Обзор серии nRF9160 / Low power cellular IoT - Nordic Semiconductor

 

В компании Nordic Seniconductor серия nRF91 является первой в семействе устройств для cellular Internet of Things (cIoT, “сотовый” IoT). Учитывая перспективы этой технологии, специалисты компании приняли решение не просто добавить возможность работы с cIoT в уже существующих сериях устройств с беспроводной связью, а разрабатывали ее с нуля конкретно под эту задачу с приоритетом соответствия высочайшим стандартам энергоэффективности и безопасности, а также дополнительной производительности. В результате был создан чип nRF9160 форм-фактора “Система в пакете” (SiP, System-in-Package) с набором требуемой для cIoT функциональности — работа со стандартами LTE-M, NB-IoT, GPS, RFFE (RF front end) и управлением питания.

 

Почему же компания поступила именно так, имея уже достаточно разработанных серий устройств для беспроводной связи? Давайте рассмотрим преимущества используемых стандартов и ответ на вопрос станет очевидным.

 

Источник: Statista 

 

Сетями стандарта LTE для высокоскоростной передачи данных в 2020 году пользуются более 80% абонентов мобильной связи в мире. В некоторых азиатских странах этот процент приближается к 95. Причиной этого является всё большее проникновение информационных технологий в жизнь людей. Если изначально мобильной связью пользовались в основном для передачи голосовых сообщений (1G), то после перехода на GPRS технологию (2.5G) и её дальнейшего эволюционного развития голосовые сообщения утратили свою пальму первенства уступив её обмену данными больших объёмов и на больших скоростях:

 

1G — аналоговая сотовая связь на частотах 170…900 МГц

  ↓

2G — цифровая сотовая связь стандарта GSM на частотах 800 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц

  ↓

2.5G / GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных) — скорость передачи данных до 55Кбит/с на частотах 800 МГц / 1900 МГц. 

  ↓

2.75G / EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) — дальнейшее развитие GPRS, отличающееся только способом кодирования данных, что позволяет за один таймслот передавать больший объём данных. Скорость передачи данных до 220 Кбит/с.

  ↓

3G — широкополосная цифровая сотовая связь, использующая технологию множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access — CDMA) на частотах 800 МГц / 1900 МГц.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) — со скоростью передачи данных до 384 Кбит/с, а расширение HSPA обеспечивает максимальную скорость передачи данных до 7,2 Мбит/с.

  ↓

4G — связь четвёртого поколения (технологии LTE, TD-LTE, Mobile WiMAX, UMB, HSPA+)

LTE (Long Term Evolution) — со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с, а с LTE-Advanced — даже до 1 Гбит/с. LTE поддерживает полосы пропускания частот от 1,4 МГц до 20 МГц и поддерживает как частотное разделение каналов (FDD), так и временное разделение (TDD)

  ↓

 5G (fifth generation — «пятое поколение») —  со скоростью передачи данных до 40 Гбит/с.Спецификация подразделяется на две полосы частот: FR1 (600-6000 МГц) и FR2 (24-100 ГГц).

 

Проникновение технологии 5G в ближайшие несколько лет обещает рост, но вряд ли вытеснит LTE поскольку требует внедрения специальной аппаратуры и не может быть развёрнуто на существующей инфраструктуре сотовых сетей.  

 

К вопросу о дальности связи. Радиус действия базовой станции LTE зависит от мощности излучения и теоретически не ограничен, а максимальная скорость передачи данных зависит от радиочастоты и удалённости от базовой станции. Теоретический предел для скорости в 1 Гбит/сек — от 3,2 км (на частоте 2600 МГц) до 19,7 км (на частоте 450 МГц). Базовые станции диапазона 800 МГц способны обеспечить такую скорость на расстоянии до 13,4 км. Диапазон 1800 МГц — наиболее используемый в мире, он сочетает в себе высокую емкость и относительно большой радиус действия 6,8 км.

 

Физика процессов распространения радиоволн даёт чёткую закономерность: чем выше частота, тем большее количество информации можно передать и на большей скорости, но тем меньший радиус действия и проникающая способность через препятствия. 

 

Технология IoT требует наличия своей инфраструктуры для связи с устройствами, обеспечивающими многие функции, например:

• интеллектуальный учет (электричество, газ и вода);

• охранно-пожарная сигнализация для домов и коммерческих объектов;

• приборы для измерения параметров здоровья;

• отслеживания людей, животных или предметов;

• умные городские инфраструктуры (уличные фонари, система контроля и учета транспортных средств и т.п.);

• контроль и управление промышленными приборами.

