¿Qué es sigfox? Todo lo que necesita saber

Con el avance de las tecnologías de la información, la necesidad de permitir la comunicación inalámbrica se ha convertido en un factor importante para la realización de aplicaciones modernas. Las redes conectadas de máquinas y dispositivos que se comunican entre sí en Internet de las Cosas (IoT) e De máquina a máquina (M2M) requieren técnicas de comunicación inalámbrica, ya que estos dispositivos están muy repartidos por una amplia zona geográfica. Además, estos dispositivos funcionan con baterías, lo que significa que necesitan tecnologías de comunicación que consuman poca energía y sean capaces de comunicarse a grandes distancias. Como consecuencia de estos requisitos, cada vez compiten más tecnologías de comunicación como LoRaSigfox y NB-IoT etc. Este artículo tratará sobre qué es Sigfox y sus aplicaciones e importancia.  

¿Qué es Sigfox?

Sigfox es una banda estrecha LPWAN (Low Power Wide Area Network) desarrollado en 2009 en Francia. Este protocolo se utiliza ampliamente en IoT cuando el volumen de datos es bajo y el alcance operativo es grande (más de decenas de km). Sigfox utiliza bandas ISM sin licencia y es un protocolo propietario que significa su tecnología patentada. Sin embargo, el hardware de Sigfox es abierto, mientras que la red debe suscribirse.

En un principio, Sigfox era unidireccional, es decir, solo permitía facilitar la comunicación a través del enlace ascendente. Sin embargo, posteriormente se introdujo un enlace descendente, lo que le permitió ser más competitivo entre los protocolos de comunicación LPWAN. Ahora profundizaremos en algunos de los principios tecnológicos clave de Sigfox:

• Banda ultraestrecha (UNB)

Sigfox utiliza la modulación D-BPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) para la comunicación de enlace ascendente en la que el mensaje tiene un ancho de banda fijo de 600 Hz (para EE.UU.) que se envía con tasas de bits más bajas de 600bps (para EE.UU.). Esta técnica de modulación se conoce como modulación de banda ultra-estrecha (UNB), debido a esto, las estaciones base Sigfox pueden comunicarse a través de largas distancias sin verse afectadas por el ruido. El ancho de banda del canal es de 192 KHz (para EE.UU.) y tiene una frecuencia central que está por debajo de 1 GHz depende de la región. En EE.UU. la frecuencia central es de 915 MHz, mientras que en Europa es de 868 MHz y en Asia de 433 MHz. Para la señal de bajada, Sigfox utiliza la modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Una tasa de bits más baja permite utilizar componentes de bajo coste en el extremo del transceptor.

• Diversidad temporal, frecuencial y espacial

Otra interesante tecnología subyacente a Sigfox es el uso del acceso aleatorio. Esto garantiza una alta calidad de servicio (QoS). La red y el dispositivo no pueden transmitir los mensajes Sigfox de forma sincrónica, lo que significa que no hay necesidad de emparejar el dispositivo ni de asignar canales para la comunicación de enlace ascendente. Esto se consigue mediante la técnica conocida como diversidad de tiempo y frecuencia, en la que dos copias de la misma trama se envían a través de un tiempo y una frecuencia diferentes, lo que permite que más de una estación base Sigfox escuche un único mensaje. En el caso de la comunicación de enlace descendente, el dispositivo necesita incurrir en un retraso de 20s después de enviar el primer mensaje de enlace ascendente y la ventana de recepción de enlace descendente sólo está abierta durante 25s.

Además, como ya se ha dicho, a diferencia de los protocolos celulares, un dispositivo Sigfox no está conectado a una estación base dedicada. Esto permite la diversidad espacial, donde un mensaje emitido es recibido por al menos tres estaciones base cercanas. Este principio se conoce como recepción cooperativa. La diversidad espacial, junto con la diversidad de tiempo y frecuencia, son los factores clave para garantizar una alta calidad de servicio de la red Sigfox.

