в скором времени будет доступно SDK для разработки пользовательского ПО и его последующей записи прямо в память программ модуля. Эта технология называется Embedded АТ, ей была посвящена статья [4] применительно к GSM-модулям SIM800-й серии. Эта технология может существенно сэкономить средства и нацелена на недорогое массово выпускаемое оборудование, как, например, бытовые счетчики.

И главное, что должен заметить опытный разработчик в таблице, это потребление тока в режимах eDRX и PSM. Как эти режимы работают и чем отличаются?

Режимы PSM и eDRX

Прежде чем перейти к практической части, познакомимся с нововведениями стандарта 3GPP Rel-13 подробнее, а именнос режимами PSM и eDRX.

eDRX

Данное понятие относится к пейджингу, к режиму LTE Idle, который оговаривается между модулем и сетью (SGSN/MME). На рис. 4 показана типичная эпюра потребления тока модулем во времени в режиме LTE Idle (и LTE Sleep) и во время обмена данными с сетью. Большую часть времени модуль находится в режиме LTE Idle (или LTE Sleep) и только в окнах пейджинга может получить от сети какие-либо данные.

Рис. 4. Потребление тока модулем в режимах LTE Sleep/LTE Idle и во время обмена данными с сетью

Идея режима eDRX заключается в том, что скважность цикла пейджинга можно регулировать в пользу уменьшения среднего потребления тока в целом. В окне пейджинга модуль лишь слушает эфир и потребляет малый ток, а средний ток за цикл пейджинга может быть уменьшен вплоть до 1 мА при комбинировании с режимом энергосбережения модуля LTE Sleep. Наибольшее потребление тока будет лишь в моменты обмена данными с сетью, и именно эти сеансы будут определять срок жизни батарейного устройства. Чем больше данных, тем меньше срок.

Как же происходит переход в режим eDRX? Сеть и модуль договариваются о параметрах пейджинга в момент регистрации модуля в сети или во время периодической процедуры TAU (Tracking Area Update) и RAU (Routing Area Update). К примеру, во время регистрации в сети модуль шлет в сеть запрос Attach Request (рис. 5) с указанием параметров длительности окна пейджинга (Paging Time Window, PTW) и длительности цикла пейджинга (Cycle Length). Сеть, в свою очередь, может принять или не принять эти параметры (зависит от сети) и в ответном сообщении Attach Accept указать параметры, которые модуль должен в свою очередь принять. Спустя некоторое время режим eDRX придет в действие.

Процедура перехода в режим eDRX

Рис. 5. Процедура перехода в режим eDRX

Система команд модулей SIM7000E и SIM7000E-N позволяет варьировать PTW в пределах от 1,28 до 20,48 с, а Cycle Lengthв пределах от 5,12 до 10485,76 с (~3 ч). Параметры eDRX рекомендуется согласовывать с провайдером, и следует помнить, что увеличение Cycle Length ведет не только к увеличению срока жизни абонентского устройства, но и увеличивает время отклика устройства на запросы, инициированные удаленной стороной. А длительные Cycle Length приводят к недоступности модуля со стороны внешнего мира (например, TCP/IP-сервера), при этом данные в сторону от модуля можно слать в любой момент.

PSM

Можно ли добиться меньшего потребления тока в режиме PSM? Да, и этот режим больше подходит для устройств, которые сами инициируют сеанс связи, скажем, по расписанию. Например, для счетчиков, которые раз в день передают на сервер сбора данных показания расхода электричества/воды/газа.

PSM это режим, при котором модуль находится в состоянии, близком к выключенному. При этом он не теряет регистрацию в сети и при выходе из этого режима не тратит время и ресурсы батареи на процедуру Attach или восстановление PDN-соединения. Модуль лишь производит редкие периодические процедуры TAU (рис. 6). В отсутствие передачи данных общее потребление тока будет определяться периодом TAU, за который отвечает параметр T3412. Потребление тока в режиме LTE Idle можно снизить, применив режим энергосбережения модуля LTE Sleep, в котором средний ток может быть уменьшен с 11 до 1 мА.

Рис. 6. Потребление тока модулем в режиме PSM

Система команд модулей SIM7000E/SIM7000E-N позволяет настраивать параметры T3324 и T3412. Эти параметры, так же как и параметры eDRX, согласовываются модулем с сетью посредством запроса Attach Request или TAU/RAU, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Процедура согласования режима PSM во время Attach и TAU

Инициатором обмена данных с внешним миром может быть только модуль. Он должен выйти из режима PSM по произвольному расписанию и инициировать сеанс связи с удаленной стороной как обычно. С момента выхода из режима PSM данные могут передаваться в обе стороны.

Есть одна возможность побудить устройство выйти на сеанс связи не по расписанию устройства, а по заказу от удаленной стороны: можно послать SMS-сообщение, которое будет доставлено устройству в моменты коротких промежутков времени LTE Idle после TAU.

Нетрудно догадаться, что режимы PSM и eDRX допускается комбинировать друг с другом, если это не противоречит идеологии работы устройства. Поверх этих режимов также можно наложить режим энергосбережения модуля LTE Sleep. А теперь перейдем к практической части.

