Czym jest sigfox? Wszystko, co musisz wiedzieć

Wraz z rozwojem technologii informatycznych, wymóg umożliwienia bezprzewodowej komunikacji stał się ważnym czynnikiem w realizacji nowoczesnych aplikacji. Połączone sieci maszyn i urządzeń kommunicating ze sobą w Internecie rzeczy (IoT) i Machine-to-Machine (M2M) wymagają technik komunikacji bezprzewodowej, ponieważ urządzenia te są szeroko rozpowszechnione na dużym obszarze geograficznym. Co więcej, urządzenia te byłyby zasilane bateryjnie, co oznacza, że wymagają technologii komunikacji bezprzewodowej o niskim zużyciu energii, które są również w stanie komunikować się na duże odległości. W wyniku tych wymagań widzimy coraz większą konkurencję technologii communication, takich jak LoRaSigfox i NB-IoT itp. W tym artykule omówimy, czym jest Sigfox, jego zastosowania i znaczenie.  

Czym jest Sigfox?

Sigfox jest wąskopasmowym LPWAN (Low Power Wide Area Network) opracowany w 2009 roku we Francji. Protokół ten jest szeroko stosowany w IoT, gdy ilość danych jest niska, a zasięg działania jest duży (ponad kilkadziesiąt kilometrów). Sigfox wykorzystuje Nielicencjonowane pasma ISM i jest zastrzeżonym protokołem, co oznacza opatentowaną technologię. Jednak sprzęt Sigfox jest otwarty, podczas gdy sieć powinna być subskrybowana.

Początkowo Sigfox był jednokierunkowy, co oznaczało, że obsługiwane było tylko ułatwianie komunikacji co1TP14 przez łącze w górę. Jednak później wprowadzono łącze w dół, dzięki czemu stał się bardziej konkurencyjny wśród protokołów LPWAN communication. Teraz przyjrzymy się bliżej niektórym kluczowym zasadom technologicznym stojącym za Sigfox:

• Ultra-Narrow Band (UNB)

Sigfox wykorzystuje modulację D-BPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) do komunikacji uplink, w której wiadomość ma stałą szerokość pasma 600 Hz (dla USA), która jest wysyłana z niższą szybkością transmisji 600bps (dla USA). Ta technika modulacji jest znana jako modulacja Ultra-Narrow Band (UNB), dzięki czemu stacje bazowe Sigfox mogą komunikować się na duże odległości bez wpływu szumów. Szerokość pasma kanału wynosi 192 KHz (dla USA) i ma częstotliwość centralną, która wynosi poniżej 1 GHz w zależności od regionu. W USA częstotliwość centralna wynosi 915 MHz, podczas gdy w Europie jest to 868 MHz, a w Azji 433 MHz. W przypadku sygnału łącza w dół Sigfox wykorzystuje modulację GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Niższa przepływność umożliwia wykorzystanie tanich komponentów po stronie nadajnika-odbiornika.

• Różnorodność czasowa, częstotliwościowa i przestrzenna

Inną interesującą technologią leżącą u podstaw Sigfox jest wykorzystanie dostępu losowego. Zapewnia to wysoką jakość usług (QoS). Sieć i urządzenie nie mogą przesyłać komunikatów Sigfox synchronicznie, co oznacza, że nie ma potrzeby parowania urządzenia ani potrzeby alokacji kanału dla komunikacji uplink comm. Osiąga się to dzięki technice znanej jako zróżnicowanie czasu i częstotliwości, w której dwie kopie tej samej ramki są wysyłane w różnym czasie i częstotliwości, co pozwala więcej niż jednej stacji bazowej Sigfox słuchać pojedynczej wiadomości. W przypadku komunikacji downlink communication, urządzenie musi ponieść opóźnienie 20s po wysłaniu pierwszej wiadomości uplink, a okno odbioru downlink jest otwarte tylko przez 25s.

Ponadto, jak wspomniano wcześniej, w przeciwieństwie do protokołów komórkowych, urządzenie Sigfox nie jest podłączone do dedykowanej stacji bazowej. Umożliwia to różnorodność przestrzenną, w której emitowana wiadomość jest odbierana przez co najmniej trzy pobliskie stacje bazowe. Zasada ta znana jest jako odbiór kooperacyjny. Różnorodność przestrzenna w połączeniu z różnorodnością czasu i częstotliwości są kluczowymi czynnikami zapewniającymi wysoką jakość usług sieci Sigfox.

