O que é o sigfox? Tudo o que precisa de saber

Com o avanço das tecnologias da informação, a necessidade de permitir a comunicação sem fios tornou-se um fator importante para a realização de aplicações modernas. As redes conectadas de máquinas e dispositivos que se comunicam entre si na Internet das Coisas (IoT) e na Máquina a máquina (M2M) exigem técnicas de comunicação sem fios, uma vez que estes dispositivos estão amplamente distribuídos por uma grande área geográfica. Além disso, estes dispositivos são alimentados por bateria, o que significa que exigem tecnologias de comunicação que consumam pouca energia e que sejam igualmente capazes de comunicar a uma grande distância. Como resultado destes requisitos, vemos cada vez mais tecnologias de comunicação co1TP14 em concorrência, tais como LoRaSigfox e NB-IoT etc. Este artigo abordará o que é a Sigfox e as suas aplicações e importância.  

O que é a Sigfox?

A Sigfox é uma rede de banda estreita LPWAN (Low Power Wide Area Network), protocolo desenvolvido em 2009 em França. Este protocolo é amplamente utilizado na IoT quando o volume de dados é baixo e o alcance operacional é grande (mais de dezenas de quilómetros). O Sigfox utiliza bandas ISM não licenciadas e é um protocolo proprietário que significa a sua tecnologia patenteada. No entanto, o hardware Sigfox é aberto, enquanto a rede deve ser subscrita.

Originalmente, o Sigfox era unidirecional, o que significa que apenas era suportada a comunicação comm através da ligação ascendente. No entanto, uma ligação descendente foi introduzida mais tarde, permitindo-lhe ser mais competitivo entre os protocolos de comunicação LPWAN comm. Vamos agora analisar em pormenor alguns dos princípios tecnológicos fundamentais subjacentes ao Sigfox:

• Banda ultra-estreita (UNB)

A Sigfox utiliza a modulação D-BPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) para a comunicação uplink, na qual a mensagem tem uma largura de banda fixa de 600 Hz (para os EUA), que é enviada com taxas de bits mais baixas de 600bps (para os EUA). Esta técnica de modulação é conhecida como modulação de banda ultra-estreita (UNB), devido a isto, as estações base Sigfox podem communicar através de longas distâncias sem serem afectadas pelo ruído. A largura de banda do canal é de 192 KHz (para os EUA) e tem uma frequência central que é inferior a 1 GHz depende da região. Nos EUA, a frequência central é de 915 MHz, na Europa de 868 MHz e na Ásia de 433 MHz. Para o sinal de downlink, a Sigfox utiliza a modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Uma taxa de bits mais baixa permite a utilização de componentes de baixo custo na extremidade do transcetor.

• Diversidade temporal, de frequência e espacial

Outra tecnologia interessante subjacente à Sigfox é a utilização de acesso aleatório. Isto assegura uma elevada Qualidade de Serviço (QoS). A rede e o dispositivo não podem transmitir as mensagens Sigfox de forma síncrona, o que significa que não há necessidade de emparelhar o dispositivo nem de atribuição de canais para a comunicação uplink. Isto é conseguido através da técnica conhecida como diversidade de tempo e frequência, em que duas cópias do mesmo quadro são enviadas num tempo e frequência diferentes, o que permite que mais do que uma estação de base Sigfox ouça uma única mensagem. No caso da comunicação downlink comm, o dispositivo precisa incorrer em um atraso de 20s após o envio da primeira mensagem de uplink e a janela de receção do downlink só fica aberta por 25s.

Além disso, como já foi dito, ao contrário dos protocolos celulares, um dispositivo Sigfox não está ligado a uma estação de base dedicada. Este facto permite a diversidade espacial, em que uma mensagem emitida é recebida por, pelo menos, três estações de base próximas. Este princípio é conhecido como receção cooperativa. A diversidade espacial, juntamente com a diversidade temporal e de frequência, são os factores-chave para garantir uma elevada QoS da rede Sigfox.