Работа модуля SIM7000E на практике

Работа модуля была проверена на базе лабораторий российских операторов сотовой связи. Во время тестов было выполнено следующее:

переход модуля в режим NB-IoT Only, в котором был зарегистрирован факт успешного Attach как на стороне модуля, так и на стороне сети;
обмен данными с удаленным сервером по протоколам TCP/IP и UDP в сети LTE NB-IoT и LTE eMTC;
переход в режим eDRX с контролем пакетов Attach Request и Attach Accept на стороне сети;
переход в режим PSM с контролем пакетов Attach Request и Attach Accept на стороне сети.

Для наглядности далее приведены АТ-логи, раскрывающие детали тестов.

Переход в режим NB-IoT Only:

AT+CPIN?
+CPIN: READY // SIM-карта готова к работе
OK
AT+CNMP=38 // Выбор режима LTE Only
OK
AT+CMNB=2 // Выбор режима NB-IoT
OK
AT+CREG?
+CREG: 0,3 // Регистрации в сети GSM, конечно, нет
OK
AT+CGREG?
+CGREG: 0,1 // Регистрация в NB-IoT есть
OK
AT+CGATT?
+CGATT: 1 // Доступ к пакетной передаче данных есть
OK
AT+CPSI?
+CPSI: LTE NB-IOT,Online
OK

Обмен данными с удаленным сервером по протоколу TCP/IP:

AT+CGREG?
+CGREG: 0,1
OK
AT+CGATT?
+CGATT: 1
OK
AT+CGNAPN
+CGNAPN: 1,»*******»// Выяснить точку доступа
OK
AT+CSTT=»*******»// Установить точку доступа
OK
AT+CIICR // Активировать контекст
OK
AT+CIFSR
172.16.15.183 // IP-адрес модуля в сети
AT+CIPSTART=»TCP»,»11.22.33.44″,»5678″// Подключаемся к TCP/IP-серверу по его IP-адресу
OK
CONNECT OK // Сервер принял соединение
AT+CIPSEND?
+CIPSEND: 1460 // Проверяем MTU
OK
AT+CIPSEND
>
ÉÉÉÉÉÉÉÉÉ. // Шлем данные в сторону сервера, данные доходят
SEND OK
hellofromremoteserver! // Данные от сервера
AT+CIPCLOSE // Закрываем сокет
CLOSE OK // Сокет закрыт
AT+CIPSHUT // Деактивируем контекст
SHUT OK // Соединение закрыто

Лог обмена данными с удаленным сервером по протоколу UDP аналогичен логу обмена данными по протоколу TCP/IP. Для краткости не будем его приводить.

Переход в режим eDRX:

AT+CGREG?
+CGREG: 0,1
OK
AT+CPSI?
+CPSI: LTE NB-IOT,Online
OK
AT+CEDRX= 2,1,3,0 // режим eDRX в сети NB-IoT,
PTW = 5,12 с, Cycle Length = 5,12 с
OK
AT+CPOWD=1 // Здесь перезагрузили модуль, чтобы инициировать процедуру Attach при след. включении
NORMAL POWER DOWN
RDY
+CFUN: 1
+CPIN: READY
SMS Ready
AT+CGREG?
+CGREG: 0,1 // Модуль зарегистрирован в сети NB-IoT, что подтверждается трейс-логами на стороне оператора
OK
AT+CPSI?
+CPSI: LTE NB-IOT,Online
OK

Переход в режим PSM:

AT+CGREG?
+CGREG: 0,1
OK
AT+CPSI?
+CPSI: LTE NB-IOT,Online
OK
AT+CPSMS?
+CPSMS: 1,,,»00000110″,»00001111″// Т3324 = 30 с
и Т3412 = 60 мин
OK
AT+CPSMMODE=1 // Включаем режим PSM
OK
AT+CPOWD=1 // Здесь перезагрузили модуль, чтобы инициировать процедуру Attach при след. включении
NORMAL POWER DOWN
// В течение 30 с (inactivity, зависит от сети) произойдет RRC Release, и включится таймер Т3324 на 30 с. Затем, по истечении таймера T3324, включится таймер T3412, и модуль войдет в режим PSM на 60 мин, что подтверждается трейс-логами на стороне оператора. Индикаторы (выводы модуля) Netlight и STATUS переходят в неактивное состояние. Теперь, чтобы передать данные, модуль можно разбудить только по сигналу POWER KEY или будильником при помощи часов реального времени (Real Time Clock, RTC)

Итак, на практике мы убедились, что сеть NB-IoT вполне может служить транспортной средой для обмена данными с удаленным сервером взамен классической сети GSM/GPRS. Также мы удостоверились в готовности и работе новых режимов энергосбережения eDRX и PSM. Эти два режима не могут остаться незамеченными в среде профессиональных разработчиков М2М-оборудования. Режимы eDRX и PSM очень скоро найдут практическое применение в устройствах, где требуются одновременно и связь со внешним миром, и сверхнизкое потребление тока, что раньше считалось взаимоисключающими факторами. Теперь, с появлением NB-IoT и eMTC, это стало возможным.

Литература