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LTE Cat.1 通用方案

更新时间:2022-03-29 03:55:13下载pdf

LTE Cat.1 构建于 LTE 通信网络,实现物与物通信、物与人通信。Cat.1 聚焦于广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种满足中等速率物联需求和话音需求的通信协议,是可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

背景简介

Cat.1 全称 LTE UE-Category 1。Cat.1 是 4G 通信 LTE 网络下用户终端类别的一个标准。3GPP 组织制定 LTE 标准时,用 Cat.1~20 来衡量用户终端设备的无线性能,也就是划分终端速率等级。其中 Cat.1 上行峰值速率 5 Mbit/s,下行峰值速率 10 Mbit/s,定位于面向 IoT 应用市场的一个类别。

LTE Cat.1 特性

  • 中等速率:LTE Cat.1设备下行速率达到10Mbps,上行速率达到5Mbps。
  • 高移动性和低延迟:拥有跟LTE Cat.4相同的毫秒级传输时延,以及支持100KM/H以上的移动速度。所以适 可以实时性要求比较高的设备,如支付,共享设备,移动类设备等。
  • 支持 VoLTE:能够满足语音通过功能。例如对讲机、玩具机器人等采用4G做语音交互的场景。
  • 支持 BLE:支持 BLE 4.2,满足蓝牙的基本业务。包括蓝牙激活设备,通过蓝牙控制等功耗
  • 支持 Wi-Fi 的室内定位
  • 低成本:
    1. 网络建设方面,Cat.1 可以无缝接入现有LTE网络当中,无需针对基站进行软硬件升级,网络覆盖成本低;

    2. 相对于CAT4标准,Cat.1 单天线接收设计带来可观的成本优势
      低功耗。

      TCP 保持长连接情况下平均功耗 5mA,在驻网模式下,最低功耗 2.5mA。在飞行模式下最低功耗 1mA。

网络结构

Cat.1 IoT 网络组成包括 Cat.1 IoT 终端,LTE 基站、LTE 分组核心网、IoT 连接管理平台和业务支撑平台。

LTE Cat.1 通用方案

Cat.1 IoT 设备省电模式

在普通(Normal)模式下,Cat.1 IoT 设备的 CPU 运作在在全速模式。功耗在 30mA 左右。然而,Cat.1 IoT 设备省电模式有 2 种,分别为浅睡眠(Light sleep)模式和深度睡眠(Deep sleep)模式。

  • Light sleep 模式:CPU 进入低功耗待机状态(low-power standby state)。硬件自动将时钟切换到 26M。此时功耗在 15mA左 右。

  • Deep sleep 模式:系统采用 32K 时钟计数和 DCDCVORE 降压,功耗在 5mA 左右。该模式下,Cat.1 IoT 设备的外设都将断电。如串口、I2C、SPI 等。

Cat.1 IoT 设备工作模式

  • 全功能模式

    设备开启 RF 功能,支持网络连接、拨打电话、收发短信业务、Wi-Fi 定位、蓝牙业务。

  • 飞行模式

    设备关闭 RF 功能。网络功能、电话、短信、蓝牙、Wi-Fi 业务停止服务。模组成为一个普通的 SoC。

Cat.1-IoT 时延

  • 首次入网时延:Cat.1 设备开机后,终端和网络有较多消息交互(认证,建立通道,分配IP地址等),花费时间较长,需要 3-8s 才完成网络接入(根据当地网络环境决定),才能获得 IP 地址,用于后期数据传输使用。

  • 数据上报和接收时延:Cat.1 终端接入成功后,直接连接涂鸦 IoT,并且一直保持连接。

    模组状态 DP灵敏度(毫秒)
    DeepSleep 500
    LightSleep 150
    Normal 100

    说明:在 Deep sleep 状态情况下,如果收到网络控制,系统自动退出 Deep sleep 状态,进入 Nomal 模式下。

Cat.1 IoT 业务受理关键参数

  • Cat.1 属于蜂窝设备,所有的网络功能和SIM 卡运营商的配置密不可分。因此,在购买 SIM 卡时请明确好自己所办理的 APN 业务,不同 APN 适用于不同的应用场景。

  • 当前的 Cat.1 模组支持系统自动匹配APN,也支持外部写入APN参数。

如果您不清楚如何选择 APN 业务,请咨询您的涂鸦客户经理或技术支持。

涂鸦 MCU 通用对接方案

通过涂鸦 MCU 通用对接方案连接 Cat.1 IoT 设备时,涂鸦模组仅作为数据传输通道。

该对接方案常用于大小家电、安防传感、户外出行等类别的 IoT 设备。

LTE Cat.1 通用方案

相对于市场上 Cat.1-IoT 模组普遍的 AT(Attention)指令开发方式,采用涂鸦的 Cat.1-IoT 通用对接串口协议方式,您可以实现低代码开放,进行简单维护,更轻易地实现新产品接入。

开发流程

在涂鸦 IoT 平台进行 Cat.1 IoT 设备的开发流程主要包含创建产品、硬件调试、软件开发和功能调试环节。本小节仅简单描述如何在涂鸦 IoT 平台进行产品开发。更详细的步骤,请参考 选品类创建产品