• Krótkie wiadomości

Sigfox zaprojektował niewielki protokół komunikacyjny communication, aby rozwiązać ograniczenia kosztów i autonomii zdalnych elementów. Zakres rozmiaru wiadomości uplink communication wynosi od 0 do 12 bajtów. Dane z czujników, dane o stanie, dane aplikacji i współrzędne GPS mogą być przesyłane z 12-bajtowym ładunkiem. Rozmiar komunikatu downlink jest statyczny i wynosi 8 bajtów. Jest to wystarczające do wyzwalania akcji, zarządzania urządzeniem lub zdalnego ustawiania parametrów aplikacji.

Jak działa Sigfox?

Sigfox ma cienką i płaską, dwuwarstwową architekturę składającą się z warstwy urządzeń sieciowych i systemu wsparcia Sigfox. Warstwa urządzeń sieciowych składa się z urządzeń końcowych i stacji bazowych. Warstwa ta jest odpowiedzialna za przesyłanie wiadomości i danych z tych urządzeń do Systemu Wsparcia Sigfox. Aby obniżyć całkowity koszt eksploatacji (TCO), stacje bazowe Sigfox wykorzystują technologię Software Defined Radio (SDR), w której algorytm programowy obsługuje demodulację zamiast dedykowanego sprzętu. Warstwa sprzętu sieciowego jest połączona z systemem wsparcia Sigfox poprzez backhaul, który wykorzystuje publiczny Internet za pośrednictwem cyfrowej linii abonenckiej (DSL) z kopią zapasową 4G/3G. Łączność satelitarna jest używana jako kopia zapasowa w przypadku braku łączności DSL lub łączności komórkowej (4G/3G). Połączenie to jest zabezpieczone przez połączenie VPN.

Sigfox Support System składa się z sieci rdzeniowej, która jest odpowiedzialna za przetwarzanie wiadomości i przekazywanie ich do systemów klienta za pośrednictwem wywołań zwrotnych, które są zbiorczo znane jako Operation Support System (OSS). Zapewnia również możliwość interakcji z systemem za pośrednictwem interfejsów internetowych i interfejsów API. Ponadto warstwa ta obejmuje takie funkcje, jak monitorowanie systemu; na przykład Business Support System (BSS) do zamawiania i fakturowania oraz nadzorowania operacji. Jest również odpowiedzialna za przetwarzanie wiadomości, gdzie przechowywana jest tylko jedna replika wiadomości, a także zarządza stacjami bazowymi w skali globalnej.

Cechy Sigfox

Przyjrzyjmy się teraz pokrótce niektórym cechom wydajności Sigfox, które czynią go konkurencyjnym wśród innych protokołów komunikacyjnych co1TP14 i idealnym kandydatem do aplikacji IoT.

1. Wysoka przepustowość sieci i wysoka jakość usług

Sigfox zapewnia wysoką przepustowość sieci i wysoki QoS oraz jest w stanie połączyć miliardy obiektów. Jest to możliwe dzięki wcześniej omówionym zasadom technologicznym, w których UNB łagodzi zakłócenia spowodowane szumem, czasem i różnorodnością częstotliwości, zapewniając losowy dostęp i kooperacyjny odbiór, co zwiększa spójność łącza radiowego i QoS.

2. Daleki zasięg

Główną przewagą konkurencyjną technologii Sigfox nad innymi technologiami communication jest pokrycie dużej odległości przy minimalnej liczbie stacji bazowych. To znacznie zmniejsza OPEX i CAPEX wdrożenia sieci Sigfox. Jest to możliwe dzięki następującym cechom:

• Zasięg łącza o częstotliwości radiowej (RF) zależy od szybkości transmisji danych dla danego wyjścia. Gdy szybkość transmisji danych jest niższa, zasięg jest większy.
• Kolejnym czynnikiem jest budżet łącza, w którym główną rolę odgrywa suma czułości stacji bazowej i mocy wyjściowej obiektu. Obniżenie budżetu łącza pozwoli uzyskać większy zasięg przy niskiej mocy.
• Zasięg zależy jednak również od topografii terenu i zapewnia dobry zasięg w pomieszczeniach dzięki wykorzystaniu pasma sub-GHz.

3. Wysoka wydajność energetyczna

Powodem wysokiej efektywności energetycznej w technologii Sigfox jest wydajność chipów półprzewodnikowych obsługiwanych przez partnerów półprzewodnikowych Sigfox, takich jak NXP, Texas Instruments itp. Te półprzewodniki działałyby z prądem około 10 mA - 50 mA podczas transmisji. Istnieją jeszcze dwa czynniki, które wyjaśniają długą żywotność baterii w Sigfox:

• Aby nawiązać połączenie, nie ma potrzeby parowania, ponieważ przed przesłaniem danych z urządzenia do stacji bazowej nie jest wymagana synchronizacja.
• Co więcej, w stanie spoczynku pobór prądu mieści się w zakresie nanoamperów, co czyni go niemal pomijalnym.

