Was ist ein Sigfox-Gateway und wie wird es ausgewählt?

Stromsparende Wide Area Networks (LPWANs) haben sich in den letzten Jahren aufgrund ihrer großen Reichweite und ihres geringen Stromverbrauchs durchgesetzt. Dies führte zur Entwicklung interessanter Anwendungen wie intelligente Städte, intelligente Landwirtschaft und die Verfolgung und Überwachung von Anlagen. Sigfox ist eine beliebte LPWAN-Technologie, die weltweit weit verbreitet ist. In der Sigfox-Architektur, Sigfox-Gateways oder Basisstationen spielen eine Schlüsselrolle. Sie fungieren als Vermittler in der Netzwerkarchitektur, um alle von den Endgeräten erhaltenen Nachrichten weiterzuleiten. In diesem Artikel wird ein Überblick über Sigfox und eine Einführung in die Funktionsweise eines Sigfox-Gateways gegeben. Außerdem wird erörtert wann zu verwenden ein Sigfox-Gateway und bieten eine Anleitung für wie man wählt ein gutes Sigfox-Gateway für ein bestimmtes Design oder eine bestimmte Anwendung.

Was ist Sigfox?

Sigfox ist eine beliebte LPWAN-Technologie, die für IoT und Machine to Machine (M2M) Anforderungen. Es übernimmt die wichtigsten Merkmale der LPWAN-Technologien, einschließlich des geringen Stromverbrauchs und der großen Reichweite. Sigfox wurde erstmals 2009 auf den Markt gebracht, hat aber in letzter Zeit aufgrund zahlreicher IoT-Anwendungen in verschiedenen Branchen an Popularität gewonnen. Darüber hinaus machen einige interessante Merkmale von Sigfox die Technologie zur idealen Lösung für Anwendungen wie intelligente Zähler, intelligente Uhren usw. Lassen Sie uns einige dieser Eigenschaften kurz untersuchen.

Die hohe Netzwerkkapazität von Sigfox ist im Vergleich zu anderen LPWAN-Technologien ein Vorteil. Diese Eigenschaft wird durch die Nutzung von Ultra-Schmalband Modulation. Dieses Modulationsschema erleichtert auch die Resistenz gegenüber Interferenzen. Aufgrund dieser Eigenschaft kann Sigfox viele Geräte gleichzeitig unterstützen, wobei Frequenz- und Zeitdiversität möglich sind. Eine weitere interessante Eigenschaft von Sigfox ist die Verwendung von geringer Stromverbrauch Halbleitern, die Stromstärken zwischen 10 mA und 50 mA ermöglichen. Da die Geräte außerdem ohne anfängliches Pairing mit dem Netz verbunden werden können, wird die Batterielebensdauer der Geräte weiter verbessert.

Sigfox zielt darauf ab, eine große Reichweite mit einer minimalen Anzahl von Basisstationen abzudecken. Wenn jedoch eine große Reichweite erreicht wird, wird die Datenrate beeinträchtigt. Ein weiterer Faktor, der zum Betrieb über große Entfernungen beiträgt, ist die geringere Empfindlichkeit der Sigfox-Basisstationen gegenüber Geräten mit geringer Ausgangsleistung. Sigfox kann Entfernungen mit einer durchschnittlichen Reichweite von 30 km - 50 km. Eine der interessantesten Eigenschaften von Sigfox ist seine Anti-Jamming-Fähigkeit.

Nachdem wir nun ein grundlegendes Verständnis über Sigfox und seine Funktionen haben, werden wir uns nun auf die Sigfox-Gateways oder Basisstationen konzentrieren, die eine entscheidende Rolle in der Sigfox-Netzwerkarchitektur spielen.

Was ist ein Sigfox-Gateway?

