Desenvolvendo projetos com conectividade LTE para IoT usando Quectel

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Desenvolvendo projetos com
conectividade LTE para IoT
usando Quectel
Neimar Marques Duarte
FAE Nov/2019

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Índice
Desenvolvendo projetos com conectividade LTE para IoT
usando Quectel
○ Visão geral da Macnica DHW LTDA
○ O que é IoT e números para os próximos anos
○ Conexões para IoT disponíveis hoje
○ Conexões banda larga disponíveis
○ Conexões usando celular – Características
○ 4G (LTE) – Conceitos e categorias
○ LTE LPWA
○ LTE categorias 1-21 e 5G
○ Modulos Quectel para LPWA
○ Modulos Quectel LTE para categorias 1-21
○ Modulos Quectel para 5G
○ Qual módulo usar no meu projeto?
○ Questões práticas ao desenvolver o projeto
○ Conclusão
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Fundação: Setembro/2012
Website http://www.macnicadhw.com.br
Presidente Fábio Petrassem de Sousa
Sede Florianópolis/SC, Brasil
Escritório São Paulo/SP (1)
Home Office Porto Alegre/RS (1)
Funcionários 27
Visão geral da Macnica DHW LTDA

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Internet das coisas (em inglês: Internet of Things, IoT, sendo em português e
espanhol IdC o acrônimo equivalente) é um conceito que se refere à interconexão
digital de objetos cotidianos com a internet, conexão dos objetos mais do que das
pessoas.
Em outras palavras, a internet das coisas nada mais é que uma rede de objetos
físicos (veículos, prédios e outros dotados de tecnologia embarcada, sensores e
conexão com a rede) capaz de reunir e de transmitir dados. É uma extensão da
internet atual que possibilita que objetos do dia a dia, quaisquer que sejam mas
que tenham capacidade computacional e de comunicação, se conectem à
Internet.
A conexão com a rede mundial de computadores possibilita, em primeiro lugar,
controlar remotamente os objetos e, em segundo lugar, que os próprios objetos
sejam usados como provedores de serviços. Essas novas capacidades dos
objetos comuns abrem caminho a inúmeras possibilidades, tanto no âmbito
acadêmico quanto no industrial.
Fonte : https://pt.wikipedia.org/wiki/Internet_das_coisas
O que é IoT e números para os próximos anos

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IoT está literalmente inundando a indústria com dados captados e
transmitidos por sensores em linhas de produção, equipamentos
financeiros, carros, eletroeletrônicos, dispositivos digitais,
dispositivos comerciais e inúmeras áreas frequentadas por
consumidores.
Em 2020, o mercado da Internet das Coisas Industrial (IIoT)
movimentará US$ 151 bilhões, crescendo a uma taxa anual
composta de 8%.
E, segundo a IDC, o universo de informação digital criada e
distribuída por diferentes objetos inteligentes no mundo deverá
representar 44 trilhões de gigabytes em 2020.

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Fonte: https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/

Public 7
Fonte : https://www.zdnet.com/article/iot-to-drive-growth-in-connected-devices-through-2022-cisco/

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Estimativa de dispositivos conectados por celular em 2020

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Conexões para IoT disponíveis hoje
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Main IoT wireless connections lower bandwidth available today:
Short range
- NFC (Near Field Communication) - ~40 mm (4 cm)
- BlueTooth (BT Classic and BLE) - Up to 30 meters of direct link (maximum)
- RFID (Mainly used with passive tags) – Outdoor, up to 25 meters in UHF.
- 6LowPan - Reach depends on used frequency and modulation type.
- WiFi - ~20 meters for most appliances. Up to 20 Km in special conditions.
- ZigBee – 10 ~ 100 meters, with mesh network available
- Z-Wave - up to 100 meters – Used in home automation
Wide range/LPWA
- LoRa (Long Range) - 5 Km (Urban) / 20 Km (Rural)
- Sigfox - 10 Km (Urban) / 40 Km (Rural)
Low Power Wide Area (LPWA) Cellular - LTE
- LTE CAT M1/2 (3GPP Release 13 and 14) – Frequency dependent (Wide area)
- LTE CAT NB-IoT (NB1 and NB2) – Frequency dependent (Wide area)

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Conexões banda larga disponíveis
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Main IoT wireless wide bandwidth connections available:
Short range
- WiFi – A/B/G/N/AC/AX ~ 20 meters for most appliances (Attenuation dependent).
Up to 20 Km in special conditions (Using gain antennas).
2.4 / 5 GHz available today
B – 1.0 ~ 11 Mbps (2.4G)
A – 1.5 ~ 54 Mbps (5G)
G – 3.0 ~ 54 Mbps (2.4G)
N – 76 ~ 600 Mbps (2.4G/5G)
AC – 433 ~ 6933 Mbps (5G)
AX – 600 ~ 9608 Mbps (5G)
Wide Area Cellular – LTE (Higher categories)
- LTE CAT 1-21 – Frequency dependent
- 5G – Frequency dependent – Yet to be implemented in most countries