4. Odporność na zakłócenia

Dzięki zastosowaniu UNB w połączeniu z różnorodnością przestrzenną stacji bazowych +20dB, Sigfox jest w stanie zapewnić unikalne możliwości anty-jamming. Dzięki temu Sigfox jest idealnym kandydatem do działania w publicznym paśmie przemysłowym, naukowym i medycznym (ISM), widmie rozproszonym, na które wpływa UNB. Modulacja UNB ma pewną wewnętrzną wytrzymałość, ponieważ nakładanie się z szumem jest bardzo niskie. Aby odebrać wiadomość, sygnał powinien znajdować się co najmniej 8 dB powyżej poziomu szumów. W porównaniu do Sigfox, konkurencyjne technologie oparte na modulacji widma rozproszonego są w dużym stopniu narażone na zakłócenia, ponieważ ich powierzchnia jest znacznie większa.

5. Geolokalizacja oparta na sieci

Dzięki usłudze Sigfox Atlas możesz zlokalizować swoje aktywa (urządzenie Sigfox) niezależnie od jego komponentów z dokładnością do km i możesz zlokalizować urządzenie, nawet jeśli nie ma ono usługi GPS. Jest to bardzo korzystne dla śledzenia zasobów mobilnych.

6. Funkcje bezpieczeństwa

Sigfox domyślnie integruje następujące funkcje bezpieczeństwa:

• Zapewnia uwierzytelnianie, integralność i ochronę przed odtwarzaniem wiadomości przesyłanych w sieci.
• Zaawansowany standard szyfrowania (AES) bez klucza transmisji OTA
• Opcjonalne szyfrowanie ładunku
• Części sieci mogą zostać podzielone na sekcje w przypadku awarii.
• Zapewnia, że identyfikator urządzenia nie jest zduplikowany. W przypadku uszkodzonego urządzenia zostanie ono zablokowane przed communication za pomocą mechanizmu czarnej listy.
• Posiada wbudowaną zaporę sieciową

7. Narzędzia Service Coverage

Istnieją różne funkcje oferowane partnerom handlowym w celu oceny zasięgu usług, które zostały pokrótce wymienione poniżej:

• Link do mapy zasięgu usługi jest dostępny pod adresem http://www.sigfox.com/coverage
• Opracowywany jest nowy globalny interfejs API zasięgu, który ma na celu zapewnienie jakości zasięgu wszystkich publicznych operatorów Sigfox na całym świecie

Kiedy warto rozważyć Sigfox?

Po zapoznaniu się ze szczegółami technicznymi Sigfox i jego konkurencyjnymi funkcjami, skąd będziesz wiedzieć, kiedy rozważyć Sigfox dla swojej aplikacji IoT? Oto kilka ważnych wskazówek, na które warto zwrócić uwagę:

• Gdy ilość przesyłanych danych jest niewielka (od kilku bajtów do kilobajtów)
• Gdy zasięg działania jest rzędu kilometrów
• Gdy wymagany pobór prądu jest niski (rzędu miliamperów lub dziesiątek miliamperów na transmisję)

Zastosowania Sigfox:

Sigfox jest idealnym kandydatem do zastosowań o niskim poborze mocy i niskim koszcie dalekiego zasięgu w obszarach takich jak

• Zarządzanie flotą
• Aplikacje zabezpieczające
• Śledzenie zasobów dla towarów, a nawet osób
• W sektorze transportu i logistyki
• Aplikacje mHealth, w których wymagane jest zdalne monitorowanie i kontrola

Sigfox a inne sieci LPWAN

Jak wspomniano wcześniej, istnieją inne sieci LPWAN, które są konkurentami technologii Sigfox. Sieci LPWAN są tworzone w celu umożliwienia komunikacji maszyna-maszyna (M2M) i Internetu rzeczy (IoT) przy niskim zużyciu energii na dużym obszarze sieci. Przedstawiliśmy różnica między lora i sigfox Wcześniej, teraz dokonajmy krótkiego porównania różnych technologii LPWAN w oparciu o ich kryteria wydajności z oceną na 5.

Przyjrzyjmy się również bardziej szczegółowemu porównaniu technologii w oparciu o ich cechy techniczne.

Wnioski

Sigfox jest konkurencyjnym kandydatem w zastosowaniach LPWAN, który jest obecnie wdrażany w wielu zastosowaniach przemysłowych. Sigfox nawiązał już współpracę z producentami modułów, takimi jak InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON i TD Next, aby realizować moduły sprzętowe umożliwiające Sigfox. Podsumowując, możemy powiedzieć, że należy uważać na Sigfox, gdy potrzebne są aplikacje IoT o niskim poborze mocy i dużym zasięgu.