Das Sigfox-Gateway oder die Sigfox-Basisstation ist für die Erfassung von Sensor- und Endgerätedaten und deren Weiterleitung an den Anwendungsserver zuständig. Die Sigfox-Gateways haben eine Sigfox-Verbindung mit den Endgeräten und den Sensoren, während sie idealerweise eine IP-Verbindung mit dem Anwendungsserver unterhalten. In diesem Fall wäre der Anwendungsserver idealerweise eine Cloud, weshalb die IP-Verbindung entweder über Mobilfunk oder über Wi-Fi hergestellt wird. Es kann jedoch auch eine Ethernet-Verbindung bestehen, wenn der Anwendungsserver ein physischer Server oder ein Computer ist.

Eine Sigfox-Basisstation besteht aus drei wesentliche Elemente.

• Eine Antenne: Diese sind für den Empfang von Nachrichten über die Luft von den Endgeräten zuständig. Diese werden in der Regel an hohen Punkten oder auf Türmen angebracht, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
• Ein rauscharmer Verstärker (LNA): Er dient zur Verstärkung des empfangenen Signals. Die Verstärkung ist notwendig, da das empfangene Signal stark verrauscht sein kann.
• Ein Zugangspunkt: Dieser ist für den Empfang von Sigfox-Nachrichten und deren Versand an den Cloud-Server zuständig. Dieser Zugangspunkt sollte in der Lage sein, Sigfox-Nachrichten zu verstehen.

Abgesehen von dieser allgemeinen Klassifizierung der Sigfox-Gateway-Komponenten besteht das Sigfox-Gateway aus drei Haupt-Hardware-Komponenten, die auf ihrer Funktion basieren. Dazu gehören ein Funkmodul, der Hauptprozessor und das Konnektivitätsmodul. Das Funkmodul ist das Sigfox-Modul, das Sigfox-Nachrichten auf der physikalischen Schicht verstehen kann. Der Prozessor wiederum ist für die gesamte Verarbeitung und den Betrieb des Betriebssystems und der entsprechenden Firmware zuständig, die für das Nachrichtenrouting benötigt werden. Das Konnektivitätsmodul schließlich ist für die Verbindung des Gateways mit dem Netzwerk über eine IP-Verbindung zuständig. Es handelt sich hierbei um die Hardware-Ausprägung des Access Point.

Sigfox Gateways werden grob in zwei Gruppen unterteilt, je nach Einsatzort. Es gibt Innen- und Außen-Gateways. Outdoor-Gateways verbrauchen in der Regel mehr Strom als Indoor-Gateways. Beide Typen können jedoch viele Geräte auf einmal verarbeiten.

Sigfox Gateways wurden entwickelt, um eine weitreichende Abdeckung mit einer minimalen Anzahl von Gateways in einem System zu realisieren. Eines der Hauptprinzipien dahinter ist die räumliche Vielfalt. Räumliche Diversität wird durch kooperativen Empfang erreicht, bei dem ein Endgerät nicht mit einem einzigen Gateway verbunden ist. Im Durchschnitt kann ein Gerät zu einem bestimmten Zeitpunkt mit 3 Gateways verbunden sein.

Sicherheit ist ein kritischer Faktor bei modernen IoT-Anwendungen. Sigfox gilt als eine der sichersten LPWAN-Technologien. Sigfox-Gateways spielen eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung der Sicherheit des Systems, abgesehen von der Weiterleitung von Gerätenachrichten an den Anwendungsserver. Sigfox-Gateways sind auch für die Durchführung einer CRC-Validierung der Nachrichten verantwortlich, bevor sie diese weiterleiten, um ihre Integrität zu überprüfen. Darüber hinaus hat Sigfox ein Trusted Platform Module (TPM) in die Gateways integriert, um alle Schlüssel neben einer VPN-Verbindung zwischen dem Gateway und dem Anwendungsserver zu sichern.

Wann sollte man ein Sigfox-Gateway verwenden?

