Úvod do technologie sigfox - základy, architektura a bezpečnostní funkce

Závod o bezdrátové technologie začal dlouho v 90. letech 20. století, kdy Marconi postavil první rozhlasovou stanici na světě a představil bezdrátovou telegrafii, která zcela předefinovala způsob, jakým si lidé tehdy vyměňovali informace. Dnes jsme pokročili s mnoha novými celulárními technologiemi pro bezdrátový přenos velkého množství dat komukoli, kdo žije i v nejhlubším koutě Země. Ale v poslední době mezi sebou nemusí komunikovat jen lidé. Stroje a další elektronická zařízení také začaly mezi sebou vyměňovat informace za účelem vytvoření připojené sítě. Tato zařízení většinou pracují na baterii ze vzdáleného místa, což ji nutí komunikovat na velké vzdálenosti s minimálním možným výkonem. Tento požadavek podnítil potřebu nových komunikačních technologií, jako jsou ZigBee, LoRa, Sigfox atd. O tom, co je LoRa, jsme již diskutovali v našem předchozím článku, a proto se v tomto článku dozvíme o podobném protokolu bezdrátové komunikace s názvem Sigfox a jeho významu v připojená technologie.

Co je technologie Sigfox

Sigfox je mobilní bezdrátová komunikace s dlouhým dosahem, která nabízí vlastní řešení primárně pro aplikace internetu věcí s nízkou propustností (IoT) a M2M tím, že využívá své konektivní služby připojení IoT s využitím svých patentovaných technologií. Síťový protokol Sigfox má patentované základnové stanice, které jsou integrovány do softwarově definovaných rádií. Koncová zařízení používají k připojení k základnovým stanicím modulaci klíčování pomocí binárního fázového posunu (BPSK).

Síť Sigfox byla navržena pro usnadnění efektivní komunikace při nízké spotřebě energie. Nízká spotřeba energie zajišťuje, že vzdálená zařízení poběží dlouho s minimálním nabitím nebo údržbou baterie. Sigfox umožňuje komunikaci IoT na velké vzdálenosti, což umožňuje přenos s minimem základnových stanic. Síť Sigfox využívá mobilní přístup, který umožňuje vzdáleným uzlům používat internet ke komunikaci se základnovými stanicemi. To umožňuje dálkové ovládání a sběr dat z uzlů Sigfox v široké geografické oblasti, pokud existuje připojení k internetu.

Vlastnosti Sigfox

Přestože byl Sigfox představen již v roce 2009, teprve nedávno získal popularitu. Dnes s příchodem IoT se Sigfox velmi často používá jako komunikační standard pro připojení zařízení s nízkou spotřebou energie, jako jsou inteligentní elektroměry, chytré hodinky atd. Pojďme se podívat na vlastnosti Sigfox, díky nimž je preferovanou sítí.

Vysoká kapacita sítě

Sigfox má vysokou kapacitu, která mu umožňuje škálovat až na miliardy objektů, a to díky ultra úzkopásmové modulaci, která zajišťuje odolnost a odolnost vůči rušení. Infrastruktura Sigfox využívá náhodný přístup, který usnadňuje frekvenční a časovou rozmanitost. Použití šířky pásma uplink a downlink umožňuje konzistenci bez ohledu na použité rádiové spojení.

Vysoká energetická účinnost

Síť Sigfox se může pochlubit vysokou energetickou účinností díky polovodičům s nízkou spotřebou energie, které se používají při výrobě hardwaru Sigfox. Tyto polovodiče umožňují modulům Sigfox přenášet data pouze s proudem přibližně 10 mA - 50 mA. Síťová architektura Sigfox neprovádí před přenosem dat synchronizaci zpráv mezi zařízeními a základnovou stanicí, to znamená, že není nutné žádné párování. Nedostatek párování mezi zařízeními a základnovou stanicí zajišťuje dlouhou výdrž baterie a dává společnosti Sigfox výhodu oproti jiným technologiím. Sigfox při nečinnosti spotřebovává pouze několik nano ampérů, tato rychlost spotřeby energie je zanedbatelná, což dále zvyšuje účinnost.

Dlouhý dosah

Nasazení Sigfox pokrývá velkou geografickou oblast s minimálním počtem základnových stanic. Vysokofrekvenční rozsah (RF) se odhaduje podle rychlosti přenosu dat pro každý výstup, dlouhého dosahu se dosahuje s nízkou rychlostí přenosu dat. Implementace základnových stanic dlouhého dosahu umožňuje implementaci širokého dosahu sítě Sigfox s minimálními náklady. Dlouhý dosah Sigfoxu usnadňuje také skutečnost, že základnové stanice mají nižší citlivost a objekty mají nízký výstupní výkon. Ve venkovských oblastech pokrývá síť Sigfox průměrné rozpětí 30 km - 50 km kvůli minimálnímu rušení. V centrech měst, kde je hodně překážek, se dosah Sigfoxu sníží na 10 km.

Odolnost proti rušení

Sigfox využívá 192KHz pásmo Ultra Barrow (UNB) integrované s prostorovou rozmanitostí základnové stanice +20 dB, což usnadňuje jeho jedinečné funkce proti rušení. Síť Sigfox využívá k provozu v průmyslovém, vědeckém a lékařském (ISM) pásmu Ultra Narrow Bandprotože signály rozprostřeného spektra jsou rušeny signály UNB. V Evropě má Uplink šířku pásma 100 Hz, zatímco v USA šířka pásma přesahuje 600 Hz. Evropská unie omezila maximální výkon na 25 mW. Downlink má šířku pásma kanálu 1,5 KHz a datový rozsah 600 bps. Downlink dále omezuje maximální výkon na 500 mW. Optimální odolnost proti rušení usnadňuje Sigfox efektivní fungování v pásmu ISM. To mu umožňuje vysílat i při rušivých signálech. Nízké překrytí šumu však indukuje přirozenou robustnost pásma Ultra-Narrow. Výsledkem je, že pro přenos zprávy by měl mít signál alespoň 8 dB.