第一步:创建产品

登录 涂鸦 IoT 平台。根据实际需求选择产品品类,联网方式选择 LTE-Cat.1。产品创建完成后,可以根据产品实际需求选择功能、面板、模组、固件,就可以下载到 MCU 开发包。

第二步:云模组选型

在平台创建产品选择模组时,平台会有一些常用模组型号的推荐。这里以 Cat.1-IoT 通用方案中使用最多的 LZ201-CN 模组举例。

选定模组型号后,可在线购买模组样品。硬件工程师可以进入画板阶段,硬件开发相关资料均可在文档中心查看:

注意:Cat.1-IoT 通用模组工作峰值电流会达到1A以上,电源设计时一定要留有余量。

第三步:绑定验证

收到云模组后,首先要确定模组是否工作正常。您可以使用模组调试助手与模组配合可以配网实操,在 MCU 模拟模式中验证模组的同时可以熟悉协议交互流程。

LTE Cat.1 通用方案

在 MCU 模拟模式中,涂鸦模组调试助手,助手会模拟 MCU 自动回复模组正确的协议数据。用 App 绑定模组后可测试 DP 数据的上报下发。

本小节简要介绍助手和模组配网实操的主要步骤,使用前需提前了解涂鸦模组调试助手的使用说明,详情请参考 涂鸦模组调试助手使用说明

  1. 根据最小系统原理图,搭建模组外围电路,供电稳定,天线合规信号强度良好,且已插上4G物联网卡。

  2. 打开开发包中涂鸦模组调试助手,导入调试文件。协议选择 Cat.1 通用协议,MCU模拟模式。

  3. 将模组串口通过 USB 转 TTL 工具接到电脑端,助手选择对应的串口及波特率,打开串口点击启动,将看到模组和上位机自动进行初始化流程协议交互。

    说明:Cat.1-IoT 模组上电就会不断发送产品信息查询指令,收到正确回复后进行后续初始化协议的交互。若上电无数据发出,请检查模组外围电路是否正确。

    LTE Cat.1 通用方案

  4. App 蓝牙绑定:

    1. 激活

      Cat.1-IoT 模组首次上电且完成初始化后,根据插入的SIM卡,注册到对应的运营商网络,模组在获取到产品信息和工作模式后,会进入待绑定状态。

    2. 使用

      只有完成过激活且未被其他账号绑定的模组,才能被App成功绑定。

      手机打开涂鸦智能app(手机需要打开蓝牙功能),APP会自动发现需要绑定的设备。如下图:

      LTE Cat.1 通用方案
  5. 扫码绑定:

    LTE Cat.1 通用方案

    说明:Cat.1-IoT 二维码需要使用涂鸦的生产打印工具生成。详情请联系涂鸦客户经理或技术支持。

第四步:软件开发

在绑定验证环节可以看到模组与 MCU 有一系列的串口协议交互数据,要理解这些数据交互,请参考开发包中的协议文档。协议主要分为两部分:

  • 基础协议:基础协议和产品无关,是模组共有协议,包括模组初始化指令及部分扩展功能指令。详情请参考 移植 MCU SDK 或自行对接协议。

  • 功能协议:功能协议部分主要基于基础协议的上报下发命令字,对 DP 数据内容格式做了详细说明。

根据 MCU 的情况,有以下两种串口协议适配的方式

  • 方式一:自行对接协议

    对于 MCU 资源有限或不适宜移植 MCU SDK 情况时,客户可以选择自行对接串口协议。

  • 方式二:移植 MCU SDK

    若 MCU 资源足够,建议您直接移植 MCU SDK,开发高效便捷。开发包中 MCU SDK 是涂鸦提供的基于C语言的协议应用代码,可直接添加到 MCU 工程中。MCU SDK 对 MCU 硬件资源需求:Flash 4K字节,RAM 与 DP 点数据长度有关,一百字节左右。函数嵌套级数 9 级。

    详细步骤,请参考 MCU SDK移植

第五步:协议验证

移植 MCU SDK 代码开发完成后,您可以使用涂鸦模组调试助手,在模组模拟模式中验证代码的正确性。

LTE Cat.1 通用方案

模组模拟模式下,调试助手将自动发送模组初始化交互流程,来验证 MCU 回复是否正确。对于错误数据给予相应提示。初始化交互通过后,可以手动点击其他拓展功能测试,功能验证完成可接实际模组配网联调。

注意:涂鸦模组调试助手模组模拟模式,没有联网功能,仅用来验证MCU串口协议收发正确性。

LTE Cat.1 通用方案

第六步:功能联调

在使用助手验证完毕代码后,MCU 可连接模组使用 App 配网,进入功能联调阶段。功能联调主要测试各 DP 上报下发是否正确。

在调试过程有一些常用工具链接如下:

  • 日志查询:功能联调时,经常需要查看后台数据判断问题,运营中心可以满足您的需求。

  • 技术工单:涂鸦提供在线化的支持服务,如有问题文档解决不了,可直接提问专业技术团队为您答疑。

固件 OTA 升级

有关设备的 OTA 升级详情,请参考 Wi-Fi 通用方案 OTA升级说明

本教程包含了以下文档,帮助您快速了解相关概念和流程: