Что такое sigfox? Все, что вам нужно знать

С развитием информационных технологий требование обеспечения беспроводной связи стало важным фактором для реализации современных приложений. Подключенные сети машин и устройств, взаимодействующих друг с другом в рамках Интернета вещей (IoT) и Машина-машина (M2M) требуют беспроводных технологий связи, поскольку эти устройства широко распространены на большой географической территории. Кроме того, эти устройства будут питаться от батарей, а значит, им требуются технологии связи с низким энергопотреблением, способные поддерживать связь на больших расстояниях. В результате этих требований мы видим, что все чаще конкурируют такие технологии связи, как LoRaSigfox и NB-IoT и т.д. В этой статье мы рассмотрим, что такое Sigfox, его применение и значение.  

Что такое Sigfox?

Sigfox - это узкополосный LPWAN (Low Power Wide Area Network) - протокол, разработанный в 2009 году во Франции. Этот протокол широко используется в IoT, когда объем данных невелик, а рабочий диапазон велик (более десятков километров). Sigfox использует нелицензируемые диапазоны ISM и является проприетарным протоколом, означающим запатентованную технологию. Однако оборудование Sigfox является открытым, а на сеть необходимо подписаться.

Изначально Sigfox был однонаправленным, то есть поддерживалась только связь по восходящему каналу. Однако позже был введен нисходящий канал, что позволило ему стать более конкурентоспособным среди протоколов связи LPWAN. Теперь мы подробнее рассмотрим некоторые ключевые технологические принципы, лежащие в основе Sigfox:

• Сверхузкая полоса частот (UNB)

Sigfox использует модуляцию D-BPSK (Differential Binary Phase-Shift Keying) для восходящей линии связи, при которой сообщение имеет фиксированную полосу пропускания в 600 Гц (для США), которая передается с меньшей скоростью 600 бит/с (для США). Эта технология модуляции известна как модуляция Ultra-Narrow Band (UNB), благодаря которой базовые станции Sigfox могут обмениваться данными на больших расстояниях, не подвергаясь влиянию шума. Полоса пропускания канала составляет 192 КГц (для США) и имеет центральную частоту, которая в зависимости от региона составляет менее 1 GHz. В США центральная частота составляет 915 MHz, тогда как в Европе - 868 MHz, а в Азии - 433 MHz. Для нисходящего сигнала Sigfox использует модуляцию GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Более низкий битрейт позволяет использовать недорогие компоненты на стороне приемопередатчика.

• Временное, частотное и пространственное разнообразие

Еще одна интересная технология, лежащая в основе Sigfox, - использование случайного доступа. Это обеспечивает высокое качество обслуживания (QoS). Сеть и устройство не могут передавать сообщения Sigfox синхронно, что означает отсутствие необходимости в сопряжении устройства или выделении канала для связи по восходящей линии. Это достигается с помощью техники, известной как временное и частотное разнесение, когда две копии одного и того же кадра передаются в разное время и на разных частотах, что позволяет нескольким базовым станциям Sigfox прослушивать одно сообщение. При передаче данных по нисходящей линии связи устройство должно выдержать задержку в 20 с после отправки первого сообщения по восходящей линии, а окно приема по нисходящей линии открыто только 25 с.

Кроме того, как уже говорилось, в отличие от сотовых протоколов, устройство Sigfox не подключено к выделенной базовой станции. Это позволяет обеспечить пространственное разнообразие, при котором излучаемое сообщение принимается как минимум тремя близлежащими базовыми станциями. Этот принцип известен как кооперативный прием. Пространственное разнообразие в сочетании с временным и частотным разнообразием являются ключевыми факторами в обеспечении высокого QoS сети Sigfox.

