Wat is sigfox? Alles wat je moet weten

Met de vooruitgang van de informatietechnologie is de vereiste om draadloze communicatie mogelijk te maken een belangrijke factor geworden bij het realiseren van moderne toepassingen. Aangesloten netwerken van machines en apparaten die met elkaar communiceren in Internet of Things (IoT) en Machine-to-machine (M2M) toepassingen vereisen draadloze communicatietechnieken omdat deze apparaten wijd verspreid zijn over een groot geografisch gebied. Bovendien werken deze apparaten op batterijen, wat betekent dat ze communicatietechnologieën nodig hebben die weinig stroom verbruiken en ook in staat zijn om over grote afstanden te communiceren. Als gevolg van deze vereisten zien we steeds meer commcommunicatietechnologieën concurreren, zoals LoRaSigfox en NB-IoT enz. In dit artikel wordt besproken wat Sigfox is en wat de toepassingen en betekenis ervan zijn.  

Wat is Sigfox?

Sigfox is een smalband LPWAN (Low Power Wide Area Network) protocol dat in 2009 in Frankrijk werd ontwikkeld. Dit protocol wordt veel gebruikt in het IoT wanneer het datavolume laag is en het werkbereik groot (meer dan tientallen km). Sigfox gebruikt ISM-banden zonder licentie en is een propriëtair protocol dat zijn gepatenteerde technologie betekent. De Sigfox-hardware is echter open, terwijl het netwerk moet worden geabonneerd.

Oorspronkelijk was Sigfox unidirectioneel, wat betekende dat alleen het faciliteren van commcommunicatie via de uplink werd ondersteund. Later werd echter een downlink geïntroduceerd, waardoor het concurrerender werd onder de LPWAN communicatieprotocollen. Nu gaan we dieper in op enkele van de belangrijkste technologische principes achter Sigfox:

• Ultra smalle band (UNB)

Sigfox gebruikt D-BPSK-modulatie (Differential Binary Phase-Shift Keying) voor uplink commcommunicatie waarbij het bericht een vaste bandbreedte heeft van 600 Hz (voor de VS) die wordt verzonden met lagere bitsnelheden van 600 bps (voor de VS). Deze modulatietechniek staat bekend als Ultra-Narrow Band (UNB)-modulatie, waardoor Sigfox-basisstations over lange afstanden kunnen communiceren zonder last te hebben van ruis. De kanaalbandbreedte is 192 KHz (voor de VS) en heeft een centrale frequentie die lager is dan 1 GHz afhankelijk van de regio. De VS heeft een centrale frequentie van 915 MHz terwijl dit in Europa 868 MHz is en in Azië 433 MHz. Voor het downlink signaal gebruikt Sigfox GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modulatie. Een lagere bitsnelheid maakt het gebruik van goedkope componenten aan de transceiverkant mogelijk.

• Tijd, frequentie en ruimtelijke diversiteit

Een andere interessante onderliggende technologie achter Sigfox is het gebruik van willekeurige toegang. Dit zorgt voor een hoge Quality of Service (QoS). Het netwerk en het apparaat kunnen de Sigfox-berichten niet synchroon verzenden, wat betekent dat het apparaat niet gekoppeld hoeft te worden en dat er geen kanaaltoewijzing nodig is voor uplink commcommunicatie. Dit wordt bereikt door de techniek die bekend staat als tijd- en frequentiediversiteit, waarbij twee kopieën van hetzelfde frame via een verschillende tijd en frequentie worden verzonden, waardoor meer dan één Sigfox-basisstation naar één bericht kan luisteren. In het geval van downlink communicatie moet het apparaat een vertraging van 20s oplopen na het verzenden van het eerste uplink bericht en het downlink ontvangstvenster is slechts 25s geopend.

Bovendien is een Sigfox-apparaat, zoals gezegd, in tegenstelling tot cellulaire protocollen niet verbonden met een speciaal basisstation. Dit maakt ruimtelijke diversiteit mogelijk, waarbij een uitgezonden bericht door ten minste drie nabijgelegen basisstations wordt ontvangen. Dit principe staat bekend als coöperatieve ontvangst. Ruimtelijke diversiteit in combinatie met tijd- en frequentiediversiteit zijn de belangrijkste factoren om een hoge QoS van het Sigfox-netwerk te garanderen.