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Conexões usando celular – Características
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Cellular History
0G or Pre-cellular
Voice only
No defined standard - Radio Common Carrier (RCC)
UHF 454/459 MHz & VHF 152/158 MHz
No roaming (Each region choose its own frequency pair)
US - Bell labs (1946) – Operator needed
Germany – A-Netz (1952) Operator needed
Altai – USSR system
US – Bell labs - 1st
Automatic dial out and dial in (1964)
1G
Analog (Voice) only system
NMT (Nordic Mobile Telephone)
Advanced Mobile Phone System (AMPS)
Total Access Communications System (TACS/JTACS)
Allows roaming for the same system (Even international roaming)
Nippon Telegraph and Telephone (NTT) – 1979 (First commercial - Tokio)
Denmark, Finland, Norway and Sweden – NMT in 1981
US – Chicago – AMPS in 1983
As of 2018, still used in some regions of Russia (NMT)
Before
1979
1979

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Cellular History
2G
Fully digital system with direct voice support
Voice - Global System for Mobile Communication (GSM)
Short Message System (SMS) and Multimidia Message System (MMS)
General Packet Radio Service (GPRS) – Up to 50 Kbps
Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) – Up to 1 Mbps
Time Division Multiple Access (TDMA) or
Code-division multiple access (CDMA2000)
2.5G
GSM + GPRS (50 Kbps)
2.75G
GSM + EDGE (1 Mbps)
Finland – Radiolinja (1991)
Today being deactivated all around the world.
Japan – 2010
Korea – 2011
Singapure – 2017
US – 2017 (AT&T) / 2019 (Verizon) / 2020 (T-Mobile)
1991

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Cellular History
3G
Fully digital system with direct voice support
International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000)
Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) under
3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard.
Wide-band Code-Division Multiple Access (W-CDMA)
2 Mbps (Stationary) / 384Kbps (Moving Vehicle)
High Speed Packet Access (HSPA) – 64QAM
UL:14.4/DL:5.76 Mbps
Evolved High Speed Packet Access (HSPA+) (Beam-forming+MIMO)
42.2 Mbps
3.5G
UMTS + HSPA
3.75G
UMTS + HPSA+
Japan – DoCoMo (2001 - 1999 pre-commercial)
2001

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Cellular History
4G
Fully digital system
No direct circuit-switched telephony service (VoLTE (VoIP) only)
IPV4/IPV6 support
Advanced International Mobile Telecommunication (IMT-Advanced)
International Telecommunications Union-Radio (ITU-R) standards
Long Term Evolution (LTE) and Long Term Evolution Advanced (LTE-A)
1 Gbps (Stationary) / 100 Mbps (Moving Vehicle)
OFDMA multi-carrier modulation with
frequency-domain equalization (FDE)
UL:100/DL:50(Moving) – UL:1000/DL:500(Stationary) Mbps
Scalable channel bandwidths of 5–20 MHz, optionally up to 40 MHz.
Frequencies: 450/700/850/900/1800/2100/2300/2600
Stockholm/Oslo – TeliaSonera/Netcom (December 2009)
2009

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Cellular History
5G
Fully digital system
No direct circuit-switched telephony service (VoIP only)
IPV4/IPV6 support
3GPP defined as 5G New Radio (5G NR)
5G NR: New radio
Sub-6GHz – Same speed as 4G (Sometimes even lower speed)
Above 6 GHz – Up to 34 Gbps (Expected) – MIMO, Beam forming, …)
Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)
Massive Machine Type Communications (mMTC) (For IoT)
URLLC or mMTC are not expected to be deployed widely before 2021.
South Korea – SK Telecom (April 2019)
2019

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4G (LTE) – Conceitos e categorias
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4G - Long Term Evolution standard:
- Defined by 3GPP
- Has different categories with different data rates and link aggregation
- Does not support directly conventional voice services. Voice over LTE (VoLTE) is used.
- Up to 100 Mbps for mobile connections and up to 1 Gbps for stationary connections
- For higher data rates, MIMO and beam-forming techniques are used.
- For higher data rates (Above 100 Mbps), link aggregation is used (2, 4 or 8).
- Used modulations : QPSK/QAM16/QAM64/QAM256
- Scalable bandwidth : 20-100 MHz (1.4 MHz and 180 KMz for IoT standards)
- Enhanced FEC use (Precoding and FEC) Q
I
256QAM
8bits/sumbol

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4G LTE Categories
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4G LTE Categories
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LTE LPWA
LTE LPWA exclusive concepts
PSM – Power Saving Mode
- The system allows that a module be “dormant” (In Power Saving Mode) for some pre-
negotiated time by the base station without removing the module from the commissioned
module list.
- Significantly reduction in power consumption is achieved with this resource
- Is handled automatically by the module
- The longer the PSM, the lower is the power consumption (And effective data transferred
also).
- Even during PSM time, the module may send and receive data, but using a control
message channel to send a communication request to the base station.
- When the PSM period of time has finished, the module must communicate with the base
station in order to not be removed from the commissioned modules list.
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Public
LTE LPWA exclusive concepts
DRX – Discontinuous Reception
- The system allows that a module be “dormant” (In Power Saving Mode) during the
reception. It is allowed for the system to “sleep” between two distinct reception time windows,
saving power during reception time.
- It is a concept available since 2G. Allows the module not to need to listen to base station
all time, saving power while receiving. All LTE devices may use DRX.
eDRX – Extended Discontinuous Reception
- The normal Paging Window of DRX is of ~1.28 seconds per cycle.
- With eDRX enabled, an idle time of ~5.12 seconds is inserted between consecutive
paging windows, allowing the module to listen to the base station for a longer time without
expending too extra power for that.
- Since the device is dormant during the the entire LTE PSM window, it’s power
consumption is extremely low. In fact, it can be even lower than a Sigfox or LoRaWAN
module, since the TX rate for LTE-M1 is much higher (do to the lack of interference in the
licensed spectrum).
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LTE LPWA