 

Технология IoT  развивается в сетях LPWAN (Low Power Wide Area Networks — энергоэффективные сети дальнего радиуса действия). Основные представители данных сетей: LoRa, SIGFOX, NB-IoT, Weightless P и др.

 

LoRa имеет значительные преимущества перед WiFi и сотовыми сетями, благодаря возможности развертывания межмашинных соединений (Machine-to-Machine, M2M) на расстояние до 20 км при скорости до 50 Кбит/с, а также имеет минимальное потребление электроэнергии, обеспечивающее несколько лет автономной работы устройств на одном аккумуляторе типа АА. Система работает в суб-гигагерцовом диапазоне частот: 169, 433 и 915 МГц в США, и 868 МГц в Европе. Чаще всего применяются рабочие частоты 868 и 915 МГц. Использование частоты 2.4 МГц ограничено вследствие высокого уровня внешнего воздействия.

 

SIGFOX похожа на сотовую инфраструктуру (GSM- и GPRS-3G-4G), но является более энергоэффективной и в тоже время менее затратной. SIGFOX использует ультра-узкую полосу частот (Ultra Narrow Band, UNB).  В Европе широко используется диапазон 868,8 МГц (как определено в ETSI и CEPT), а в США 915 МГц (как определено FCC). Использование UNB – ключевой фактор в обеспечении очень низкого уровня мощности передатчика. Зона охвата сети SIGFOX составляет около 30–50 км в сельской местности и в пределах от 3 до 10 км в городских районах. В настоящее время сеть SIGFOX уже охватывает большую часть Европы и часть США, Австралии и Новой Зеландии, где реализуются пилотные проекты, которые будут следующим большим рынком сетевых технологий.

 

NB-IoT (NarrowBand IoT – «узкополосный интернет вещей»), он же стандарт LTE-Cat-M2, имеет ряд достоинств: широкая зона охвата, быстрая модернизация существующей сети, низкое энергопотребление (что позволяет обеспечить срок работы устройств более 10 лет, т.е. на всё время службы батарей питания), низкую стоимость терминала, повышенную надежность и высокий класс безопасности.  Это беспроводная узкополосная разновидность глобальных сетей с низким энергопотреблением, которая в первую очередь предназначена для приложений М2М. 

 

Многие операторы сотовых сетей по всему миру используют полосу частот 900 МГц для GSM из-за его обширных возможностей покрытия, поскольку низкие полосы частот имеют отличные характеристики распространения, и это, как правило, улучшает проникновение в помещении. Развертывание NB-IoT в привязке к данной полосе частот позволяет пользоваться всеми преимуществами довольно обширной экосистемы многих мировых ведущих операторов сотовой связи. 

 

Стандарт NB-IoT был специфицирован соглашением 3GPP в Release 13 (LTE Advanced Pro). NB-IoT обеспечивает более высокую производительность по сравнению с другими технологиями LPWAN.

 

Отличительной особенностью устройств IoT является то, что они в своём большинстве передают небольшие пакеты информации и поэтому мощные широкие каналы связи им не нужны, но должны быть обеспечены условия по безопасности передаваемой информации.

 

Три сценария развертывания NB-IoT

 

В 3GPP были предложены 3 сценария для развертывания LPWAN NB-IoT:

• Guard Band (защитная полоса)

• In Band (в полосе частот) 

• Standalone (автономный)

Сеть может быть развернута как автономный носитель Standalone с использованием любого доступного спектра более 180 кГц. Кроме того, сеть может быть в распределении LTE спектра, либо в рамках более широкой несущей LTE InBand, либо в LTE Guard Band – защитной полосе. 

 

Первый сценарий NB-IoT Guard Band служит в качестве рабочего диапазона, используя защитный интервал для технологий LTE.

 

Второй In-Band – внутриполосный – это наименее оптимальный режим. В этом сценарии расходуются ресурсы разрешенного спектра LTE-частот.

 

Третий режим получил название Standalone. Здесь разрешенный спектр находится вне зоны разрешенных частот традиционных технологий 3GPP UMTS/LTE.

 

Таким образом, сеть NB-IoT можно развернуть в частотных диапазонах, в которых в настоящее время функционирует стандарт GSM, после их рефарминга в LTE, или в «защитных» интервалах между сетями GSM и LTE. Скорость передачи данных в NB-IoT достигает 200 кбит/с, что является достаточным для устройств, периодически передающих однотипные данные небольшого объема. 