• Mensajes cortos

Sigfox ha diseñado un protocolo de comunicación de mensajes pequeños para resolver las limitaciones de coste y autonomía de los elementos remotos. El rango de tamaño de los mensajes de comunicación de enlace ascendente es de 0 a 12 bytes. Los datos del sensor, los datos de estado, los datos de la aplicación y las coordenadas GPS pueden transmitirse con una carga útil de 12 bytes. El tamaño del mensaje de enlace descendente es estático y de 8 bytes. Esto es suficiente para activar una acción, gestionar un dispositivo o configurar parámetros de la aplicación a distancia.

¿Cómo funciona Sigfox?

Sigfox tiene una arquitectura de dos capas, fina y plana, compuesta por la capa de equipos de red y el sistema de soporte Sigfox. La capa de equipos de red está formada por dispositivos finales y estaciones base. Esta capa es responsable de la transferencia de mensajes y datos desde estos dispositivos al Sistema de Soporte Sigfox. Para reducir el coste total de operación (TCO), las estaciones base Sigfox utilizan Radio Definida por Software (SDR) donde un algoritmo de software se encarga de la demodulación en lugar de hardware dedicado. La capa de equipos de red está conectada al Sistema de Soporte Sigfox a través de backhaul que utiliza Internet público a través de conectividad de Línea de Abonado Digital (DSL) con respaldo 4G/3G. La conectividad por satélite se utiliza como respaldo cuando no hay conectividad DSL o celular (4G/3G). Esta conexión está protegida por una conexión VPN.

El Sistema de Soporte Sigfox consiste en una red central que se encarga de procesar los mensajes y reenviarlos a los sistemas de los clientes a través de llamadas de retorno, lo que se conoce colectivamente como Sistema de Soporte de Operaciones (OSS). También proporciona la capacidad de interactuar con el sistema a través de interfaces web y API. Además, esta capa incluye funciones como la supervisión del sistema; por ejemplo, Business Support System (BSS) para pedidos y facturación, y la supervisión de operaciones. También es responsable de gestionar el procesamiento de mensajes, en el que sólo se almacena una réplica del mensaje, y de gestionar globalmente las estaciones base.

Características de Sigfox

Veamos ahora brevemente algunas características de rendimiento de Sigfox, que lo hacen competitivo entre otros protocolos de comunicación y un candidato ideal para su aplicación IoT.

1. Alta capacidad de red y alta calidad de servicio

Sigfox ofrece una gran capacidad de red y una alta calidad de servicio, y es capaz de conectar miles de millones de objetos. Esto es posible gracias a los principios tecnológicos descritos anteriormente, en los que UNB mitiga las interferencias debidas al ruido, el tiempo y la diversidad de frecuencias, proporcionando acceso aleatorio y recepción cooperativa, lo que aumenta la coherencia del enlace de radio y la calidad de servicio.

2. Largo alcance

La principal ventaja competitiva de la tecnología Sigfox frente a otras tecnologías de comunicación es la cobertura de una gran distancia con un número mínimo de estaciones base. Esto reduce en gran medida el OPEX y CAPEX de la implementación de una red Sigfox. Esto es posible gracias a las siguientes características:

• El alcance del enlace de radiofrecuencia (RF) viene determinado por la velocidad binaria para una salida determinada. Cuando la velocidad de transmisión de datos es menor, el alcance es mayor.
• Otro factor es el presupuesto de enlace, en el que la suma de la sensibilidad de la estación base y la potencia de salida del objeto son la principal preocupación. Disminuir el presupuesto de enlace facilitará un mayor alcance con baja potencia.
• Sin embargo, el alcance también depende de la topografía y tendría buena cobertura en interiores gracias al uso de la banda sub-GHz.

3. Alta eficiencia energética

La razón de la alta eficiencia energética de la tecnología Sigfox es la eficiencia de los chips semiconductores habilitados por los socios semiconductores de Sigfox, como NXP, Texas Instruments, etc. Estos semiconductores funcionarían en torno a 10 mA - 50 mA de corriente en transmisión. Hay dos factores más que explican la larga duración de la batería con Sigfox:

• Para establecer una conexión, no es necesario el emparejamiento, ya que no es necesaria la sincronización antes de transmitir los datos del dispositivo a la estación base.
• Además, en estado de reposo, el consumo de corriente es del orden de nanoamperios, lo que lo hace casi despreciable.

