Che cos'è sigfox? Tutto quello che c'è da sapere

Con il progredire delle tecnologie informatiche, il requisito di consentire la communicazione wireless è diventato un fattore importante per la realizzazione delle applicazioni moderne. Reti connesse di macchine e dispositivi che si communicano tra di loro nell'Internet delle cose (IoT) e nella tecnologia wireless. Da macchina a macchina (M2M) richiedono tecniche di communicazione wireless, poiché questi dispositivi sono ampiamente diffusi in un'ampia area geografica. Inoltre, questi dispositivi sono alimentati a batteria, il che significa che richiedono tecnologie di communicazione a basso consumo energetico che siano anche in grado di communicare su una vasta gamma di distanze. A seguito di questi requisiti, vediamo sempre più tecnologie di communicazione in competizione tra loro, come ad esempio LoRa, Sigfox e NB-IoT ecc. In questo articolo si parlerà di Sigfox, delle sue applicazioni e del suo significato.  

Che cos'è Sigfox?

Sigfox è un sistema a banda stretta LPWAN (Low Power Wide Area Network), sviluppato nel 2009 in Francia. Questo protocollo è ampiamente utilizzato nell'IoT quando il volume dei dati è basso e il raggio d'azione è ampio (più di decine di km). Sigfox utilizza bande ISM senza licenza ed è un protocollo proprietario che significa tecnologia brevettata. Tuttavia, l'hardware Sigfox è aperto, mentre la rete deve essere sottoscritta.

In origine, Sigfox era unidirezionale, cioè supportava solo la communicazione attraverso l'uplink. Tuttavia, in seguito è stato introdotto un downlink, che gli ha permesso di essere più competitivo tra i protocolli di communicazione LPWAN. Ora approfondiremo alcuni dei principi tecnologici chiave alla base di Sigfox:

• Banda ultra stretta (UNB)

Sigfox utilizza la modulazione D-BPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) per la communicazione uplink, in cui il messaggio ha una larghezza di banda fissa di 600 Hz (per gli Stati Uniti) e viene inviato con una velocità di trasmissione inferiore di 600bps (per gli Stati Uniti). Questa tecnica di modulazione è nota come modulazione Ultra-Narrow Band (UNB), grazie alla quale le stazioni base Sigfox possono communicare su lunghe distanze senza essere influenzate dal rumore. La larghezza di banda del canale è di 192 KHz (per gli Stati Uniti) e ha una frequenza centrale inferiore a 1 GHz a seconda della regione. Negli Stati Uniti la frequenza centrale è di 915 MHz, mentre in Europa è di 868 MHz e in Asia di 433 MHz. Per il segnale di downlink, Sigfox utilizza la modulazione GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Una velocità di trasmissione inferiore consente di utilizzare componenti a basso costo per il ricetrasmettitore.

• Diversità temporale, frequenziale e spaziale

Un'altra interessante tecnologia alla base di Sigfox è l'uso dell'accesso casuale. Questo garantisce un'elevata qualità del servizio (QoS). La rete e il dispositivo non possono trasmettere i messaggi Sigfox in modo sincrono, il che significa che non è necessario accoppiare il dispositivo o allocare il canale per la communicazione in uplink. Ciò si ottiene con la tecnica nota come diversità di tempo e frequenza, in cui due copie dello stesso frame sono inviate su un tempo e una frequenza diversi, il che consente a più di una stazione base Sigfox di ascoltare un singolo messaggio. Nel caso della communicazione downlink, il dispositivo deve subire un ritardo di 20s dopo l'invio del primo messaggio uplink e la finestra di ricezione downlink è aperta solo per 25s.

Inoltre, come già detto, a differenza dei protocolli cellulari, un dispositivo Sigfox non è collegato a una stazione base dedicata. Ciò consente la diversità spaziale, in cui un messaggio emesso viene ricevuto da almeno tre stazioni base vicine. Questo principio è noto come ricezione cooperativa. La diversità spaziale, unita alla diversità temporale e di frequenza, è il fattore chiave per garantire un'elevata QoS della rete Sigfox.