 

Ещё одним преимуществом работы в сертифицированных диапазонах сотовых операторов является то, что они обеспечивают очень высокое качество связи (QoS, Quality-of-Service), поскольку известно количество подключений и оператор может соответствующим образом их разместить и управлять ими. Нелицензируемые диапазоны не обладают таким преимуществом, поскольку в них могут работать все подряд. 

 

“Сотовый” IoT

 

 

Разворачивание сети для IoT на существующих сотовых сетях (GSM→LTE) позволяет экономно и быстро создать сеть для работы устройств интернета вещей. 

 

При необходимости передачи больших объёмов данных (например для приложений IoT, использующих для работы интерфейс браузера или голосовое управление) может быть использован стандарт Cat-1 (Release 8), поддерживающий работу в существующих сетях LTE на частотах до 20 МГц. Кстати, эксперты прогнозируют, что на закате 3G-технологий их место займут именно сети Cat-1.

 

	Стандарты “сотового” IoT
	Release 8	Release 12	Release 13	Release 13
	Cat-1	Cat-0	Cat-M1  LTE-M	Cat-M2   NB-IoT
Диапазон	20MHz	20MHz	1.4MHz	200kHz
Приём (max)	150 Mbit/s	1 Mbit/s	1 Mbit/s	200 kbit/s
Передача (max)	50 Mbit/s	1 Mbit/s	1 Mbit/s	200 kbit/s

 

Технология LTE-M (также известная как Cat-M1) разработана специально для энергоэффективных приложений со средней производительностью. Ограничивая максимальную рабочую частоту до 1,4 МГц (в отличие от 20 МГц для Cat-0), Cat-M отлично приспособлен для таких приложений LPWAN, как "интеллектуальный учет", когда требуется передавать только небольшие объемы данных. 

 

Сравнение LTE-M и NB-IoT

 

	LTE-M	NB-IoT
Другие названия этих технологий	“eMTC”,”LTE Cat-M1”	“LTE Cat-NB1”
Максимальная пропускная способность	360 kbps	30/60 kbps
Диапазон	до 4x	до 7x
Выбор мобильный/сотовый	да	ограниченный
Развёртывание в частотах	внутри диапазона  LTE	внутри диапазона  LTE,  в граничных диапазонах,  GSM перепрофилирование
Поддерживаемое количество устройств на базовую станцию	до 50,000	до 50,000
Размер модулей	Подходит для носимых устройств	Подходит для носимых устройств
Энергопотребление	На срок службы батареи до 10 лет	На срок службы батареи до 10 лет

 

Сравнение радиуса действия устройств, работающих по технологиям LTE-M (Cat-M1) и NB-IoT (Cat-NB1) с определением диапазона и того, как расстояние влияет на выходную мощность, уровень принимаемого сигнала, модуляцию и повторение провели сотрудники компании Nordic Seniconductor:

 

 

Энергоэффективность

 

Краеугольным камнем всех IoT технологий является энергопотребление, поскольку оно напрямую влияет на автономность устройств и их обслуживание, а поскольку количество этих устройств может скоро исчисляться сотнями миллионов, то проблема очевидна.

 

Классический подход предусматривает для этого использование подхода снижения потребление энергии за счет более простых схем модуляции и менее сложных радиостанций, однако “секретным” ключом всё же является контроль в управлении режимом сна, пробуждения и эффективной коммуникации.

 

Две инновации в области энергопотребления для  LTE-M и NB-IoT — Расширенный прерывистый прием eDRX (Extended Discontinuous Reception) и Режим энергосбережения PSM (Power Saving mode) работая совместно позволяют обеспечивать срок работы устройств на микро батарейках на протяжении всего их срока службы, достигающего 10 лет.

 

LTE  использует систему отправки периодических пейджинговых сигналов на базовую станцию с интервалом 1.28с для поддержания с ней связи и передачи данных. Пейджинговый цикл — это период времени во время которого устройство контактирует с сетью для передачи данных. Промежуточный период между пейджинговыми циклами называется  гипер-фреймом и технология eDRX позволяет «N» (40+) гипер-фреймам возникать с периодом 10,24 секунды каждый, прежде чем устройство снова проснется для активности в его следующем пейджинговом цикле. Таким образом, устройства могут находиться в режиме сна и коммуницировать очень эффективно и синхронно.

 

Режим PSM просто позволяет устройству переходить в режим глубокого сна на любое необходимое время, это может быть час, день или недели. Для приложений, которые не требуют работы в реальном времени и обмениваются данными только очень периодически, например, ирригационная система в сельском хозяйстве, это обеспечивает очень высокий уровень энергосбережения и может означать, что продукты могут работать от нескольких литиевых батарей типоразмера AA в течение 10 лет.