• Mensagens curtas

A Sigfox concebeu um pequeno protocolo de comunicação comm para resolver as limitações de custo e autonomia dos objectos remotos. A faixa de tamanho da mensagem do uplink communication é de 0 a 12 bytes. Os dados do sensor, os dados de estado, os dados da aplicação e as coordenadas GPS podem ser transmitidos com uma carga útil de 12 bytes. O tamanho da mensagem de ligação descendente é estático e tem 8 bytes de comprimento. Isto é suficiente para desencadear uma ação, gerir um dispositivo ou definir parâmetros de aplicação à distância.

Como funciona a Sigfox?

A Sigfox tem uma arquitetura fina e plana, de dois níveis, composta pela camada de equipamento de rede e pelo sistema de apoio Sigfox. A camada de equipamento de rede consiste em dispositivos finais e estações de base. Esta camada é responsável pela transferência de mensagens e dados destes dispositivos para o sistema de suporte Sigfox. Para reduzir o custo total de operação (TCO), as estações de base Sigfox utilizam o Software Defined Radio (SDR), em que um algoritmo de software irá lidar com a desmodulação em vez de hardware dedicado. A camada de equipamento de rede é ligada ao sistema de suporte Sigfox através de backhaul que utiliza a Internet pública através de conetividade Digital Subscriber Line (DSL) com backup 4G/3G. A conetividade por satélite é utilizada como backup quando não existe conetividade DSL ou conetividade celular (4G/3G). Esta ligação é protegida por uma ligação VPN.

O Sistema de Apoio Sigfox consiste numa rede central que é responsável pelo processamento das mensagens e pelo seu encaminhamento para os sistemas dos clientes através de chamadas de retorno que são coletivamente conhecidas como Sistema de Apoio à Operação (OSS). Ele também fornece a capacidade de interagir com o sistema através de interfaces web e APIs. Além disso, este nível inclui funcionalidades como a monitorização do sistema; por exemplo, o sistema de apoio às empresas (BSS) para encomendas e faturação, e a supervisão das operações. É também responsável pelo processamento de mensagens, em que apenas uma réplica da mensagem é armazenada, e gere também as estações de base a nível global.

Caraterísticas da Sigfox

Vejamos agora brevemente algumas caraterísticas de desempenho da Sigfox, que a tornam competitiva entre outros protocolos de comunicação e uma candidata ideal para a sua aplicação IoT.

1. Elevada capacidade de rede e elevada QoS

A Sigfox proporciona uma elevada capacidade de rede e uma elevada QoS e é capaz de ligar milhares de milhões de objectos. Isto é possível graças aos princípios tecnológicos anteriormente discutidos, em que a UNB atenua as interferências devidas ao ruído, ao tempo e à diversidade de frequências, proporcionando acesso aleatório e receção cooperativa, o que aumenta a consistência da ligação rádio e a QoS.

2. Longo alcance

A principal vantagem competitiva da tecnologia Sigfox em relação a outras tecnologias de comunicação é a cobertura de uma grande distância com um número mínimo de estações de base. Isto reduz largamente o OPEX e o CAPEX da implementação de uma rede Sigfox. Isto é possível graças às seguintes caraterísticas:

• O alcance da ligação de radiofrequência (RF) é determinado pela taxa de bits para uma determinada saída. Quando a taxa de dados é menor, o alcance é maior.
• Outro fator é o orçamento da ligação, em que a soma da sensibilidade da estação de base e da potência de saída do objeto é a principal preocupação. Reduzir o orçamento da ligação facilitará um maior alcance com baixa potência.
• No entanto, o alcance também depende da topografia e teria uma boa cobertura interior devido à utilização da banda sub-GHz.

3. Elevada eficiência energética

A razão por detrás da elevada eficiência energética da tecnologia Sigfox é a eficiência dos chips semicondutores disponibilizados pelos parceiros de semicondutores da Sigfox, como a NXP, a Texas Instruments, etc. Estes semicondutores funcionariam com cerca de 10 mA - 50 mA de corrente na transmissão. Há mais dois factores que explicam a longa duração da bateria com a Sigfox:

• Para estabelecer uma ligação, não é necessário emparelhamento, uma vez que não é necessária qualquer sincronização antes da transmissão de dados do dispositivo para a estação de base.
• Além disso, no estado de inatividade, o consumo de corrente é da ordem dos nanoamperes, o que o torna quase insignificante.