Public
LPWA exclusive concepts
LPWA modules without eDRX
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LTE LPWA

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LPWA exclusive concepts
LPWA modules with eDRX
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LTE LPWA

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CAT M1 - Main characteristics:
- Defined by 3GPP Release 13 – Full mobility
- 1.4 MHz bandwidth – QPSK
- Device transmitter power : 20/23 dBm (100/199 mW)
- Up to 1 Mbps maximum transfer rate (DL and UL)
Expected achievable rate : DL ~300 Kbps, UL ~375 Kbps in
half-duplex mode.
- Supports half or full duplex operation mode
- SISO (Single antenna solution only – no aggregation possible)
- 5-10 years of battery life (2xAA) (Battery life depends on use and operation mode).
- Is the first supported LTE IoT standard in Brazil.
- Expected latency : 10-15 ms (Best case) / 50-100 ms (Typical)
- Supports voice using VoLTE.
LTE LPWA

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CAT M1 - LTE supported frequencies
(See https://en.wikipedia.org/wiki/LTE_frequency_bands)
- B1 (2100 MHz)
- B2 (1900 MHz)
- B3 (1800 MHz)
- B4 (1700 MHz)
- B5 (850 MHz)
- B7 (2600 MHz
- B8 (900 MHz)
- B12 (700 MHz)
- B13 (700 MHz)
- B19 (850 MHz)
- B20 (800 MHz)
- B28 (700 MHz)
- B31 (450 MHz) – Not implemented yet.
LTE LPWA

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CAT NB1 - Main characteristics:
- Defined by 3GPP Release 13 – Idle Mode Reselection
- 180 KHz bandwidth - QPSK - Up to 100K devices per cell
- Device transmitter power : 20/23 dBm (100/199 mW)
- Up to 226 Kbps maximum transfer rate (DL and UL)
Uplink may be configured as Multitone (226 Kbps max) or
single tone (20 Kbps max).
Expected achievable rate : DL <100 Kbps (~27 Kbps), UL <100/10 Kbps
(62.5/7 Kbps typical). Smaller number for single tone mode.
- Supports half-duplex operation mode only
- 7-10+ years of battery life (Battery life depends on use and operation mode).
- Is not widely available in Brazil. Few test sites today available.
- Expected latency : 1.6-10 s - Positioning : Cell ID
LTE LPWA

Public 26
CAT NB1 - LTE supported frequencies
- B1 (2100 MHz)
- B2 (1900 MHz)
- B3 (1800 MHz)
- B4 (1700 MHz)
- B5 (850 MHz)
- B7 (2600 MHz
- B8 (900 MHz)
- B12 (700 MHz)
- B13 (700 MHz)
- B19 (850 MHz)
- B20 (800 MHz)
- B28 (700 MHz)
- B31 (450 MHz) – Not in original specs – not implemented yet.
LTE LPWA

Public 27
CAT NB2 - Main characteristics:
- Defined by 3GPP Release 14
- 180 KHz bandwidth - QPSK - Up to 1M devices per cell
- Device transmitter power : 14/20/23 dBm (25/100/199 mW)
- Up to 282 Kbps maximum transfer rate (DL and UL)
Uplink may be configured as Multitone (282 Kbps max) or
single tone (20 Kbps max).
Expected achievable rate : DL <100 Kbps (~27 Kbps), UL <100/10 Kbps
(62.5/7 Kbps typical). Smaller number for single tone mode.
- Supports half-duplex operation mode only
- 10+ years of battery life (Battery life depends on use and operation mode).
- Is not widely available in Brazil. Few test sites today available.
- Expected latency : 1.6-10 s - Positioning : OTDOA, E-CID
LTE LPWA

Public 28
CAT NB2 - LTE supported frequencies
- B1 (2100 MHz)
- B2 (1900 MHz)
- B3 (1800 MHz)
- B4 (1700 MHz)
- B5 (850 MHz)
- B7 (2600 MHz
- B8 (900 MHz)
- B12 (700 MHz)
- B11 (1500 MHz)
- B13 (700 MHz)
- B19 (850 MHz)
- B20 (800 MHz)
- B21 (1500 MHz)
- B25 (1900 MHz)
- B28 (700 MHz)
- B31 (450 MHz)
- B70 (2000 MHz)
LTE LPWA

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CAT 1-21 - LTE standard evolution
LTE categorias 1-21 e 5G
3GPP R13-R14 3GPP R15+3GPP R10-R123GPP R8-R9
2008 20192013 2016

Public 30
CAT 1-21 - LTE standard evolution
LTE categorias 1-21 e 5G
Cat 3
Cat 4
Cat 6
100Mbps
150Mbps
300Mbps
1.2Gbps Cat 18
600Mbps Cat 12
LTE-A
LTE-A Pro
LTE
Cat 202.0Gbps
Aggregate More Spectrums Multi-Antenna Technology
Higher Order Modulation
DL 64QAM
DL 2×2 MIMO
UL Intra-band Contiguous Carrier Aggreg.
DL 2× Carrier Aggregation
UL 64QAM
DL 256QAM
DL 4×4 MIMODL 7× Carrier Aggreg.
DL 5× Carrier Aggreg.

