Cos'è un gateway Sigfox e come si sceglie?

Reti geografiche a bassa potenza (LPWAN) sono diventati popolari negli ultimi anni grazie alla loro copertura estesa e al basso consumo energetico. Ciò ha portato allo sviluppo di interessanti applicazioni come le smart city, l'agricoltura intelligente e il monitoraggio e la localizzazione degli asset. Sigfox è una tecnologia LPWAN molto diffusa in tutto il mondo. Nell'architettura Sigfox, Gateway Sigfox o stazioni di base svolgono un ruolo fondamentale. Esse fungono da intermediari nell'architettura di rete, per inoltrare i messaggi acquisiti dai dispositivi finali. In questo articolo verrà fornita una panoramica di Sigfox e un'introduzione su cosa sia un gateway Sigfox. Si parlerà anche di quando usare un gateway Sigfox e fornire indicazioni su come scegliere un buon gateway Sigfox per un determinato progetto o applicazione.

Che cos'è Sigfox?

Sigfox è una tecnologia LPWAN molto diffusa, progettata per l'IoT e il Machine to Machine (M2M). Eredita le caratteristiche principali delle tecnologie LPWAN, tra cui il basso consumo energetico e la copertura a lungo raggio. Sigfox è stato introdotto sul mercato per la prima volta nel 2009, ma ha guadagnato popolarità di recente grazie alle numerose applicazioni IoT di massa in diversi settori. Inoltre, alcune interessanti caratteristiche di Sigfox lo rendono la tecnologia ideale per applicazioni quali contatori intelligenti, orologi intelligenti, ecc. Analizziamo brevemente alcune di queste caratteristiche.

L'elevata capacità di rete di Sigfox presenta un vantaggio rispetto ad altre tecnologie LPWAN. Questa caratteristica è resa possibile grazie all'utilizzo di Banda ultra stretta modulazione. Questo schema di modulazione facilita anche la resistenza alle interferenze. Grazie a questa caratteristica, Sigfox può supportare molti dispositivi alla volta, con una diversità di frequenza e di tempo abilitata. Un'altra caratteristica interessante di Sigfox è l'uso di basso consumo energetico semiconduttori che consentono livelli di corrente compresi tra 10 mA e 50 mA. Inoltre, dato che i dispositivi possono essere collegati alla rete senza accoppiamento iniziale, la durata della batteria dei dispositivi è ulteriormente migliorata.

Sigfox mira a coprire un lungo raggio con un numero minimo di stazioni base. Tuttavia, quando si raggiunge un funzionamento a lungo raggio, la velocità dei dati è compromessa. Un altro fattore che contribuisce al funzionamento a lungo raggio è la minore sensibilità delle stazioni base Sigfox ai dispositivi a bassa uscita. Sigfox è in grado di coprire distanze medie di 30 km - 50 km. Una delle caratteristiche più interessanti di Sigfox è la sua capacità anti-jamming.

Ora che abbiamo una conoscenza di base di Sigfox e delle sue caratteristiche, ci concentreremo sui gateway Sigfox o stazioni base, che svolgono un ruolo fondamentale nell'architettura della rete Sigfox.

Che cos'è un gateway Sigfox?

Il gateway Sigfox o la stazione base Sigfox sono responsabili dell'acquisizione dei dati dei sensori e dei dispositivi finali e del loro inoltro al server applicativo. I gateway Sigfox hanno una connessione Sigfox con i dispositivi finali e i sensori, mentre idealmente mantengono un collegamento IP con il server applicativo. In questo caso il server applicativo sarebbe idealmente un cloud, quindi il collegamento IP verrebbe stabilito tramite communicazione cellulare o Wi-Fi. Tuttavia, può essere presente una connessione Ethernet, nel caso in cui il server applicativo sia un server fisico o un computer.

Una stazione base Sigfox è composta da tre elementi principali.

• Un'antenna: È responsabile della ricezione dei messaggi via etere dai dispositivi finali. Di solito sono installati in punti elevati o su torri per aumentare la sensibilità.
• Un amplificatore a basso rumore (LNA): Serve ad amplificare il segnale ricevuto. L'amplificazione è necessaria in quanto il segnale ricevuto può presentare un notevole rumore.
• Un punto di accesso: È responsabile della ricezione dei messaggi Sigfox e del loro invio al server cloud. Questo punto di accesso deve essere in grado di comprendere i messaggi Sigfox.

Oltre a questa classificazione generica dei componenti del gateway Sigfox, il gateway Sigfox è costituito da tre componenti hardware principali in base alla loro funzione. Questi includono un modulo radio, il processore principale e il modulo di connettività. Il modulo radio è il modulo Sigfox in grado di comprendere i messaggi Sigfox nel livello fisico. Il processore, invece, è responsabile della gestione di tutta l'elaborazione e dell'esecuzione del sistema operativo e del firmware necessario per l'instradamento dei messaggi. Infine, il modulo di connettività è responsabile della connessione del gateway alla rete attraverso un collegamento IP. Questa è l'inferenza hardware del punto di accesso.