4. Resiliência às interferências

Com a utilização da UNB aliada à diversidade espacial das estações de base de +20dB, a Sigfox é capaz de capacidades anti-jamming únicas. Isto faz da Sigfox uma candidata ideal para operar na banda pública Industrial, Científica e Médica (ISM), um espetro alargado que é afetado pela UNB. A modulação UNB tem alguma robustez intrínseca porque a sobreposição com o ruído é muito baixa. Para receber uma mensagem, o sinal deve estar pelo menos 8 dB acima do nível de ruído. Quando comparadas com a Sigfox, as tecnologias concorrentes baseadas na modulação por espetro alargado são altamente afectadas pelo ruído porque a superfície que têm em common é muito maior.

5. Geolocalização baseada na rede

Com o serviço Sigfox Atlas pode localizar os seus bens (dispositivo Sigfox) independentemente dos seus componentes até à precisão de km e pode localizar o dispositivo mesmo que não tenha serviço GPS. Isto é muito favorável para localizar os seus bens móveis.

6. Elementos de segurança

O Sigfox integra as seguintes caraterísticas de segurança por defeito:

• Fornece autenticação, integridade e anti-repetição de mensagens transmitidas na rede
• Norma de encriptação avançada (AES) sem transmissão OTA de chaves
• Fornecer encriptação de carga útil como opção
• Partes da rede podem ser isoladas em secções em caso de emergência
• Assegura que o ID do dispositivo não é duplicado. No caso de um dispositivo corrompido, este será impedido de comunicar através de um mecanismo de lista negra
• Tem uma firewall incorporada

7. Ferramentas de cobertura de serviços

Existem diferentes caraterísticas fornecidas aos parceiros de canal para avaliar a cobertura do serviço, que são brevemente mencionadas abaixo:

• Uma ligação para o mapa de cobertura do serviço pode ser acedida através de http://www.sigfox.com/coverage
• Está a ser desenvolvida uma nova API de cobertura global que tem como objetivo fornecer a qualidade de cobertura de todos os operadores públicos Sigfox em todo o mundo

Quando considerar a Sigfox?

Agora que já analisámos os detalhes técnicos da Sigfox e as suas caraterísticas competitivas, como saberá quando considerar a Sigfox para a sua aplicação IoT? Aqui estão algumas dicas importantes para analisar:

• Quando o volume de dados enviados é baixo (variando de poucos bytes a kilobytes)
• Quando o raio de ação é da ordem dos quilómetros
• Quando o consumo de corrente necessário é baixo (da ordem dos miliamperes ou dezenas de miliamperes por transmissão)

Aplicações da Sigfox:

A Sigfox é uma candidata ideal para aplicações de longo alcance de baixa potência e baixo custo em áreas como:

• Gestão de frotas
• Aplicações de segurança
• Localização de activos para bens e até pessoas
• No sector dos transportes e da logística
• aplicações mHealth, em que é necessária monitorização e controlo remotos

Sigfox versus outras LPWANs

Tal como referido anteriormente, existem outras LPWAN que são concorrentes da tecnologia Sigfox. As LPWAN são criadas para permitir redes máquina-a-máquina (M2M) e Internet das Coisas (IoT) com baixo consumo de energia numa vasta área de rede. Introduzimos a diferença entre lora e sigfox Antes, vamos agora fazer uma breve comparação de várias tecnologias LPWAN com base nos seus critérios de desempenho com uma pontuação de 5.

Vejamos também uma comparação mais pormenorizada das tecnologias com base nas suas caraterísticas técnicas.

Conclusão

A Sigfox é uma candidata competitiva em aplicações LPWAN que está atualmente implantada em muitas aplicações industriais. A Sigfox já estabeleceu parcerias com fabricantes de módulos como a InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON e TD Next para realizar módulos de hardware que permitam a Sigfox. Em conclusão, podemos dizer que a Sigfox é a solução ideal para aplicações IoT de baixo consumo e de elevado alcance.