Nachdem wir nun einige Hauptmerkmale von Sigfox-Gateways gesehen haben, wollen wir nun sehen, wann wir ein Sigfox-Gateway benötigen. Wir könnten ein Sigfox-Gateway in unserem Design benötigen, wenn:

• Erweiterte Deckung: Dies ist einer der Hauptgründe für den Einsatz eines Sigfox Gateways. Indem Sie mehr als ein Sigfox Gateway in Ihrem Netzwerk haben, können Sie die Reichweite der Operationen leicht erhöhen.
• Zuverlässigkeit und Integrität des Netzes: Im vorherigen Abschnitt haben wir gesehen, wie ein Sigfox-Gateway mit einem TPM ausgestattet ist. Dies verbessert die Integrität der Nachrichten, die durch das Gateway geleitet werden. Aufgrund der räumlichen Vielfalt, die durch den kooperativen Empfang erreicht wird, hat das Netzwerk auch dann keine Verbindungsprobleme, wenn ein Gateway ausfällt. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Netzwerks erhöht.
• Sicherheit: Sigfox Gateways können als zusätzliche Sicherheitsschicht in der Netzwerkarchitektur fungieren. Die zwischen dem Gateway und dem Anwendungsserver aufgebaute VPN-Verbindung kann Lauschangriffe auf das Netzwerk minimieren.
• Geräteverwaltung: Ein Gateway kann den Benutzern bei der Geräteverwaltung helfen, indem die Gateway-Firmware entsprechend konfiguriert wird. Dies kann die gleichmäßige Bereitstellung von Ressourcen, zusätzliche Sicherheitsfunktionen und die Überwachung von Endgeräten umfassen. Die Funktionen der Geräteverwaltung hängen vom Hersteller des Gateways ab.

Wie wählt man ein gutes Gateway für sein Design?

Die Wahl des richtigen Sigfox-Gateways hängt von den Anforderungen der IoT- und M2M-Lösung ab. Es gibt jedoch eine Reihe allgemeiner Regeln und Merkmale, auf die man achten sollte. Hier sind einige zu Ihrer Information,

• Netzabdeckung: Dies ist ein entscheidender Faktor, wenn sich Ihr Projekt über ein großes Gebiet erstreckt. Normalerweise können Gateways mit hoher Leistung eine gute Netzabdeckung erreichen.
• Gerätekapazität: Obwohl dies in vielen Fällen keine große Einschränkung darstellt, können einige Indoor-Gateways eine Gerätebeschränkung aufweisen. Außerdem müssen Sie entscheiden, ob Sie sowohl den Downlink als auch den Uplink für die Anwendung nutzen wollen.
• Sicherheit: Verschiedene Anbieter können neben den von Sigfox übernommenen Merkmalen zusätzliche Sicherheitsfunktionen anbieten. Es ist ratsam, nach Gateways zu suchen, die über Verschlüsselungs- und Secure-Boot-Sicherheitsfunktionen verfügen.
• Konnektivität mit dem Anwendungsserver: Je nach Standort des Einsatzes und Art der Anwendung muss festgelegt werden, welche Art der Verbindung zum Anwendungsserver bestehen soll. Mobilfunk und Wi-Fi werden bevorzugt, wenn die Verbindung drahtlos hergestellt werden soll.
• Kosten: Dies ist ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl eines Gateways. Die Wahl des richtigen Gateways, das zu Ihrem Budget passt, ist eine schwierige Situation.

Schlussfolgerung

In diesem Artikel haben wir besprochen, was ein Sigfox-Gateway ist. Dann haben wir kurz einige Funktionen des Sigfox-Gateways und seine grundlegenden Komponenten besprochen. Schließlich haben wir einige der Faktoren besprochen, die wir bei der Auswahl eines Sigfox-Gateways für Ihr Design berücksichtigen müssen. Obwohl es sich bei diesen Faktoren um einige allgemeine Tipps für die Auswahl handelt, lohnt es sich, sie zu berücksichtigen.