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5G – Próximo padrão – A chave será um espectro maior disponível
LTE categorias 1-21
mmWave
100-800MHz Bandwidth
Sub-6GHz
100-200MHz Bandwidth
Sub 2.6GHz
20-100MHz Bandwidth

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Quectel Narrow Band Solutions
Quectel

Public
Quectel
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Public 34
Quectel Narrow Band Solutions (LPWA) roadmap
Modulos Quectel para LPWA

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Public
Modulos Quectel LTE para categorias 1-21
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Quectel Standard LTE modules roadmap

Public
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Quectel LTE Smart modules roadmap

Public
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Quectel LTE Advanced modules roadmap

Public
Modulos Quectel LTE para 5G
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Quectel 5G modules roadmap

Public 49
Principais fatores a levar em consideração na escolha do módulo:
- Para qual aplicação vou desenvolver meu produto?
Dependendo da aplicação, módulos diferentes podem e devem ser usados.
Para aplicações onde os nós tem como conexão direta com a rede celular (Usando LPWA ou outra
categoria com taxa mais alta), um ponto importante a considerar é se a aplicação é ou não alimentada
diretamente por bateria ou se apenas em caso de falta de energia.
Para aplicações tipo Gateway, onde outro tipo de interface é usada entre os nós de coleta de dados e o
nó Gateway, o padrão é que a alimentação seja provida por uma fonte AC, e consumo normalmente não
é um problema.
- Minha aplicação necessita de que banda mínima, no pior caso?
Outro critério fundamental para se escolher o módulo é a banda necessária para se comunicar com a
rede celular.
Para implementar nós com conexão de baixa taxa, e com necessidade de baixo consumo, interfaces
LPWA devem ser usadas, como LTE CAT NB1/NB2 ou CAT M1/M2.
Para aplicações que necessitam de banda mais larga, como as que requerem transmissão de
quantidade maior de dados (Stream de vídeos ou de outros sinais que requeiram taxa de transferência
alta), ou latência muito baixa, uma categoria mais alta de LTE é requerida. A presença de uma CPU que
possa ser usada para rodar a aplicação.
Qual módulo usar no meu projeto?

Public 50
Principais fatores a levar em consideração na escolha do módulo:
- Para a aplicação que estou desenvolvendo, preciso considerar fallback?
Fallback é a capacidade que alguns módulos tem de operar com padrões mais antigos. Por exemplo,
um módulo LTE (4G) que também seja capaz de operar em 3G e 2G.
Faz sentido e pode ser necessário quando a cobertura do padrão principal (LTE CAT1, por exemplo)
não tiver cobertura tão ampla quanto necessária.
Alguns pontos a se considerar, em caso de o módulo permitir fazer fallback, são:
+ Consumo do módulo – Principalmente para módulos LPWA, fazer fallback para 2G implica em um
consumo muito maior, reduzindo a vida útil da bateria significativamente. Ou seja, se operando apenas
em CAT M1 ou NB1/NB2 o módulo permite que a bateria dure >7 ou >10 anos, se na maior parte do
tempo o módulo tiver que operar em 2G esta vida útil da bateria vai cair significativamente, para valore
que pode ser tão baixos quanto um ano ou menos.
+ As taxas de transferência de categorias inferiores são menores, podendo ser significativamente
menores que na maior categoria possível. Por exemplo, um módulo CAT6 com fallback para 2G vai ter
uma redução de taxa de 150 Mbps para ~1 Mbps. Ou seja, cai 150x. Isso deve ser levado em conta ao
especificar o projeto.

Public 51
Principais fatores a levar em consideração na escolha do módulo(Cont.):
- Em que regiões do mundo será vendido o produto?
Dependendo da região, grupos de frequencias diferentes de frequências estão disponíveis, e o módulo
precisa se escolhido dependendo das regiões do mundo onde serão vendidos.
Dependendo da necessidade, não será possível escolher apenas um módulo para atender todas as
áreas onde o sistema será vendido, e neste caso, devem ser escolhidos módulos diferentes mas com
mesma pinagem, para facilitar o projeto.
- Para as regiões onde pretendo vender o meu produto, é necessária homologação do módulo?
Em geral, para as bandas de celular, praticamente todos os países exigem certificação do módulo a ser
usado no produto final. Ou a certificação é feita e concedida por um órgão central, como é o caso da
ANATEL no Brasil, ou, em outros países, a legislação permite que cada operadora certifique de forma
independente cada produto que será usado em sua rede (Caso dos EUA, onde cada operadora (AT&T,
Verizon, T-Mobile, U.S Cellular e Sprint) podem homologar os módulos de forma independente. Neste
caso, pode ser necessário definir “a priori” com qual operadora o produto vai se conectar para escolher
os módulos já homologados por cada operadora.

Public 52
Principais fatores a levar em consideração na escolha do módulo (Cont.):
- Quais as minhas necessidades e as principais restrições?
Muitas vezes as necessidades para um projeto são conflitantes. Por exemplo, preciso de, ao mesmo
tempo, banda larga e baixíssimo consumo de energia. Possivelmente não será possível conciliar as duas
coisas em um mesmo módulo.
Outro exemplo é a questão da necessidade de fallback e duração da bateria. Se for necessário fazer
fallback por um tempo longo para um padrão mais antigo, a durabilidade da bateria vai cair.
Custo x taxa é outro exemplo. Via de regra, quanto maior a taxa de transferência, maior o custo do
módulo, e pode ser necessário abrir mão de um dos dois quesitos para se chegar à uma solução que
atenda, da melhor forma possível, aos requisitos do projeto.
- Pretendo ter quantas versões diferentes do mesmo produto?
Em alguns projetos, deve-se prever o uso de diferentes módulos no mesmo projeto. Neste caso, deve-
se prever uma possibilidade de migração entre módulos com o mesmo footprint para que se desenvolva
uma única versão de placa que atenda a mais de uma necessidade de projeto.
- Por quanto tempo meu produto vai ter que ser produzido e mantido (garantia e manutenção)?
Para alguns produtos, o fabricante deve garantir a entrega e suporte do produto por um longo tempo,
muitas vezes por mais de 10 anos. Garantir que o módulo que foi escolhido tenha a garantia do
fabricante de que ficará em produção pelo tempo necessário para atender este requisito.