Síťová architektura Sigfox

Síťová architektura Sigfox je horizontální a tenká a má 2 vrstvy. Vrstva jedna zahrnuje síťové vybavení, většinou základnové stanice, a další prvky. Účelem této vrstvy je přijímat zprávy ze zařízení IoT a přenášet je do systémů podpory Sigfox. Tato síť má jednoskokovou hvězdicovou topologii, která umožňuje zařízením IoT připojit se k jakékoli základnové stanici v její blízkosti. Druhou vrstvou je systém podpory Sigfoxkde jsou zprávy ze základnových stanic zpracovávány a odesílány prostřednictvím zpětných volání do zákaznického systému. Tato vrstva také poskytuje vstupní bod různých aktérů, jako je Sigfox, koncoví zákazníci, operátoři Sigfox a kanály do ekosystému pomocí webových rozhraní nebo API. Vrstva má úložiště a další nástroje pro analýzu dat, která jsou shromažďována sítí. Vrstva také obsahuje moduly a funkce, které podporují nasazení, provoz a monitorování sítě. Mezi funkce patří Business Support System (BSS) pro fakturaci a objednávání a Radio Planning pro podporu nasazení a monitorování sítě. Veřejný internet spojuje dvě vrstvy přes zabezpečená připojení VPN.

Data ze zařízení IoT se odesílají vzduchem do základnových stanic a poté procházejí backhaul, který využívá připojení DSL se zálohou 4G. Satelitní připojení se používá jako záloha na místech, kde nejsou k dispozici DSL a 4G. Zpracování zpráv je také zpracováno backhaulem, tyto zprávy přicházejí do hlavní sítě jako mnoho replikátů, ale je uložena pouze jedna kopie, ke které mají zákazníci přístup prostřednictvím webového rozhraní.

Zabezpečení a soukromí Sigfox

Vzhledem k tomu, že primárním zaměřením Sigfoxu je použití s ​​IoT, byla síť navržena tak, aby zlepšila zabezpečení implementací bran firewall pro zabezpečení dat v pohybu a v klidu. Můžete si také přečíst tento článek o výzvách zabezpečení IoT, abyste získali lepší představu o tom, jak zabezpečit vaše zařízení IoT. Nyní se podívejme na různé bezpečnostní funkce v Sigfoxu.

Zabezpečení firewallem

Sigfox má vestavěný firewall, který omezuje objekty IoT na připojení nebo komunikaci pomocí internetového protokolu. Chcete-li komunikovat přes internet, objekt odešle rádiovou zprávu, kterou vyzvednou dostupné přístupové stanice. Přístupová stanice poté předá zprávu do podpůrného systému Sigfox, který ji následně odešle do zadaného cíle. Systém podpory Sigfox také přenáší odpověď na objekt odesílatele prostřednictvím základnových stanic. Bezpečnostní firewall tak chrání objekty IoT před útoky souvisejícími s internetem.

Bezpečnost dat

Architektura Sigfox poskytuje bezpečnostní mechanismus, který zaručuje bezpečné ověřování dat a zamezení přehrání; poskytuje také další mechanismus proti odposlechu. Řetězec IoT společnosti Sigfox zahrnuje uložené ověřovací klíče, které jsou uloženy zařízeními a zákazníkem, tento klíč bude vyžadován pro přístup k datům uloženým v systému Sigfox. Výsledkem je, že datové mechanismy společnosti Sigfox zaručují bezpečnost v rámci rozmanitého ekosystému a různých místních předpisů. Ověřovací klíč pro každé zařízení je jedinečný, což znamená, že narušení bezpečnostního klíče pro ověřování zařízení nemá vliv na zabezpečení ostatních zařízení. Zabezpečení jakéhokoli zařízení je však ponecháno na uvážení výrobce.

Aplikace Sigfox

Technologie Sigfox je vhodná pro nízkonákladovou aplikaci M2M, která pracuje v širokém pokrytí. Mezi tyto oblasti patří;

• Sledování osob, zboží nebo jiného typu majetku.
• Chytrá měřicí komunikace v energetickém sektoru.
• Komunikace aplikací mHealth
• Řízení automobilové komunikace v odvětví dopravy
• Dálkové ovládání a monitorování.
• Bezpečnostní.

Výrobci modulů Sigfox

Murata patří mezi přední výrobce mikrokontrolérů Sigfox. Populární moduly Sigfox využívají bezdrátový mikrokontrolér na bázi STM32 od ST Microcontrollers a také SX127 Samtech RFIC. Tyto mikrokontroléry pracují na frekvenčním rozsahu 860-930 MHz. Tento kmitočtový rozsah podporuje výstupní výkon +14 dBm, který lze v případě špatného signálu zvýšit na +20 dBm.

Modul	Výrobce
WSSFM10R1: RCZ1 (Evropa, Střední východ, Afrika)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Další
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14 dB	Pycom
S-Wing: Rozšiřující deska Sigfox pro Bosch XDK pro zónu 2 a 4	InnoComm
S-Wing: Rozšiřující deska Sigfox pro Bosch XDK pro zónu 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm