ما هو سيجفوكس؟ كل ما تحتاج إلى معرفته

مع تقدم تكنولوجيا المعلومات، أصبحت متطلبات تمكين الاتصال اللاسلكي المشترك بين الأجهزة والأجهزة اللاسلكية عاملاً مهمًا في تحقيق التطبيقات الحديثة. تتصل شبكات الآلات والأجهزة المتصلة ببعضها البعض في إنترنت الأشياء (IoT) و من آلة إلى آلة تتطلب تطبيقات الاتصال من آلة إلى آلة (M2M) تقنيات الاتصال اللاسلكي المشترك (M2M) لأن هذه الأجهزة منتشرة على نطاق واسع على مساحة جغرافية كبيرة. علاوةً على ذلك، ستعمل هذه الأجهزة بالبطاريات مما يعني أنها تتطلب تقنيات اتصال لاسلكي منخفضة الاستهلاك للطاقة وقادرة أيضًا على الاتصال عبر نطاق واسع من المسافات. نتيجةً لهذه المتطلبات، نرى أن تقنيات الاتصال المشترك Communication تتنافس بشكل متزايد مثل لوراوSigfox و NB-IoT وما إلى ذلك. ستناقش هذه المقالة ما هو Sigfox وتطبيقاته وأهميته.  

ما هو Sigfox؟

Sigfox هو نطاق ضيّق LPWAN (شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة) بروتوكول تم تطويره في عام 2009 في فرنسا. يُستخدم هذا البروتوكول على نطاق واسع في إنترنت الأشياء عندما يكون حجم البيانات منخفضًا ونطاق التشغيل كبيرًا (أكثر من عشرات الكيلومترات). يستخدم Sigfox نطاقات ISM غير المرخصة وهو بروتوكول مسجّل الملكية مما يعني أن تقنيته حاصلة على براءة اختراع. ومع ذلك، فإن أجهزة Sigfox مفتوحة بينما يجب الاشتراك في الشبكة.

في الأصل، كانت Sigfox أحادية الاتجاه، مما يعني أنه تم دعم تسهيل الاتصال عبر الوصلة الصاعدة فقط. ومع ذلك، تم تقديم وصلة هابطة في وقت لاحق، مما مكنها من أن تكون أكثر قدرة على المنافسة بين بروتوكولات الاتصال عبر LPWAN communication. الآن سنلقي نظرة أعمق على بعض المبادئ التكنولوجية الرئيسية وراء Sigfox:

• النطاق الضيق جداً (UNB)

تستخدم Sigfox تعديل D-BPSK (مفتاح التحول الطوري الثنائي التفاضلي الثنائي) لتعديل الوصلة الصاعدة للاتصال المشترك للوصلة الصاعدة (co1TPP14Tunication) حيث يكون للرسالة نطاق ترددي ثابت يبلغ 600 هرتز (بالنسبة للولايات المتحدة) يتم إرساله بمعدلات بت أقل تبلغ 600 بت في الثانية (بالنسبة للولايات المتحدة). تُعرف تقنية التعديل هذه باسم تعديل النطاق الضيق للغاية (UNB)، وبسبب ذلك، يمكن لمحطات Sigfox الأساسية الاتصال عبر مسافات طويلة دون أن تتأثر بالضوضاء. يبلغ عرض النطاق الترددي للقناة 192 كيلو هرتز (بالنسبة للولايات المتحدة) وله تردد مركزي أقل من GHz يعتمد على المنطقة. يبلغ التردد المركزي في الولايات المتحدة 915 MHz بينما يبلغ هذا التردد في أوروبا 868 MHz وفي آسيا 433 MHz. بالنسبة لإشارة الوصلة الهابطة تستخدم Sigfox تعديل GFSK (Gaussian Frequency Shift Shift Keying). يتيح معدل البت المنخفض استخدام مكونات منخفضة التكلفة في طرف جهاز الإرسال والاستقبال.