I gateway Sigfox si dividono in due gruppi a seconda del luogo di installazione. Esistono gateway per interni e gateway per esterni. Di solito, i gateway da esterno tendono a consumare più energia rispetto a quelli da interno. Tuttavia, entrambi i tipi possono gestire molti dispositivi alla volta.

I gateway Sigfox sono progettati per realizzare una copertura a lungo raggio con il numero minimo di gateway distribuiti in un sistema. Uno dei principi fondamentali è la diversità spaziale. La diversità spaziale si ottiene con la ricezione cooperativa, in cui un dispositivo finale non è collegato a un singolo gateway. In media, un dispositivo può essere collegato a 3 gateway in un dato momento.

La sicurezza è un fattore critico nelle moderne applicazioni IoT. Sigfox è considerata una delle tecnologie LPWAN più sicure. I gateway Sigfox svolgono un ruolo fondamentale nel garantire la sicurezza del sistema, oltre a inoltrare i messaggi del dispositivo al server applicativo. I gateway Sigfox sono anche responsabili della convalida CRC dei messaggi prima di inoltrarli per validarne l'integrità. Inoltre, Sigfox ha integrato il Trusted Platform Module (TPM) nei gateway per proteggere tutte le chiavi insieme a una connessione VPN tra il gateway e il server applicativo.

Quando utilizzare un gateway Sigfox?

Dopo aver visto alcune caratteristiche chiave dei gateway Sigfox, vediamo quando abbiamo bisogno di un gateway Sigfox. Potremmo aver bisogno di un gateway Sigfox nel nostro progetto quando:

• Copertura estesa: Questo è uno dei motivi principali per utilizzare un gateway Sigfox. Se si dispone di più gateway Sigfox nella rete, è possibile aumentare facilmente la portata delle operazioni.
• Affidabilità e integrità della rete: Nella sezione precedente abbiamo visto come un gateway Sigfox sia dotato di un TPM. Questo migliora l'integrità dei messaggi che passano attraverso il gateway. Inoltre, grazie alla diversità spaziale ottenuta attraverso la ricezione in cooperazione, se un gateway si guasta, la rete non avrà problemi di connessione. Aumentando così l'affidabilità della rete.
• Sicurezza: I gateway Sigfox possono fungere da ulteriore livello di sicurezza nell'architettura di rete. La connessione VPN stabilita tra il gateway e il server applicativo può ridurre al minimo gli attacchi di intercettazione sulla rete.
• Gestione dei dispositivi: Un gateway può aiutare gli utenti a gestire i dispositivi configurando il firmware del gateway di conseguenza. Ciò può includere la fornitura paritaria di risorse, l'aggiunta di funzioni di sicurezza e il monitoraggio dei dispositivi finali. Le funzioni di gestione dei dispositivi dipendono dal produttore del gateway.

Come scegliere un buon gateway per il vostro progetto?

La scelta del gateway Sigfox corretto dipende dai requisiti della soluzione IoT e M2M. Tuttavia, è sempre possibile seguire un insieme generale di regole e caratteristiche da ricercare. Eccone alcune come riferimento,

• Copertura di rete: Questo è un fattore cruciale se il progetto è distribuito su una vasta area. Di solito, i gateway con potenze elevate possono ottenere una buona copertura di rete.
• Capacità del dispositivo: Anche se in molti casi non si tratta di una limitazione importante, alcuni gateway per interni possono avere una limitazione del dispositivo. Inoltre, è necessario decidere se utilizzare sia il downlink che l'uplink per l'applicazione.
• Sicurezza: Diversi fornitori possono fornire ulteriori funzioni di sicurezza oltre a quelle ereditate da Sigfox. È consigliabile cercare gateway dotati di funzioni di crittografia e di avvio sicuro.
• Connettività al server delle applicazioni: A seconda dell'ubicazione dell'installazione e della natura dell'applicazione, è necessario determinare il tipo di connettività con il server dell'applicazione. Quando la connessione deve essere stabilita in modalità wireless, si preferisce la communicazione cellulare e il Wi-Fi.
• Costo: Si tratta di un parametro importante nella scelta di un gateway. Scegliere il gateway più adatto al proprio budget è una sfida.

Conclusione

In questo articolo abbiamo parlato di cosa sia il gateway Sigfox. Poi abbiamo discusso brevemente alcune caratteristiche del gateway Sigfox e i suoi componenti di base. Infine, abbiamo analizzato alcuni dei fattori da considerare quando si sceglie un gateway Sigfox per il proprio progetto. Anche se questi fattori sono alcuni consigli generali per la scelta, vale la pena considerarli.