4. Resistencia a las interferencias

Con el uso de UNB unido a una diversidad espacial de las estaciones base de +20dB, Sigfox es capaz de unas capacidades anti-jamming únicas. Esto convierte a Sigfox en un candidato ideal para operar en la banda pública Industrial, Científica y Médica (ISM), un espectro ensanchado que se ve afectado por la UNB. La modulación UNB tiene cierta robustez intrínseca porque el solapamiento con el ruido es muy bajo. Para recibir un mensaje, la señal debe estar al menos 8 dB por encima del ruido de fondo. En comparación con Sigfox, las tecnologías competidoras basadas en la modulación de espectro ensanchado se ven muy afectadas por el ruido porque la superficie que tienen en común es mucho mayor.

5. Geolocalización basada en la red

Con el servicio Sigfox Atlas puede localizar sus activos (dispositivo Sigfox) independientemente de sus componentes con una precisión de hasta km y puede localizar el dispositivo incluso si no tienen servicio GPS. Esto es muy favorable para el seguimiento de sus activos móviles.

6. 6. Elementos de seguridad

Sigfox integra por defecto las siguientes características de seguridad:

• Proporciona autenticación, integridad y antirrepetición de los mensajes transmitidos por la red.
• Estándar de cifrado avanzado (AES) sin clave Transmisión OTA
• Opción de cifrado de la carga útil
• Partes de la red pueden aislarse en secciones en caso de emergencia
• Garantiza que el ID del dispositivo no esté duplicado. En el caso de un dispositivo dañado, se le impedirá la comunicación mediante un mecanismo de lista negra.
• Tiene un cortafuegos incorporado

7. Herramientas de cobertura del servicio

Los socios del canal disponen de diferentes características para evaluar la cobertura del servicio, que se mencionan brevemente a continuación:

• Se puede acceder a un enlace al mapa de cobertura de servicios a través de http://www.sigfox.com/coverage
• Se está desarrollando una nueva API de cobertura global cuyo objetivo es proporcionar la calidad de cobertura de todos los operadores públicos de Sigfox en todo el mundo

¿Cuándo considerar Sigfox?

Ahora que hemos entrado en los detalles técnicos de Sigfox y sus características competitivas, ¿cómo sabrá cuándo considerar Sigfox para su aplicación IoT? Aquí tiene algunos consejos importantes que debe tener en cuenta:

• Cuando el volumen de datos enviados es bajo (desde unos pocos bytes hasta kilobytes)
• Cuando el radio de acción es del orden de kilómetros
• Cuando el consumo de corriente requerido es bajo (del orden de miliamperios o decenas de miliamperios por transmisión).

Aplicaciones de Sigfox:

Sigfox es un candidato ideal para aplicaciones de largo alcance de bajo consumo y bajo coste en ámbitos como:

• Gestión de flotas
• Aplicaciones de seguridad
• Seguimiento de bienes e incluso personas
• En el sector del transporte y la logística
• aplicaciones mHealth, donde se requiere seguimiento y control a distancia

Sigfox frente a otras LPWAN

Como ya se ha mencionado, existen otras LPWAN que compiten con la tecnología Sigfox. Las LPWAN se crean para permitir redes de máquina a máquina (M2M) y del Internet de las Cosas (IoT) de bajo consumo en una amplia zona de la red. Hemos presentado la diferencia entre lora y sigfox Antes, hagamos ahora una breve comparación de varias tecnologías LPWAN basada en sus criterios de rendimiento con una puntuación sobre 5.

Veamos también una comparación más detallada de las tecnologías en función de sus características técnicas.

Conclusión

Sigfox es un candidato competitivo en aplicaciones LPWAN que actualmente se despliega en muchas aplicaciones industriales. Sigfox ya ha establecido asociaciones con fabricantes de módulos como InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON y TD Next para realizar módulos de hardware que permitan Sigfox. En conclusión, podemos decir que esté atento a Sigfox cuando necesite aplicaciones IoT de bajo consumo y alto alcance.