• Korte berichten

Sigfox heeft een communication-protocol met kleine berichten ontworpen om de kosten- en autonomiebeperkingen van remote items op te lossen. Het bereik van uplink communication berichtgrootte is 0 tot 12 bytes. Sensorgegevens, statusgegevens, toepassingsgegevens en GPS-coördinaten kunnen allemaal worden verzonden met een payload van 12 bytes. De grootte van het downlinkbericht is statisch en 8 bytes lang. Dit is voldoende voor het activeren van een actie, het beheren van een apparaat of het op afstand instellen van applicatieparameters.

Hoe werkt Sigfox?

Sigfox heeft een dunne en platte tweelagenarchitectuur die bestaat uit een netwerkapparatuurlaag en een Sigfox-ondersteuningssysteem. De netwerkapparatuurlaag bestaat uit eindapparaten en basisstations. Deze laag is verantwoordelijk voor de overdracht van berichten en gegevens van deze apparaten naar het Sigfox Support System. Om de totale bedrijfskosten (TCO) te verlagen, gebruiken de basisstations van Sigfox Software Defined Radio (SDR), waarbij een softwarealgoritme de demodulatie afhandelt in plaats van specifieke hardware. De netwerkapparatuurlaag is verbonden met het Sigfox-ondersteuningssysteem via backhaul dat gebruikmaakt van openbaar internet via DSL-connectiviteit (Digital Subscriber Line) met 4G/3G-back-up. Satellietconnectiviteit wordt gebruikt als back-up wanneer er geen DSL-connectiviteit of cellulaire (4G/3G) connectiviteit aanwezig is. Deze verbinding wordt beveiligd door een VPN-verbinding.

Het Sigfox-ondersteuningssysteem bestaat uit een kernnetwerk dat verantwoordelijk is voor het verwerken van de berichten en het doorsturen ervan naar klantsystemen via callbacks die gezamenlijk bekend staan als Operation Support System (OSS). Het biedt ook de mogelijkheid om via webinterfaces en API's met het systeem te communiceren. Bovendien bevat deze laag functies zoals het bewaken van het systeem, bijvoorbeeld het Business Support System (BSS) voor bestellen en factureren, en het houden van toezicht op de activiteiten. Het is ook verantwoordelijk voor het verwerken van berichten, waarbij slechts één replica van het bericht wordt opgeslagen en beheert ook de basisstations wereldwijd.

Kenmerken van Sigfox

Laten we nu kort kijken naar enkele prestatiekenmerken van Sigfox, waardoor het kan concurreren met andere communicatieprotocollen en een ideale kandidaat is voor uw IoT-toepassing.

1. Hoge netwerkcapaciteit en hoge QoS

Sigfox biedt een hoge netwerkcapaciteit en hoge QoS en kan miljarden objecten verbinden. Dit wordt mogelijk gemaakt door eerder besproken technologische principes waarbij UNB de interferentie als gevolg van ruis, tijd- en frequentiediversiteit vermindert door willekeurige toegang en coöperatieve ontvangst te bieden, wat de consistentie van de radioverbinding en QoS verhoogt.

2. Lange afstand

Het belangrijkste concurrentievoordeel van de Sigfox-technologie ten opzichte van andere communicatietechnologieën is de dekking van een grote afstand met een minimaal aantal basisstations. Dit verlaagt de OPEX en CAPEX van de implementatie van een Sigfox-netwerk aanzienlijk. Dit wordt mogelijk gemaakt door de volgende eigenschappen:

• Het bereik van de radiofrequentie (RF) link wordt bepaald door de bitsnelheid voor een bepaalde uitgang. Als de gegevenssnelheid lager is, is het bereik groter.
• Een andere factor is het linkbudget, waarbij de som van de gevoeligheid van het basisstation en het uitgangsvermogen van het object de grootste zorg zijn. Door het linkbudget te verlagen wordt een groter bereik met een laag vermogen mogelijk.
• Het bereik is echter ook afhankelijk van de topografie en zou een goede dekking binnenshuis hebben door het gebruik van de sub-GHz band.

3. Hoge energie-efficiëntie

De reden achter de hoge energie-efficiëntie in de Sigfox-technologie is de efficiëntie van halfgeleiderchips die mogelijk worden gemaakt door Sigfox-halfgeleiderpartners zoals NXP, Texas Instruments, enz. Deze halfgeleiders werken met een stroomsterkte van ongeveer 10 mA - 50 mA tijdens de overdracht. Er zijn nog twee factoren die de lange batterijlevensduur met Sigfox verklaren:

• Om een verbinding tot stand te brengen is koppelen niet nodig, omdat er geen synchronisatie nodig is voordat gegevens van het apparaat naar het basisstation worden verzonden.
• Bovendien ligt het stroomverbruik in de ruststand in het bereik van nanoamperes, waardoor het bijna verwaarloosbaar is.