Public 53
- Existe algum requisito adicional a ser avaliado?
Avaliar as necessidades adicionais, tais como:
+ Interfaces necessárias : PCIe, USB, SDIO/I2C/SPI/Serial …
+ Há a necessidade de usar o processador interno ao módulo ()?
+ Meu produto precisa de FOTA?
+ É necessário o uso de alguma outra interface de RF (BT/BLE, Wi-Fi, …)?
+ Preciso prever migração de módulo?
+ É necessário uma entrada para GNSS/GPS? Se sim, tem algum requisito adicional para este
GPS/GNSS?

Public 54
- Existe alguma restrição adicional a ser considerada?
Muitas vezes existem restrições adicionais que precisam ser levadas em conta, além da banda de
transmissão e/ou latência, interfaces, consumo e certificação, como por exemplo:
+ Espaço na placa disponível
+ Tipo de encapsulamento (Preciso ou não soldar manualmente o módulo na placa, por exemplo?)
+ Restrição mecânica (Altura do módulo, por exemplo, ou algum padrão existente (PCIe, M.2, ...))
+ Dissipação necessária
+ Tipo de antena que pretendo usar (Pode ficar no meu invólucro ou tenho que colocar fora dele)?
+ Temperatura de operação (Comercial, industrial ou automotiva)?
+ Precisa ter certificação para uso em aplicações automotivas?

Public 55
- Como começar um novo desenvolvimento?
A forma mais segura é usando um kit de desenvolvimento.
Com o kit, é possível avaliar o desempenho do módulo, e já iniciar o desenvolvimento do software, pelo
menos definido a sequência de comandos AT a enviar para o módulo na maioria dos casos.
No caso de o módulo permitir o uso do processador interno, e de o projeto usar o processador, pode-se
inclusive desenvolver boa parte, se não todo o software, já no kit de desenvolvimento.
Não se corre o risco de algum problema de implementação ou erro de esquema elétrico ou de layout
para inciar os teste com o módulo, pois o kit é um projeto de referência bem testado e validado.
Pode-se testar de antemão o desempenho de outros itens, como a antena que se pretende usar,
permite fazer testes preliminares em campo e validar o conceito sem ter que desenvolver completamente
o produto.
Questões práticas ao desenvolver o projeto

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Quero usar um módulo, mas mantendo um processador que já uso em outros
projetos. O que devo considerar neste caso?
Alguns pontos a serem considerados, neste caso, são:
+ Qual a taxa máxima de transferência necessária?
Ao responder esta pergunta, é possível avaliar se o processador que se pretende usar tem
capacidade para tratar a taxa de dados a ser transferida e se tem as interfaces necessárias para
se comunicar com o módulo. Por exemplo, para módulos LTE CAT4 e acima, via de regra um
microcontrolador não tem capacidade de processamento suficiente para permitir processar e
transferir os dados nesta taxa. Deve-se usar um processador com maior capacidade, como um
ARM Cortex Axx ou superior.
+ No processador que pretendo usar, estou rodando algum sistema operacional? Se sim, qual?
Se usar um SO, deve-se verificar se o SO usado tem suporte em termos de driver, para o
módulo e para a interface que se pretende usar. Verificar isso cuidadosamente, pois o
desenvolvimento de um driver específico para o módulo a ser usado pode demorar muito tempo e
ter custo bem alto.
+ Se não for usar um SO, como pretende implementar seu software?
Neste caso, o problema é outro – sem um SO, o desenvolvimento do “driver” de acesso ao
módulo vai ser inevitável. Checar se existe algum exemplo de software para o módulo disponível.
Válido principalmente para módulos mais simples, com menor taxa, como LPWA e 2G.

Public 57
Que cuidados devo tomar em relação ao desenvolvimento do esquema elétrico?
+ Tensão de alimentação e de I/O do módulo. Há módulos que suportam toda faixa de
alimentação de uma bateria Li-Ion (3.2~4.2V), e outros que suportam uma faixa mais restrita
de tensão de entrada, sendo neste caso necessário incluir um conversor DC/DC para
alimentar o módulo a partir da bateria. Neste caso, avaliar seriamente a questão da eficiência
da fonte caso o módulo seja alimentado a partir de uma bateria. Como regra geral, usar um
LDO não é uma solução eficiente. Se for usar um conversor DC-DC, considerar o ripple de
saída, a frequência de chaveamento do conversor e o filtro de saída, para reduzir o ripple
gerado.
+ Corrente de pico necessária para módulo. A fonte selecionada não pode prover apenas a
corrente média necessária. Deve ser capaz de fornecer a corrente de pico, e com alguma
margem de segurança. Recomenda-se uma margem de pelo menos 10% a mais do que a
necessidade do módulo (corrente de pico) como capacidade nominal da fonte. Outro ponto a
se levar em consideração é o decréscimo da corrente máxima de saída que que algumas
fontes apresentam com o aumento da temperatura. Levar este fator em consideração ao se
especificar a fonte. Ela deve ser capaz de gerar a corrente máxima na maior temperatura
ambiente de operação do produto final.