• Короткие сообщения

Компания Sigfox разработала протокол передачи сообщений небольшого размера, чтобы решить проблемы стоимости и автономности удаленных предметов. Размер сообщения в восходящей линии связи составляет от 0 до 12 байт. Данные датчиков, данные о состоянии, данные приложений и координаты GPS могут быть переданы с 12-байтовой полезной нагрузкой. Размер сообщения по нисходящей линии связи статичен и составляет 8 байт. Этого достаточно для запуска действия, управления устройством или удаленной настройки параметров приложения.

Как работает Sigfox?

Sigfox имеет тонкую и плоскую двухслойную архитектуру, состоящую из уровня сетевого оборудования и системы поддержки Sigfox. Уровень сетевого оборудования состоит из конечных устройств и базовых станций. Этот уровень отвечает за передачу сообщений и данных от этих устройств к системе поддержки Sigfox. Чтобы снизить общую стоимость эксплуатации (TCO), базовые станции Sigfox используют программно-определяемое радио (SDR), где программный алгоритм будет заниматься демодуляцией вместо специализированного оборудования. Уровень сетевого оборудования подключается к системе поддержки Sigfox через транзитную сеть, которая использует общественный интернет через цифровую абонентскую линию (DSL) с резервным подключением 4G/3G. Спутниковое соединение используется в качестве резервного в тех случаях, когда отсутствует DSL-соединение или сотовая связь (4G/3G). Это соединение защищено VPN-соединением.

Система поддержки Sigfox состоит из основной сети, которая отвечает за обработку сообщений и их передачу в системы клиентов через обратные вызовы, что в совокупности известно как система поддержки работы (OSS). Она также обеспечивает возможность взаимодействия с системой через веб-интерфейсы и API. Кроме того, этот уровень включает в себя такие функции, как мониторинг системы; например, система поддержки бизнеса (BSS) для заказа и выставления счетов, а также контроль за операциями. Он также отвечает за обработку сообщений, где хранится только одна копия сообщения, а также управляет базовыми станциями в глобальном масштабе.

Особенности Sigfox

Теперь давайте кратко рассмотрим некоторые характеристики Sigfox, которые делают его конкурентоспособным среди других протоколов связи и идеальным кандидатом для вашего IoT-приложения.

1. Высокая пропускная способность сети и высокий уровень QoS

Sigfox обеспечивает высокую пропускную способность сети и высокий уровень QoS и способен подключить миллиарды объектов. Это возможно благодаря ранее рассмотренным технологическим принципам, где UNB смягчает помехи из-за шума, временного и частотного разнообразия, обеспечивая случайный доступ и кооперативный прием, что повышает устойчивость радиосвязи и QoS.

2. Длинная дистанция

Основным конкурентным преимуществом технологии Sigfox перед другими технологиями связи является покрытие большого расстояния при минимальном количестве базовых станций. Это значительно снижает OPEX и CAPEX на внедрение сети Sigfox. Это достигается благодаря следующим особенностям:

• Дальность действия радиочастотного канала связи (РЧ) определяется скоростью передачи данных для данного выхода. При меньшей скорости передачи данных дальность действия выше.
• Другим фактором является бюджет канала связи, где основную роль играет сумма чувствительности базовой станции и выходной мощности объекта. Снижение бюджета канала связи позволит расширить диапазон при низкой мощности.
• Однако радиус действия также зависит от рельефа местности, а благодаря использованию диапазона sub-GHz будет обеспечено хорошее покрытие внутри помещений.

3. Высокая энергоэффективность

Причиной высокой энергоэффективности технологии Sigfox является эффективность полупроводниковых чипов, разработанных партнерами Sigfox по производству полупроводников, такими как NXP, Texas Instruments и др. Эти полупроводниковые чипы работают при токе 10 мА - 50 мА при передаче данных. Есть еще два фактора, которые объясняют длительное время автономной работы Sigfox:

• Для установления соединения нет необходимости в сопряжении, так как перед передачей данных с устройства на базовую станцию не требуется синхронизация.
• Более того, в состоянии простоя потребляемый ток находится в диапазоне наноампер, что делает его практически незначительным.