• التنوع الزماني والترددي والمكاني

هناك تقنية أساسية أخرى مثيرة للاهتمام وراء Sigfox وهي استخدام الوصول العشوائي. وهذا يضمن جودة خدمة عالية (QoS). لا يمكن للشبكة والجهاز نقل رسائل Sigfox بشكل متزامن، مما يعني عدم الحاجة إلى إقران الجهاز أو الحاجة إلى تخصيص قناة للوصلة الصاعدة المشتركة mmunication. يتم تحقيق ذلك من خلال التقنية المعروفة باسم تنوع الوقت والتردد، حيث يتم إرسال نسختين من نفس الإطار عبر وقت وتردد مختلفين، مما يسمح لأكثر من محطة أساسية واحدة من Sigfox بالاستماع إلى رسالة واحدة. في حالة الاتصال بالوصلة الهابطة communication، يحتاج الجهاز إلى تأخير لمدة 20 ثانية بعد إرسال رسالة الوصلة الصاعدة الأولى وتكون نافذة استقبال الوصلة الهابطة مفتوحة لمدة 25 ثانية فقط.

علاوة على ذلك، كما ذكرنا من قبل، على عكس البروتوكولات الخلوية، فإن جهاز Sigfox غير متصل بمحطة أساسية مخصصة. يتيح ذلك إمكانية التنوع المكاني، حيث يتم استقبال الرسالة المنبعثة من قبل ثلاث محطات قاعدية قريبة على الأقل. يُعرف هذا المبدأ باسم الاستقبال التعاوني. يعد التنوع المكاني إلى جانب التنوع الزمني والترددي من العوامل الرئيسية في ضمان جودة الخدمة العالية لشبكة Sigfox.

• الرسائل القصيرة

صممت شركة Sigfox بروتوكول اتصال communication صغير الحجم لحل قيود التكلفة والاستقلالية للعناصر البعيدة. يتراوح حجم رسالة الوصلة الصاعدة communication من 0 إلى 12 بايت. يمكن إرسال بيانات المستشعر وبيانات الحالة وبيانات التطبيق وإحداثيات النظام العالمي لتحديد المواقع بحمولة 12 بايت. حجم رسالة الوصلة الهابطة ثابت وطولها 8 بايت. وهذا يكفي لتشغيل إجراء أو إدارة جهاز أو تعيين معلمات التطبيق عن بُعد.

كيف يعمل Sigfox؟

تتمتع Sigfox ببنية رفيعة ومسطحة مكونة من طبقتين تتكون من طبقة معدات الشبكة ونظام دعم Sigfox. تتكون طبقة معدات الشبكة من الأجهزة الطرفية والمحطات الأساسية. هذه الطبقة مسؤولة عن نقل الرسائل والبيانات من هذه الأجهزة إلى نظام دعم Sigfox. ولتقليل التكلفة الإجمالية للتشغيل (TCO)، تستخدم محطات Sigfox الأساسية الراديو المعرّف بالبرمجيات (SDR) حيث تتولى خوارزمية برمجية معالجة عملية إزالة التشكيل بدلاً من الأجهزة المخصصة. يتم توصيل طبقة معدات الشبكة بنظام دعم Sigfox من خلال الربط الذي يستخدم الإنترنت العام عبر اتصال خط المشترك الرقمي (DSL) مع اتصال احتياطي من الجيل الرابع 4G/3G. يتم استخدام الاتصال عبر الأقمار الصناعية كنسخة احتياطية في حالة عدم وجود اتصال DSL أو اتصال خلوي (4G/3G). يتم تأمين هذا الاتصال بواسطة اتصال VPN.

يتألف نظام دعم Sigfox من شبكة أساسية مسؤولة عن معالجة الرسائل وإعادة توجيهها إلى أنظمة العملاء من خلال عمليات الاستدعاء التي تُعرف مجتمعةً باسم نظام دعم العمليات (OSS). كما يوفر أيضاً القدرة على التفاعل مع النظام من خلال واجهات الويب وواجهات برمجة التطبيقات. علاوةً على ذلك، تتضمن هذه الطبقة ميزات مثل مراقبة النظام؛ على سبيل المثال، نظام دعم الأعمال (BSS) للطلب والفوترة والإشراف على العمليات. كما أنها مسؤولة عن التعامل مع معالجة الرسائل، حيث يتم تخزين نسخة متماثلة واحدة فقط من الرسالة وتدير أيضاً المحطات الأساسية على مستوى العالم.