Public 58
+ Outro ponto a se levar em conta é o decréscimo da corrente máxima de saída que que
algumas fontes apresentam com o aumento da temperatura. Levar este fator em
consideração ao se especificar a fonte. A fonte deve ser capaz de gerar a corrente máxima
na maior temperatura ambiente de operação do produto final.
+ Desacoplamento. O desacoplamento tanto dos sinais de alimentação quanto dos sinais
de I/O recomendados deve ser observado. E no desacoplamento, devem-se usar bons
capacitores, com baixo ESR, e com valores diferentes em paralelo para garantir baixa
impedância em uma faixa grande de frequência. Seguir, pelo menos, a recomendação do
fabricante. O ideal, principalmente para as entradas de maior potência, é aumentar o
desacoplamento.

Public 59
+ No módulo podem ser geradas potências altas de RF durante a transmissão. Considerar
isso no projeto, e colocar no esquema elétrico observações quanto restrições e cuidados que
devem ser tomados durante o roteamento, para que não se esqueça destes pontos.
+ Rotear os sinais que conectam o sinal da antena no módulo ao conector da antena com
impedância controlada (50R) e com um guarda de GND ao redor de todo o sinal, e incluir
vias para GND ao redor de toda a trilha, garantindo que o sinal seja transferido para a antena
com a melhor isolação do restante do circuito possível.
+ Não passar nenhum outro sinal, em nenhum layer da placa, cruzando o sinal entre o
módulo e o conector da antena.

Public 60
+ Revisar o esquema elétrico antes de iniciar o layout, de preferência fazer a revisão, se
possível, por mais de uma pessoa.
Se assim o desejar, pode nos enviar o esquema elétrico da parte do modem, para que
façamos uma revisão do mesmo. A revisão (apenas da parte do modem e dos sinais
relacionados à ele) é feita sem custo, e se for necessário, assinamos (Macnica DHW LTDA e
Quectel) um NDA com a sua empresa para se ter a garantia jurídica de que o esquema será
tratado de forma sigilosa A vantagem desta revisão externa é que ela vai reduzir muito a
chance de erro nesta parte do projeto.
+ Se necessário, usar o circuito de um kit de desenvolvimento como referência no seu
desenvolvimento. Esta é uma das funções dos kits de desenvolvimento.

Public 61
+ No caso do uso de FOTA, se o equipamento for alimentado por bateria, garantir, por
software, que a bateria seja monitorada e que esteja totalmente carregada antes de iniciar
uma atualização.
+ No caso do uso de FOTA, se o equipamento for alimentado por alimentação externa,
garantir que sejam incluídos recursos para manter a alimentação do dispositivo até que a
atualização seja concluída. Considerar o pior caso, ou seja, quando o módulo estiver
transmitindo com a maior potência possível, e pelo maior tempo estimado para que a
atualização seja concluído (Considerar que uma falha de energia pode ocorrer assim que a
atualização for iniciada, e que o equipamento deve ser mantido alimentado até o final da
atualização). Dependendo do consumo do equipamento, um supercap pode resolver, ou
pode ser necessária uma bateria de Li-Ion com maior capacidade.

Public 62
Que cuidados devo tomar em relação ao desenvolvimento do layout da placa?
+ EVITAR USAR PLACA FACE SIMPLES E, SE POSSÍVEL, PLACAS DUPLA FACE !!!!
A integridade de sinais, casamento de impedância das trilhas críticas e distribuição de
potência na placa pode ficar comprometida (No caso de dupla face) ou é bem mais difícil de
ser feita (No caso de face simples – usando microstrip).
+ Ao posicionar os capacitores, considerar o conceito de raio de atuação de um capacitor
(Depende do valor do capacitor e da resistência equivalente em série (ESR) do mesmo).
A “regra do dedão” neste caso é, quanto maior o valor do capacitor, mais afastado ele
pode ficar do pino que deve desacoplar, e quanto menor o valor do capacitor, mais próximo
ele tem que ficar do pino que vai desacoplar. Colocar, por exemplo, um capacitor de 33 pF à
uma distância de 2.5 cm ou mais do pino que deve desacoplar faz com que este capacitor
simplesmente não funcione como capacitor para aquele pino.

Public 63
+ No caso das fontes, principalmente as chaveadas, seguir a sugestão de roteamento da
fonte fornecida pelo fabricante da forma mais próxima possível.
+ Usar um plano de terra completo, cobrindo toda a placa, e sem recortes. Se precisar
isolar uma parte da placa, garantir que o recorte do plano de terra seja feito o mais distante
possível do módulo e que não seja posicionado em baixo do módulo.
+ Manter as trilhas críticas, como as que conectam a antena ao módulo, com o menor
comprimento possível.
+ Para as trilhas de conexão dos sinais de antena aos conectores de antena externa,
garantir que no roteamento feito, a impedância da trilha seja de 50R (O mais próximo
possível deste valor).