4. Weerstand tegen storingen

Door het gebruik van UNB in combinatie met een ruimtelijke diversiteit van de basisstations van +20dB is Sigfox in staat om unieke anti-jamming-capaciteiten te bieden. Hierdoor is Sigfox een ideale kandidaat om te opereren in de openbare Industrial, Scientific, and Medical (ISM) band, een spread spectrum dat wordt beïnvloed door de UNB. De UNB-modulatie heeft een zekere intrinsieke robuustheid omdat de overlap met de ruis erg laag is. Om een bericht te ontvangen, moet het signaal ten minste 8 dB boven de ruisvloer liggen. In vergelijking met Sigfox hebben concurrerende technologieën op basis van spreadspectrummodulatie veel last van ruis omdat het oppervlak dat ze in common hebben veel groter is.

5. Netwerkgebaseerde geolocatie

Met de Sigfox Atlas-dienst kunt u uw bedrijfsmiddelen (Sigfox-apparaten) ongeacht de componenten tot op een kilometer nauwkeurig lokaliseren en kunt u het apparaat zelfs lokaliseren als het geen GPS-dienst heeft. Dit is zeer gunstig voor het traceren van uw mobiele activa.

6. Beveiligingsfuncties

Sigfox integreert standaard de volgende beveiligingsfuncties:

• Biedt authenticatie, integriteit en bescherming tegen herhaling van berichten die op het netwerk worden verzonden
• Advanced Encryption Standard (AES) zonder sleutel OTA-overdracht
• payload encryptie als optie aanbieden
• Delen van het netwerk kunnen worden geïsoleerd in secties in geval van nood
• Zorgt ervoor dat de apparaat-ID niet wordt gedupliceerd. In het geval van een beschadigd apparaat wordt voorkomen dat het via een zwarte lijst commcommunicatie tot stand brengt.
• Heeft een ingebouwde firewall

7. Service Dekkingstools

Er zijn verschillende functies voor kanaalpartners om de servicedekking te evalueren, die hieronder kort worden genoemd:

• Een link naar de servicedekkingskaart is te vinden via http://www.sigfox.com/coverage
• Er wordt een nieuwe wereldwijde dekkings-API ontwikkeld die de dekkingskwaliteit van alle openbare Sigfox-operators wereldwijd moet weergeven.

Wanneer Sigfox overwegen?

Nu we zijn ingegaan op de technische details van Sigfox en de concurrerende kenmerken ervan, hoe weet u wanneer u Sigfox moet overwegen voor uw IoT-toepassing? Hier zijn enkele belangrijke tips om naar te kijken:

• Wanneer het volume van de verzonden gegevens laag is (variërend van enkele bytes tot kilobytes)
• Als het werkbereik in de orde van grootte van kilometers ligt
• Wanneer het vereiste stroomverbruik laag is (in de orde van milliampère of tientallen milliampère per transmissie)

Toepassingen van Sigfox:

Sigfox is een ideale kandidaat voor energiezuinige en goedkope langeafstandstoepassingen op gebieden zoals:

• Vlootbeheer
• Beveiligingstoepassingen
• Activa volgen voor goederen en zelfs mensen
• In de transport- en logistieke sector
• mHealth-toepassingen, waarbij monitoring en controle op afstand vereist zijn

Sigfox vs andere LPWAN's

Zoals eerder vermeld, bestaan er andere LPWAN's die concurrenten zijn van de Sigfox-technologie. LPWANs zijn ontwikkeld om machine-to-machine (M2M) en Internet of Things (IoT) netwerken met een laag stroomverbruik over een groot netwerkgebied mogelijk te maken. We hebben de verschil tussen lora en sigfox Laten we nu eerst een korte vergelijking maken van verschillende LPWAN-technologieën op basis van hun prestatiecriteria met een score van 5.

Laten we ook eens kijken naar een meer gedetailleerde vergelijking van de technologieën op basis van hun technische kenmerken.

Conclusie

Sigfox is een concurrerende kandidaat voor LPWAN-toepassingen die momenteel in veel industriële toepassingen wordt gebruikt. Sigfox is al samenwerkingsverbanden aangegaan met modulebouwers zoals InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON en TD Next om hardwaremodules te ontwikkelen die Sigfox mogelijk maken. Concluderend kunnen we zeggen dat we Sigfox op het oog moeten houden wanneer u IoT-toepassingen met een laag stroomverbruik en een groot bereik nodig hebt.