 

Анализируя приведенную выше информацию можно легко понять перспективы использования LTE-M и NB-IoT и потенциал рынка этих устройств.

 

nRF9160

 

 “Ядром” серии nRF91 компании Nordic Seniconductor является энергоэффективный SiP nRF9160 со встроенным модемом LTE-M и NB-IoT, а также GPS-приёмником и системой управления питанием.

 

Он включает:

• процессор 64 МГц Arm Cortex-M33 с флеш-памятью 1 MB  и 256 KB RAM;

• многорежимный модем LTE-M/NB-IoT для работы в сетях с частотой 700-2200МГц;

• GPS приёмник;

• широкий выбор основных интерфейсов и периферии (12-bit ADC, RTC, SPI, I²C, I²S, UARTE, PDM, PWM);

• лучшую в своём классе технологию Arm TrustZone для генерации и хранения ключей безопасности;

• криптографическую технологию Arm CryptoCell для защиты устройств IoT от атак.

 

 

nRF9160 поддерживает работу с SIM и eSIM для авторизации и работы с сотовыми сетями в диапазонах LTE B1, B2, B3, B4, B5, B8, B12, B13, B14, B17, B18, B19, B20, B25, B26, B28 и B66.

 

Комплект разработчика nRF9160 DK

 

Компания Nordic Seniconductor для удобного исследования работы SiP nRF9160 и прототипирования предлагает комплект разработчика nRF9160 Development Kit.

 

 

Он выполнен в одноплатном формате и оборудован физическими разъёмами-интерфейсами, а также оснащен контроллером nRF52840, который может добавить функционал шлюза  BLE (Bluetooth Low Energy).

 

Комплект разработчика имеет выделенную LTE-M и NB-IoT антенну, поддерживающую работу в различных диапазонах частот, позволяющую использовать это устройство в любой части мира в пределах всех рабочих диапазонов LTE (B1...B66).

 

Также он оснащен выделенной антенной для GPS и 2.4GHz антенной для использования функций BLE и разъёмами для SWF RF антенн,

 

На плате есть разъёмы для  GPIO и других интерфейсов (SPI/TWI/UART).

 

Данный комплект является совместимым с Arduino Uno Rev3 и может быть легко расширен соответствующими платами расширения.

 

Для авторизации в сотовых сетях кроме 4FF SIM слота для сменных сим-карт есть и MFF2 SIM для распайки (e)SIM.

 

Программирование и дебаггинг осуществляются через Segger J-Link OB. Всё необходимое программное обеспечение есть в наличии на сайте производителя, оно свободное  и может быть использовано в коммерческих проектах. nRF Connect SDK включает в себя всё необходимое для старта и работы: протоколы приложений, примеры, драйверы для периферии и многое другое и может быть легко интегрирован в облачное решение nRF Connect for Cloud.

 

Nordic Thingy:91

 

Ещё одним продуктом из этой серии, построенный на базе SiP  nRF9160 является мульти-сенсорная IoT платформа для прототипирования Nordic Thingy:91.

 

Она снабжена автономным источником питания (Li-Po аккумуляторная батарея с ёмкостью 1440 mAh) и стандартным набором функционала для этой серии: LTE-M, NB-IoT и GPS, благодаря чему является отличным решением для создания Proof-of-Concept (PoC), демонстраций и первоначальных прототипов на стадии разработки устройств cIoT.

 

Поскольку эта платформа построена на базе SiP  nRF9160, то она сертифицирована для большого количества LTE диапазонов и может быть использована повсеместно на любом континенте.

 

Эта платформа оснащена большим количеством датчиков:

• движения, 

• удара, 

• акселерометры High-g и low-power,

• света,

• цвета,

• окружающей среды: температура, влажность, давление, качество воздуха и т.д. 

 

В наличии и контроллер nRF52840, который добавляет функционал Bluetooth Low Energy для использования в проектах.

 

Платформа имеет nano/4FF SIM card слот и идёт в комплекте с SIM картой от  iBasis с предзагруженным планом 10 MB. Thingy: 91 и SIM-карту можно инициализировать и отслеживать с помощью облачного сервиса nRF Connect for Cloud.

 

Пример практического применения платформы Thingy: 91 продемонстрировал сам производитель в виде презентационного ролика для компании по доставке пиццы: nRF Pizza: Nordic Thingy:91

 

 

Ну и в качестве саморекламы, вся серия устройств серии nRF91 доступна для заказа в нашем магазине в разделе “Отладочные платы” с доставкой по Киеву и Украине.