Moduły "double chip" sposobem na integrację technologii komórkowej i GNSS bez kompromisów

Oddzielne moduły

Typowe aplikacje profesjonalne, wymagające stabilnego dostępu do wiarygodnej informacji o położeniu, zwykle stosują dwa moduły: cellular (komórkowy) i GNSS, pracujące niezależnie. Każdy z nich dysponuje własnym torem RF. Takie rozwiązanie redukuje problemy wynikające z koegzystencji obu technologii. Oferuje też pełną elastyczność, umożliwiając wymianę w aplikacji modułu komórkowego na wspierający daną technologię (np. 2G, LTE Cat. M, LTE Cat. 1) albo wybór odbiornika GNSS dopasowanego do potrzeb. Producenci często oferują różne warianty modułów w zgodnych obudowach.

Tradycyjne "combo"

Drugie, spotykane dotychczas rozwiązanie, pochodzi z aplikacji konsumenckich, w których lokalizacja najczęściej jest traktowana jako dodatek. Nie jest ważnym elementem urządzenia, a priorytetem jest cena, nawet kosztem funkcjonalności. W celu obniżenia kosztów zintegrowano blok cellular oraz GNSS w jednej strukturze półprzewodnikowej, czasem posuwając się nawet do rezygnacji z wydzielonej anteny GNSS. Powstały moduły SoC popularnie zwane "combo". Jeden chipset i jeden tor radiowy obsługują obie technologie. Rezygnacja z wydzielonych struktur modemu komórkowego i GNSS prowadzi do poważnych ograniczeń. Jednoczesne przesyłanie danych GSM i pozycjonowanie stały się niemożliwe, pobór energii wzrósł a czułość GNSS spadła. Tego rodzaju kompromisy funkcjonalne nie są możliwe do zaakceptowania w wielu aplikacjach profesjonalnych, wymagających pewności działania obu technologii oraz niskiego zużycia energii. Dodatkowo, wielu producentów modułów "combo" zdecydowało się na kolejne oszczędności, redukując moc nadawania części LTE z 23 do 20 dBm. Oznacza to tylko połowę mocy w stosunku do standardów sieci LTE, co ogranicza możliwości komunikacji przy słabym sygnale sieci.

Integracja obu technologii w jednym module pozostaje jednak wciąż poszukiwanym rozwiązaniem. Obniżenie kosztów, o ile nie wiąże się z obniżeniem parametrów funkcjonalnych, jest atrakcyjne także w sprzęcie profesjonalnym. Nawet kosztem rezygnacji z pełnej elastyczności stosowania modułów niezależnych.

I tu pojawia się "double chip"!

W efekcie tych problemów na rynku pojawiają się nowe rozwiązania "double chip" (rys. 1). Jest to jeden moduł, ale zbudowany w oparciu o dwa, niezależne chipsety i tory radiowe – jeden do technologii komórkowej, przenoszącej duże moce, drugi jako odbiornik lokalizacji, pracujący z bardzo niskimi sygnałami GNSS i z dużą czułością.

 

Rys. 1. Moduł "double chip" z niezależnymi chipsetami i torami radiowymi dla cellular i GNSS

Tego rodzaju podejście może być swego rodzaju złotym środkiem wszędzie tam, gdzie lokalizacja GNSS jest ważnym elementem urządzenia, wymagane jest niskie zużycie energii oraz równoległa z pozycjonowaniem komunikacja w sieci komórkowej.

Rozmiar i koszt modułów "double chip" jest zbliżony do systemów "combo". Jakość parametrów RF, zarówno części GNSS jak i cellular, jest taka jak w przypadku oddzielnych modułów. Jedyną słabością wydaje się brak elastyczności i swobodnej podmiany technologii znanej z systemów z oddzielnymi modułami. Jest to cecha istotna w platformach służących wielu zastosowaniom, mniej istotna w aplikacjach służącym określonym celom, gdzie systemy "double chip" powinny sprawdzić się doskonale.

Różnice nowej technologii w stosunku do "combo" można prześledzić na podstawie dokumentacji pierwszych modułów "double chip": SARA-R422M8S oraz ALEX-R510M8S, w ofercie szwajcarskiej firmy u-blox.

Rozmiar "double chip"

 

Rys. 2. Moduł "double chip" cellular + GNSS w obudowie ALEX 14×14 mm

Dwa niezależne chipsety: cellular oraz GNSS, udało się umieścić w bardzo małej obudowie ALEX o wymiarach: 14×14 mm (rys. 2), pozostawiając uniwersalność wymiany modułów na inne technologie (jednostki SARA oferują technologie 2G, 3G, LTE w zależności od wersji modułu).

Praca równoległa

Komunikacja komórkowa w modułach "duble chip" odbywa się niezależnie od pozycjonowania GNSS. W przypadku "combo" komunikacja z siecią komórkową (dołączanie do sieci, przesyłanie danych) blokuje interfejs RF, a sama procedura logowania może trwać bardzo długo. Podobnie odbiornik GNSS przy słabym sygnale z satelity potrzebuje dużo czasu, aby ustalić pozycję, blokując możliwość komunikacji komórkowej.

Zużycie energii

Równoległa praca cellular i GNSS w modułach "double chip" optymalizuje zużycie energii.

Problem przy braku pracy równoległej ilustruje rysunek 3. Jeśli np. przy słabszym sygnale odbiornik GNSS wymaga więcej czasu, blokując interfejs RF, modem LTE nie ma możliwości utrzymania sygnalizacji (paging) z siecią komórkową co powoduje odłączenie od niej. Każde dołączanie do sieci to znaczący wydatek energetyczny.

 

Rys. 3. Ponowne dołączanie do sieci komórkowej w efekcie braku równoległego działania technologii cellular i GNSS w modułach "combo"

Moc nadawania

Przedstawione moduły "double chip" mogą nadawać z pełną dozwoloną w sieci LTE mocą 23 dBm (200 mW/50 Ω), zapewniając komunikację także w przypadku słabego sygnału – daleko od masztu operatora komórkowego lub w głębi budynków.

Tor GNSS

Warto zauważyć, że tor GNSS przedstawionych modułów "double chip" jest wyposażony w dodatkowy wzmacniacz LNA oraz filtr SAW. Jakość sygnału GNSS ma bezpośredni wpływ na czas potrzebny na określenie pozycji. Zastosowany wzmacniacz i filtr nie tylko umożliwiają pracę z mało wydajnymi, pasywnymi antenami używanymi do zabudowy, ale skracają czas pozycjonowania, co obniża zużycie energii.

Wydaje się, że nowe rozwiązanie nazwane na potrzeby tego artykułu "double chip", jest odpowiedzią na optymalizację urządzeń łączących technologie cellular i GNSS, bez ponoszenia dotkliwych kompromisów w zakresie jakości i funkcjonalności. Może stać się dominującą opcją w urządzeniach profesjonalnych, obok w pełni elastycznego, ale nieco droższego stosowania modułów niezależnych.

Robert Panufnik

Microdis Electronis
marketing@microdis.net
www.microdis.net