Wat is een Sigfox gateway en hoe kies je deze?

Breedbandnetwerken met laag vermogen (LPWAN's) zijn de afgelopen jaren populair geworden vanwege hun uitgebreide dekking en lage energieverbruik. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van interessante toepassingen zoals slimme steden, slimme landbouw en het volgen en bewaken van activa. Sigfox is een populaire LPWAN-technologie die wereldwijd op grote schaal wordt toegepast. In de Sigfox-architectuur, Sigfox gateways of basisstations spelen een sleutelrol. Deze fungeren als tussenpersoon in de netwerkarchitectuur om berichten van de eindapparaten door te sturen. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van Sigfox en wordt uitgelegd wat een Sigfox-gateway is. Ook wordt het volgende besproken wanneer te gebruiken een Sigfox-gateway en biedt richtlijnen voor hoe kiezen een goede Sigfox-gateway voor een bepaald ontwerp of een bepaalde toepassing.

Wat is Sigfox?

Sigfox is een populaire LPWAN-technologie die is ontworpen voor IoT en Machine to Machine (M2M). Het erft de belangrijkste kenmerken van LPWAN-technologieën, waaronder een laag energieverbruik en een groot bereik. Sigfox werd voor het eerst op de markt gebracht in 2009, maar heeft de laatste tijd aan populariteit gewonnen door de vele massale IoT-toepassingen in verschillende industrieën. Bovendien maken enkele interessante eigenschappen van Sigfox het de ideale technologie voor toepassingen zoals slimme meters, slimme horloges, enz. Laten we enkele van deze kenmerken kort onderzoeken.

De hoge netwerkcapaciteit van Sigfox heeft een voordeel in vergelijking met andere LPWAN-technologieën. Deze functie is mogelijk dankzij het gebruik van Ultra smalle band modulatie. Dit modulatieschema is ook beter bestand tegen interferentie. Dankzij deze eigenschap kan Sigfox veel apparaten tegelijk ondersteunen, met ingeschakelde frequentie- en tijdsdiversiteit. Een andere interessante eigenschap van Sigfox is het gebruik van laag energieverbruik halfgeleiders die stroomniveaus tussen 10 mA - 50 mA mogelijk maken. Omdat de apparaten bovendien op het netwerk kunnen worden aangesloten zonder ze eerst te koppelen, gaat de batterij van de apparaten nog langer mee.

Sigfox streeft naar een groot bereik met een minimaal aantal basisstations. Bij het bereiken van een groot bereik komt de gegevenssnelheid echter in het gedrang. Een andere factor die bijdraagt aan het werken op grote afstand is de lagere gevoeligheid van de Sigfox-basisstations voor apparaten met een lage output. Sigfox kan afstanden overbruggen van gemiddeld 30 km - 50 km. Een van de interessantste functies van Sigfox is de anti-jamming-mogelijkheid.

Nu we een basiskennis hebben van Sigfox en de functies ervan, gaan we ons richten op Sigfox-gateways of basisstations, die een cruciale rol spelen in de architectuur van het Sigfox-netwerk.

Wat is een Sigfox-gateway?

De Sigfox-gateway of het Sigfox-basisstation is verantwoordelijk voor het verwerven van sensor- en eindapparaatgegevens en het doorsturen ervan naar de applicatieserver. De Sigfox-gateways hebben een Sigfox-verbinding met de eindapparaten en de sensoren, terwijl ze idealiter een IP-verbinding met de applicatieserver onderhouden. In het ideale geval is de applicatieserver een cloud, zodat de IP-verbinding tot stand wordt gebracht via cellulaire commcommunicatie of Wi-Fi. Er kan echter ook een Ethernetverbinding zijn als de applicatieserver een fysieke server of computer is.

Een Sigfox-basisstation bestaat uit drie belangrijke elementen.

• Een antenne: Deze is verantwoordelijk voor het ontvangen van berichten via de lucht van de eindapparaten. Deze worden meestal op hoge punten of op torens geplaatst om de gevoeligheid te verhogen.
• Een versterker met lage ruis (LNA): Dit wordt gebruikt om het ontvangen signaal te versterken. Versterking is nodig omdat er veel ruis in het ontvangen signaal kan zitten.
• Een toegangspunt: Dit is verantwoordelijk voor het ontvangen van Sigfox-berichten en het verzenden ervan naar de cloudserver. Dit toegangspunt moet Sigfox-berichten kunnen begrijpen.

Naast deze generieke indeling van Sigfox gateway-componenten, bestaat de Sigfox gateway uit drie belangrijke hardwarecomponenten op basis van hun functie. Dit zijn een radiomodule, de hoofdprocessor en de connectiviteitsmodule. De radiomodule is de Sigfox-module die Sigfox-berichten in de fysieke laag kan begrijpen. De processor aan de andere kant is verantwoordelijk voor het afhandelen van alle verwerking en het draaien van het besturingssysteem en de relevante firmware die nodig is voor het routeren van berichten. Tot slot is de connectiviteitsmodule verantwoordelijk voor het verbinden van de gateway met het netwerk via een IP-verbinding. Dit is de hardware-inferentie van het toegangspunt.