ميزات Sigfox

دعونا الآن نلقي نظرة سريعة على بعض ميزات أداء Sigfox، والتي تجعله منافساً بين بروتوكولات الاتصال المشترك الأخرى والمرشح المثالي لتطبيق إنترنت الأشياء الخاص بك.

1. سعة الشبكة العالية وجودة الخدمة العالية

توفر شبكة Sigfox سعة شبكية عالية وجودة خدمة عالية وقادرة على توصيل مليارات الأجسام. يتم تمكين ذلك من خلال المبادئ التكنولوجية التي تمت مناقشتها سابقًا حيث يخفف UNB من التداخل بسبب الضوضاء والوقت وتنوع الترددات مما يوفر وصولاً عشوائيًا واستقبالًا تعاونيًا يزيد من اتساق الوصلة اللاسلكية وجودة الخدمة.

2. بعيد المدى

تتمثل الميزة التنافسية الرئيسية لتقنية Sigfox على غيرها من تقنيات الاتصالات المشتركة الأخرى في تغطية مسافة كبيرة بأقل عدد من المحطات الأساسية. وهذا يقلل إلى حد كبير من النفقات التشغيلية والرأسمالية لتنفيذ شبكة Sigfox. ويتم تمكين ذلك من خلال الميزات التالية:

• يتم تحديد مدى وصلة التردد اللاسلكي (RF) من خلال معدل البت لإخراج معين. عندما يكون معدل البيانات أقل، يكون النطاق أعلى.
• هناك عامل آخر هو ميزانية الارتباط، حيث يشكل مجموع حساسية المحطة الأساسية وطاقة خرج الجسم مصدر القلق الرئيسي. سيؤدي خفض ميزانية الارتباط إلى تسهيل الحصول على نطاق أوسع بطاقة منخفضة.
• ومع ذلك، يعتمد النطاق أيضًا على التضاريس وسيكون له تغطية داخلية جيدة بسبب استخدام نطاق GHz الفرعي.

3. كفاءة عالية في استخدام الطاقة

إن السبب وراء كفاءة الطاقة العالية في تقنية Sigfox هو كفاءة رقائق أشباه الموصلات التي يتيحها شركاء Sigfox لأشباه الموصلات مثل NXP و Texas Instruments، إلخ. ستعمل أشباه الموصلات هذه على حوالي 10 مللي أمبير - 50 مللي أمبير من التيار في الإرسال. هناك عاملان آخران يفسران عمر البطارية الطويل مع Sigfox:

• لإنشاء اتصال، ليست هناك حاجة إلى الاقتران، حيث لا يلزم إجراء مزامنة قبل نقل البيانات من الجهاز إلى المحطة الأساسية.
• وعلاوة على ذلك، يكون استهلاك التيار في حالة الخمول في حدود النانو أمبير، مما يجعله ضئيلاً للغاية.

4. المرونة في مواجهة المتدخلين

مع استخدام UNB مقترناً بالتنوع المكاني للمحطات القاعدية الذي يبلغ +20 ديسيبل، فإن Sigfox قادرة على توفير قدرات فريدة من نوعها مضادة لـ Jmming. وهذا يتيح لـ Sigfox مرشحًا مثاليًا للعمل في النطاق الصناعي والعلمي والطبي العام (ISM)، وهو طيف منتشر يتأثر بـ UNB. يتميز تعديل UNB ببعض الصلابة الجوهرية لأن التداخل مع الضوضاء منخفض للغاية. ولاستقبال رسالة، يجب أن تكون الإشارة أعلى من أرضية التشويش بمقدار 8 ديسيبل على الأقل. بالمقارنة مع Sigfox، فإن التقنيات المنافسة المبنية على تعديل طيف الانتشار تتأثر بشدة بالضوضاء لأن السطح الذي تتداخل فيه مع أرضية التشويش أكبر بكثير.