Public 64
Alguns pontos a serem considerados, neste caso, são (Cont.):
+ Se for usar antenas na placa, como chip antenas, seguir as orientações do fabricante
quanto ao recorte do plano de terra sob a antena e a conexão entre o pino de saída da
antena do módulo e a antena em si. Lembrar que muitas vezes a impedância da antena não
é puramente resistiva (50R + 0Ri) e que um circuito de casamento de impedância, como um
filtro PI LC pode ser necessário, para melhorar o casamento da impedância das antenas.
Usar o circuito recomendado pelo fabricante, caso esteja disponível tal circuito pelo
fabricante da antena. Se o fabricante não recomendar nenhum circuito, deixar previsto na
placa um filtro PI LC, com a recomendação de não montar os capacitores, e substituindo o
indutor em série por um resistor de 0R, para que, se necessário, se possa implementar um
filtro PI no futuro.

Public 65
+ Afastar o máximo possível as fontes (Conversores DC-DC, principalmente) do módulo,
principalmente da parte de RF, para reduzir a interferência da potência de transmissão de RF
nestas fontes.
+ Preencher com terra toda área que sobrar nos layers de componentes e de solda, para
aumentar a integridade de sinais.
+ Deixar uma “guarda” de GND ao redor de toda a placa, para reduzir problemas de
irradiação que possam gerar problemas na hora de certificar o produto final.
+ Rotear os sinais de alimentação do módulo em recortes de plano, nunca usando
trilhas finas. Se for inevitável rotear como trilhas, usar trilhas largas (100 mils ou mais) e
sempre usando a maior largura possível. Caso seja necessário usar trilha, incluir mais
capacitores de desacoplamento próximo ao módulo, para compensar o aumento da
indutância gerado pela trilha.

Public 66
+ Incluir filtros na alimentação de entrada, para reduzir problemas de irradiação, caso o
equipamento seja alimentado por fonte externa.
+ Para equipamento alimentado por fonte externa, não esquecer também de incluir
circuitos de proteção apropriados.
+ Prever no projeto pontos de GND disponíveis para testar a placa e medir os sinais.
+ Prever pontos de teste para os sinais da placa, exceto para os sinais de antena, onde os
pontos de teste “convencionais” atrapalham a impedância e geram descontinuidade de
impedância na trilha.

Public 67
FOTA – O que é isso, e por quê devo prever isso no meu projeto?
FOTA – Field update Over The Air, ou atualização do módulo pela conexão do próprio
módulo. Recurso que permite atualizar o firmware do módulo pelo ar.
São dois os conceitos de FOTA que precisam ser considerados para o produto final:
+ FOTA do firmware do módulo em si – Permite atualizar o firmware do módulo.
Na maioria dos módulos com esta capacidade, já existem comandos AT para iniciar
a atualização do módulo internamente, sem precisar baixar a nova atualização de
firmware para o processador e depois atualizar o módulo. Mas em alguns modelos isso
ainda é necessário, principalmente em módulos apenas com GNSS/GPS.
+ FOTA do firmware que roda no processador do produto, outro que não o do módulo.
Neste caso, o cliente deve prever os recursos para esta atualização e projetar o sistema
prevendo FOTA.

Public 68
+ Para a atualização do módulo por comando AT:
- Deve-se garantir que, uma vez iniciada a atualização, o sistema deve
OBRIGATORIAMENTE continuar alimentado até o final da atualização. Caso esta
recomendação não seja seguida, o módulo pode ser danificado PERMANENTEMENTE.
- Deve-se garantir que, uma vez iniciada a atualização, o sistema não deve ser resetado
externamente (Sinal de reset de entrada não deve ser acionado) até o final da atualização.
Caso esta recomendação não seja seguida, o módulo pode ser danificado
PERMANENTEMENTE.

Public 69
Alguns pontos a serem considerados, neste caso, são (cont.):
+ Para a atualização externa do módulo (Usando o processador externo):
- Deve-se garantir que, uma vez iniciada a atualização, o sistema deve
OBRIGATORIAMENTE continuar alimentado até o final da atualização. Caso esta
recomendação não seja seguida, o módulo pode ser danificado PERMANENTEMENTE.
- Deve-se garantir que, uma vez iniciada a atualização, o sistema não deve ser resetado
externamente (Sinal de reset de entrada não deve ser acionado) até o final da atualização.
Caso esta recomendação não seja seguida, o módulo pode ser danificado
PERMANENTEMENTE.
- Considerar a quantidade de memória necessária para armazenar uma atualização
completa na memória do sistema, seja volátil ou não-volátil.
- Se possível, primeiro carregar a atualização completa na memória, e validar o conteúdo
da memória, antes de iniciar a atualização, para reduzir o tempo de atualização ao mínimo.
- Para a atualização por interface serial, é recomendado que, além dos sinais TxD e RxD,
que os sinais de controle de fluxo (RTS e CTS) sejam usados. Considerar isso no projeto.

Public 70
Alguns pontos a serem considerados, neste caso, são (cont.):
+ Para a atualização do firmware do sistema (no processador externo):
- Planejar a atualização de modo à receber a menor quantidade de dados possíveis
(Compressão, atualização incremental, …) e prever mecanismos de validação e
autenticação dos dados recebidos.
- Prever, no sistema, quantidade de memória adicional suficiente para receber e validar
toda a atualização antes de alterar a memória de boot.
- Considerar o uso de mais de uma imagem de memória no sistema, para o caso de
ocorrer um problema na atualização e, ainda assim ser possível atualizar o sistema
novamente. Em geral, deve-se prever uma imagem de fábrica, com uma versão de firmware
que garantidamente funcione e que não seja alterada nunca, e outra versão de usuário, uma
ou mais, que seja atualizada.
- Considerar a segurança de todo o processo de atualização, para evitar brechas de
segurança no seu sistema (Conexão segura com o servidor (TSL), validação do firmware
recebido e autenticação da nova versão de firmware a ser instalada).