Sigfox-gateways zijn grofweg onderverdeeld in twee groepen, afhankelijk van de plaats waar ze worden ingezet. Er zijn indoor en outdoor gateways. Outdoor gateways gebruiken meestal meer stroom in vergelijking met indoor gateways. Beide types kunnen echter veel apparaten tegelijk verwerken.

Sigfox-gateways zijn ontworpen om een lange-afstandsdekking te realiseren met een minimaal aantal gateways in een systeem. Een van de belangrijkste principes hierachter is ruimtelijke diversiteit. Ruimtelijke diversiteit wordt bereikt door coöperatieve ontvangst, waarbij een eindapparaat niet aan één gateway is gekoppeld. Gemiddeld kan een apparaat op een bepaald moment met 3 gateways verbonden zijn.

Beveiliging is een kritieke factor in moderne IoT-toepassingen. Sigfox wordt beschouwd als een van de veiligste LPWAN-technologieën. Sigfox-gateways spelen een sleutelrol bij het waarborgen van de veiligheid van het systeem, afgezien van het doorsturen van apparaatberichten naar de applicatieserver. Sigfox-gateways zijn ook verantwoordelijk voor het uitvoeren van CRC-validatie van de berichten voordat ze worden doorgestuurd om de integriteit ervan te valideren. Bovendien heeft Sigfox Trusted Platform Module (TPM) in de gateways geïntegreerd om alle sleutels te beveiligen naast een VPN-verbinding tussen de gateway en de applicatieserver.

Wanneer gebruik je een Sigfox-gateway?

Nu we enkele belangrijke kenmerken van Sigfox-gateways hebben gezien, kunnen we bekijken wanneer we een Sigfox-gateway nodig hebben. We kunnen een Sigfox-gateway nodig hebben in ons ontwerp wanneer:

• Uitgebreide dekking: Dit is een van de belangrijkste redenen om een Sigfox Gateway te gebruiken. Door meer dan Sigfox Gateway in je netwerk te hebben, kun je het bereik eenvoudig vergroten.
• Netwerkbetrouwbaarheid en -integriteit: In het vorige hoofdstuk hebben we gezien hoe een Sigfox Gateway is uitgerust met een TPM. Dit verbetert de integriteit van de berichten die door de gateway worden doorgegeven. Dankzij de ruimtelijke diversiteit die wordt bereikt door samenwerkingsontvangst, heeft het netwerk geen verbindingsproblemen als één gateway uitvalt. Dit verhoogt de betrouwbaarheid van het netwerk.
• Beveiliging: Sigfox-gateways kunnen fungeren als een extra beveiligingslaag in de netwerkarchitectuur. De VPN-verbinding tussen de gateway en de applicatieserver kan afluisteraanvallen op het netwerk minimaliseren.
• Apparaatbeheer: Een gateway kan de gebruikers helpen met apparaatbeheer door de firmware van de gateway dienovereenkomstig te configureren. Dit kan het gelijkelijk beschikbaar stellen van bronnen, toegevoegde beveiligingsfuncties en het monitoren van eindapparaten omvatten. De mogelijkheden voor apparaatbeheer hangen af van de fabrikant van de gateway.

Hoe kies je een goede gateway voor je ontwerp?

Het kiezen van de juiste Sigfox Gateway hangt af van de vereisten voor IoT- en M2M-oplossingen. We kunnen echter altijd een algemene set regels en functies volgen om naar te zoeken. Hier zijn er enkele ter referentie,

• Netwerkdekking: Dit is een cruciale factor als je ontwerp verspreid is over een groot gebied. Meestal kunnen gateways met een hoog vermogen een goede netwerkdekking bereiken.
• Capaciteit apparaat: Hoewel dit in veel gevallen geen grote beperking is, kunnen sommige indoor gateways een apparaatbeperking hebben. Je moet ook beslissen of je zowel de downlink als de uplink wilt gebruiken voor de toepassing.
• Beveiliging: Verschillende leveranciers kunnen extra beveiligingsfuncties bieden die niet van Sigfox zijn overgeërfd. Het is raadzaam om op zoek te gaan naar gateways met encryptie en beveiligde opstartfuncties.
• Connectiviteit met de applicatieserver: Afhankelijk van de locatie van de implementatie en de aard van de applicatie, moeten we bepalen welk type verbinding er moet zijn met de applicatieserver. Mobiele communicatie en Wi-Fi hebben de voorkeur als de verbinding draadloos tot stand moet worden gebracht.
• Kosten: Dit is een belangrijke maatstaf bij het kiezen van een gateway. De juiste gateway kiezen die bij je budget past, is een hele uitdaging.

Conclusie

In dit artikel hebben we besproken wat een Sigfox-gateway is. Daarna hebben we kort enkele functies van de Sigfox-gateway en de basiscomponenten besproken. Tot slot hebben we een aantal factoren besproken waarmee we rekening moeten houden bij het kiezen van een Sigfox-gateway voor je ontwerp. Hoewel deze factoren enkele algemene tips zijn voor het kiezen, zijn ze de moeite waard om in overweging te nemen.