• Messaggi brevi

Sigfox ha progettato un protocollo di comunicazione co1TP14 di piccole dimensioni per risolvere i limiti di costo e di autonomia degli oggetti remoti. La dimensione del messaggio di communication in uplink va da 0 a 12 byte. I dati dei sensori, i dati di stato, i dati delle applicazioni e le coordinate GPS possono essere trasmessi con un payload di 12 byte. La dimensione del messaggio downlink è statica e lunga 8 byte. È sufficiente per attivare un'azione, gestire un dispositivo o impostare i parametri dell'applicazione in remoto.

Come funziona Sigfox?

Sigfox ha un'architettura sottile e piatta, a due strati, composta dal livello delle apparecchiature di rete e dal sistema di supporto Sigfox. Il livello delle apparecchiature di rete è costituito da dispositivi finali e stazioni base. Questo livello è responsabile del trasferimento di messaggi e dati da questi dispositivi al sistema di supporto Sigfox. Per ridurre il costo totale delle operazioni (TCO), le stazioni base Sigfox utilizzano la Software Defined Radio (SDR), dove un algoritmo software gestisce la demodulazione invece di un hardware dedicato. Il livello delle apparecchiature di rete è collegato al sistema di supporto Sigfox attraverso il backhaul che utilizza Internet pubblico tramite connettività Digital Subscriber Line (DSL) con backup 4G/3G. La connettività satellitare viene utilizzata come backup in assenza di connettività DSL o cellulare (4G/3G). Questa connessione è protetta da una connessione VPN.

Il sistema di supporto Sigfox è costituito da una rete centrale che ha il compito di elaborare i messaggi e di inoltrarli ai sistemi dei clienti tramite callback, nota nel complesso come Operation Support System (OSS). Fornisce anche la capacità di interagire con il sistema attraverso interfacce web e API. Inoltre, questo livello include funzioni quali il monitoraggio del sistema; ad esempio, il Business Support System (BSS) per gli ordini e la fatturazione e la supervisione delle operazioni. È anche responsabile dell'elaborazione dei messaggi, dove viene memorizzata una sola replica del messaggio, e gestisce le stazioni base a livello globale.

Caratteristiche di Sigfox

Vediamo ora brevemente alcune caratteristiche delle prestazioni di Sigfox, che lo rendono competitivo tra gli altri protocolli di communicazione e un candidato ideale per le vostre applicazioni IoT.

1. Elevata capacità di rete ed elevata QoS

Sigfox offre un'elevata capacità di rete e un'alta QoS ed è in grado di connettere miliardi di oggetti. Ciò è possibile grazie ai principi tecnologici precedentemente discussi, in cui UNB mitiga le interferenze dovute al rumore, alla diversità di tempo e di frequenza, fornendo un accesso casuale e una ricezione cooperativa che aumenta la coerenza del collegamento radio e la QoS.

2. Lungo raggio

Il principale vantaggio competitivo della tecnologia Sigfox rispetto alle altre tecnologie di communicazione è la copertura di un'ampia distanza con un numero minimo di stazioni base. Ciò riduce notevolmente gli OPEX e i CAPEX dell'implementazione di una rete Sigfox. Ciò è possibile grazie alle seguenti caratteristiche:

• La portata del collegamento a radiofrequenza (RF) è determinata dalla velocità di trasmissione per una determinata uscita. Quando la velocità dei dati è minore, la portata è maggiore.
• Un altro fattore è il budget di collegamento, in cui la somma della sensibilità della stazione base e della potenza di uscita dell'oggetto è la preoccupazione principale. Riducendo il budget di collegamento si può ottenere un raggio d'azione più ampio con una potenza ridotta.
• Tuttavia, la portata dipende anche dalla topografia e avrebbe una buona copertura interna grazie all'uso della banda sub-GHz.

3. Alta efficienza energetica

Il motivo dell'elevata efficienza energetica della tecnologia Sigfox è l'efficienza dei chip semiconduttori messi a disposizione dai partner di Sigfox, come NXP, Texas Instruments, ecc. Questi semiconduttori funzionano con una corrente di circa 10 mA - 50 mA durante la trasmissione. Ci sono altri due fattori che spiegano la lunga durata della batteria con Sigfox:

• Per stabilire una connessione, non è necessario effettuare il pairing, in quanto non è richiesta la sincronizzazione prima di trasmettere i dati dal dispositivo alla stazione base.
• Inoltre, nello stato di inattività il consumo di corrente è dell'ordine dei nanoampere, il che lo rende quasi trascurabile.