5. تحديد الموقع الجغرافي القائم على الشبكة

باستخدام خدمة Sigfox Atlas، يمكنك تحديد موقع أصولك (جهاز Sigfox) بغض النظر عن مكوناته بدقة تصل إلى كيلومترات، ويمكنك تحديد موقع الجهاز حتى لو لم يكن لديه خدمة GPS. وهذا مناسب جدًا لتتبع أصولك المتنقلة.

6. ميزات الأمان

يدمج Sigfox ميزات الأمان التالية بشكل افتراضي:

• يوفر المصادقة والتكامل ومكافحة إعادة التشغيل على الرسائل المرسلة على الشبكة
• معيار التشفير المتقدم (AES) مع عدم وجود مفتاح نقل OTA
• توفير تشفير الحمولة كخيار
• يمكن عزل أجزاء من الشبكة إلى أقسام في حالة الطوارئ
• يضمن عدم تكرار معرف الجهاز. في حالة وجود جهاز تالف، سيتم منعه من الاتصال بـ communication عبر آلية قائمة سوداء
• يحتوي على جدار حماية مدمج

7. أدوات تغطية الخدمة

هناك ميزات مختلفة يتم توفيرها لشركاء القنوات لتقييم تغطية الخدمة، وهي مذكورة بإيجاز أدناه:

• يمكن الوصول إلى رابط خريطة تغطية الخدمة عن طريق http://www.sigfox.com/coverage
• يجري تطوير واجهة برمجة تطبيقات تغطية عالمية جديدة تهدف إلى توفير جودة التغطية لجميع مشغلي Sigfox العموميين في جميع أنحاء العالم

متى تفكر في استخدام Sigfox؟

الآن وقد انتهينا من التفاصيل التقنية لـ Sigfox وميزاته التنافسية، كيف ستعرف متى تفكر في استخدام Sigfox لتطبيق إنترنت الأشياء الخاص بك؟ فيما يلي بعض النصائح المهمة التي يجب النظر فيها:

• عندما يكون حجم البيانات المرسلة منخفضًا (يتراوح بين بضعة بايتات وكيلوبايت)
• عندما يكون نطاق التشغيل في حدود الكيلومترات
• عندما يكون استهلاك التيار المطلوب منخفضًا (في حدود المللي أمبير أو عشرات المللي أمبير لكل إرسال)

تطبيقات Sigfox:

تُعد Sigfox مرشحًا مثاليًا للتطبيقات بعيدة المدى منخفضة الطاقة ومنخفضة التكلفة في مجالات مثل

• إدارة الأسطول
• تطبيقات الأمان
• تتبع الأصول للبضائع وحتى الأشخاص
• في قطاع النقل والخدمات اللوجستية
• تطبيقات mHealth، حيث يلزم المراقبة والتحكم عن بُعد

سيجفوكس مقابل شبكات LPWAN الأخرى

كما ذكرنا سابقاً، هناك شبكات LPWAN أخرى منافسة لتقنية Sigfox. تم إنشاء شبكات LPWAN لتمكين شبكات الاتصال من آلة إلى آلة (M2M) وإنترنت الأشياء (IoT) بطاقة منخفضة على مساحة واسعة من الشبكة. لقد قدمنا الفرق بين لورا وسيجفوكس قبل ذلك، دعنا الآن نجري مقارنة موجزة بين مختلف تقنيات LPWAN استنادًا إلى معايير أدائها مع تقييمها بدرجة من 5.

ولننظر أيضًا في مقارنة أكثر تفصيلاً بين التقنيات بناءً على ميزاتها التقنية.

الخاتمة

تعتبر Sigfox مرشحاً منافساً في تطبيقات LPWAN التي يتم نشرها حالياً في العديد من التطبيقات الصناعية. وقد أقامت شركة Sigfox بالفعل شراكات مع صانعي الوحدات النمطية مثل InnoCoComm وMurata وWiSOL وLITEON وTD Next لتحقيق وحدات الأجهزة التي تمكن Sigfox. في الختام، يمكننا القول أنه يمكننا القول أن احترس من Sigfox عندما تحتاج إلى تطبيقات إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة وعالية المدى.