4. Устойчивость к помехам

Благодаря использованию UNB в сочетании с пространственным разнообразием базовых станций +20 дБ, Sigfox обладает уникальными возможностями защиты от помех. Это делает Sigfox идеальным кандидатом для работы в общедоступном промышленном, научном и медицинском диапазоне (ISM) - спектре, на который влияет UNB. Модуляция UNB обладает некоторой внутренней прочностью, поскольку перекрытие с шумом очень мало. Чтобы принять сообщение, сигнал должен быть выше уровня шума как минимум на 8 дБ. По сравнению с Sigfox, конкурирующие технологии, построенные на модуляции разнесенного спектра, сильно подвержены влиянию шума, поскольку общая поверхность у них гораздо больше.

5. Геолокация на основе сети

С помощью сервиса Sigfox Atlas вы можете определить местоположение ваших активов (Sigfox-устройств) независимо от их компонентов с точностью до километра и определить местоположение устройства, даже если у него нет GPS-сервиса. Это очень удобно для отслеживания мобильных активов.

6. Функции безопасности

По умолчанию в Sigfox интегрированы следующие функции безопасности:

• Обеспечивает аутентификацию, целостность и защиту от воспроизведения сообщений, передаваемых по сети.
• Расширенный стандарт шифрования (AES) без передачи ключа OTA
• Обеспечение шифрования полезной нагрузки в качестве опции
• Части сети могут быть выделены в отдельные секции в случае аварийной ситуации
• Гарантирует, что идентификатор устройства не дублируется. Если устройство повреждено, оно не будет допущено к связи через механизм черного списка.
• Имеет встроенный брандмауэр

7. Инструменты для покрытия услуг

Для оценки покрытия услуг партнерам предоставляются различные возможности, о которых мы кратко расскажем ниже:

• Ссылку на карту покрытия услуг можно найти на сайте http://www.sigfox.com/coverage
• В настоящее время разрабатывается новый глобальный API для обеспечения качества покрытия всех публичных операторов Sigfox по всему миру.

Когда стоит задуматься о Sigfox?

Теперь, когда мы рассмотрели технические детали Sigfox и его конкурентные особенности, как понять, когда стоит рассматривать Sigfox для вашего IoT-приложения? Вот несколько важных советов, на которые стоит обратить внимание:

• Когда объем передаваемых данных невелик (от нескольких байт до килобайта)
• Когда рабочий диапазон составляет порядка километров
• Если потребляемый ток невелик (порядка миллиампера или десятков миллиампер на передачу)

Области применения Sigfox:

Sigfox - идеальный кандидат для маломощных и недорогих приложений дальнего радиуса действия в таких областях, как:

• Управление автопарком
• Приложения для обеспечения безопасности
• Отслеживание активов для товаров и даже людей
• В секторе транспорта и логистики
• Приложения mHealth, где требуется удаленный мониторинг и контроль

Sigfox в сравнении с другими LPWAN

Как уже упоминалось, существуют и другие LPWAN, которые являются конкурентами технологии Sigfox. LPWAN создаются для организации сетей "машина-машина" (M2M) и "Интернет вещей" (IoT) с низким энергопотреблением на обширной территории сети. Мы представили разница между lora и sigfox Итак, теперь давайте проведем краткое сравнение различных технологий LPWAN по критериям их производительности с оценкой из 5 баллов.

Также рассмотрим более детальное сравнение технологий по их техническим характеристикам.

Заключение

Sigfox является конкурентоспособным кандидатом в области LPWAN, который в настоящее время используется во многих промышленных приложениях. Sigfox уже установила партнерские отношения с производителями модулей, такими как InnoComm, Murata, WiSOL, LITEON и TD Next, для реализации аппаратных модулей, позволяющих использовать Sigfox. В заключение можно сказать, что стоит обратить внимание на Sigfox, если вам нужны IoT-приложения с низким энергопотреблением и высоким радиусом действия.