4. Resilienza agli interferenti

Grazie all'uso dell'UNB e alla diversità spaziale delle stazioni base di +20dB, Sigfox è in grado di offrire capacità uniche di anti-jamming. Ciò rende Sigfox un candidato ideale per operare nella banda pubblica Industrial, Scientific, and Medical (ISM), uno spettro diffuso che è influenzato dall'UNB. La modulazione UNB ha una certa robustezza intrinseca perché la sovrapposizione con il rumore è molto bassa. Per ricevere un messaggio, il segnale deve essere almeno 8 dB sopra il rumore di fondo. Rispetto a Sigfox, le tecnologie concorrenti basate sulla modulazione a spettro diffuso risentono molto del rumore, perché la superficie che hanno in common è molto più grande.

5. Geolocalizzazione basata sulla rete

Con il servizio Sigfox Atlas è possibile localizzare i propri beni (dispositivi Sigfox), indipendentemente dai loro componenti, con una precisione fino a un chilometro e possono essere localizzati anche se non dispongono di un servizio GPS. Questo è molto vantaggioso per il tracciamento dei vostri beni mobili.

6. Caratteristiche di sicurezza

Il Sigfox integra di default le seguenti funzioni di sicurezza:

• Fornisce autenticazione, integrità e anti-replay sui messaggi trasmessi in rete.
• Advanced Encryption Standard (AES) con trasmissione OTA senza chiave
• Fornire la crittografia del carico utile come opzione
• In caso di emergenza, è possibile isolare parti della rete in sezioni.
• Assicura che l'ID del dispositivo non venga duplicato. Nel caso di un dispositivo danneggiato, gli verrà impedita la communicazione tramite un meccanismo di lista nera.
• Ha un firewall integrato

7. Strumenti di copertura del servizio

I partner di canale hanno a disposizione diverse caratteristiche per valutare la copertura del servizio, che sono brevemente menzionate di seguito:

• Un link alla mappa di copertura del servizio può essere consultato via http://www.sigfox.com/coverage
• È in fase di sviluppo una nuova API di copertura globale che mira a fornire la qualità di copertura di tutti gli operatori pubblici Sigfox nel mondo.

Quando considerare Sigfox?

Ora che abbiamo analizzato i dettagli tecnici di Sigfox e le sue caratteristiche competitive, come potete sapere quando considerare Sigfox per la vostra applicazione IoT? Ecco alcuni suggerimenti importanti da tenere in considerazione:

• Quando il volume di dati inviati è basso (da pochi byte a kilobyte)
• Quando il raggio d'azione è dell'ordine dei chilometri
• Quando il consumo di corrente richiesto è basso (nell'ordine dei milliampere o delle decine di milliampere per trasmissione)

Applicazioni di Sigfox:

Sigfox è un candidato ideale per applicazioni a lungo raggio a basso consumo e a basso costo in settori quali:

• Gestione della flotta
• Applicazioni di sicurezza
• Tracciabilità dei beni e anche delle persone
• Nel settore dei trasporti e della logistica
• Applicazioni mHealth, dove sono richiesti il monitoraggio e il controllo a distanza

Sigfox e altre LPWAN

Come già detto, esistono altre LPWAN che sono concorrenti della tecnologia Sigfox. Le LPWAN sono state create per consentire reti machine-to-machine (M2M) e Internet of Things (IoT) a bassa potenza su un'ampia area di rete. Abbiamo introdotto il differenza tra lora e sigfox Prima, però, facciamo un breve confronto tra le varie tecnologie LPWAN in base ai loro criteri di prestazione con un punteggio su 5.

Esaminiamo anche un confronto più dettagliato delle tecnologie in base alle loro caratteristiche tecniche.

Conclusione

Sigfox è un candidato competitivo nelle applicazioni LPWAN, che attualmente viene impiegato in molte applicazioni industriali. Sigfox ha già stabilito partnership con produttori di moduli come InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON e TD Next per realizzare moduli hardware che abilitano Sigfox. In conclusione, possiamo affermare che bisogna fare attenzione a Sigfox quando si ha bisogno di applicazioni IoT a basso consumo e ad alto raggio.