Public 71
O que é certificação ANATEL e que cuidados devo tomar em relação à isso?
No Brasil, assim como em praticamente todos os outros países do mundo, é
necessário se certificar equipamentos que transmitam sinais em determinadas faixas de
frequências, como as usadas na telefonia celular.
Aqui, quem emite a certificação é a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações).
Todos os equipamentos e módulos certificados podem ser consultados pelo link:
https://sistemas.anatel.gov.br/sgch/Consulta/Homologacao/Tela.asp?
Pela legislação, é obrigatório que equipamentos que transmitam sinais e faixas de
frequência licenciadas ou não, sejam certificados.
Quem emite o certificado é a ANATEL, mas os testes para certificação são feitos por OCDs
(Organismos de Certificação Designados), empresas terceirizadas que fazem os testes.
https://www.anatel.gov.br/setorregulado/organismos-de-certificacao-designados-ocds

Public 72
Ao se usar em um produto final um módulo já certificado pela ANATEL, o processo de
certificação do seu produto final terá um custo bem menor e um tempo de certificação
bem inferior ao que teria se o produto fosse certificado “do zero”, sem reutilizar a
certificação já existente para o módulo.
Mas para certificar um produto usando uma certificação já existente de um módulo, é
necessária uma carta de autorização, fornecida pela Quectel, que autoriza o cliente final
a usar a certificação do módulo, já feita anteriormente pela Quectel, para certificar o
produto final que usa este módulo.
O procedimento é simples e rápido, e economiza um bom tempo na certificação, além
de reduzir significativamente o custo de todo o processo de certificação.

Public 73
+ O módulo que pretendo usar é homologado na ANATEL? Se sim, tudo certo.
+ Se o módulo que pretendo usar não consta como sendo homologado na ANATEL, o que
devo fazer?
Neste caso, a primeira coisa a se fazer é nos contactar (Macnica DHW LTDA) para
verificar se de fato não tem certificado, pois:
- AANATEL após receber os resultados dos testes de uma OCD, leva algum tempo (às
vezes MUITO tempo) para publicar a certificação de um item. Ele já foi testado, aprovado,
mas o certificado ainda não aparece no site da ANATEL. Neste caso, nos consulte, pois
podemos fornecer um documento de conformidade, emitido pela OCD, que pode, sim, ser
usado para homologar o seu produto.
- Muitas vezes o módulo usado já está em processo de certificação em uma OCD, mas o
processo ainda não foi concluído. Neste caso, além de passar uma previsão de quando será
concluída a certificação do módulo, podemos pedir para que este processo seja agilizado
pela Quectel para que seja concluído o mais brevemente possível.
- Se o módulo ainda não foi homologado e a Quectel ainda não tem plano de iniciar a
homologação do módulo, podemos sugerir um item alternativo com custo similar e já
homologado, e/ou solicitar a homologação do item para a Quectel.

Public
Conclusão
74
Neste seminário apresentamos a solução da Quectel para conexão LTE com
um vislumbre do que vem por ai, as soluções 5G.
As principais características da solução completa da Quectel são:
●
Módulos disponíveis para aplicações de baixo consumo (LTE LPWA), com
baixo consumo de energia e foco em comunicação de baixo custo
●
Módulos de alto desempenho e com alta taxa de transferência, focados em
aplicações mais robustas.
●
Módulos com e sem GNSS/GPS integrado e com e sem suporte ao uso da
CPU interna para rodar aplicações do usuário.
●
Módulos 5G já disponíveis hoje e planejados para o curto prazo.
●
Foram passadas informações gerais para se iniciar o desenvolvimento de
sistemas usando os módulos da Quectel.

Public
Links úteis
75
Macnica DHW: http://www.macnicadhw.com.br/
Quectel: https://www.quectel.com/
4G/LTE: http://shorturl.at/xKNS6
5G: https://www.qualcomm.com/invention/5g/what-is-5g
https://www.cnet.com/news/the-5g-wireless-revolution-explained/
Revisão de esquema elétrico: http://shorturl.at/bATU1
Anatel:
Consulta de módulos certificados: http://shorturl.at/gpzA2
Organismos de Certificação Designados: http://shorturl.at/euBP7

Public
Linhas de produtos da Macnica DHW
https://www.macnicadhw.com.br/produtos/semicondutores
Soluções para IoT da Macnica DHW
https://www.macnicadhw.com.br/solucoes-iot/transformacao-digital
76

Public
Treinamento Altera On-line - Macnica DHW
 Treinamento em Tecnologia FPGA Altera online e ao vivo.
Os treinamentos tem 20h de carga horária.
São oferecidos durante meio período por dia
Serão oferecidos nas datas anunciadas em:
https://www.macnicadhw.com.br/agenda
Para maiores informações, consulte:
https://www.macnicadhw.com.br/agenda
77

Public
Entre em contato conosco
 Para encontrar a melhor solução para o seu problema, receber
cotações ou fazer uma avaliação de solução técnica, entre em
contato conosco através do e-mail:
faleconosco@macnicadhw.com.br
ou do telefone:
(48) 3225-5052
78

Public
Muito obrigado
Thank you very much
Muchas gracias
どうもありがとう
Informações para contato:
Telefone : (11) 97165-7850
e-mail : neimar.duarte@macnicadhw.com.br
Skype : neimarduarte.macnicadhw
79

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