Úvod do technológie sigfox - základy, architektúra a bezpečnostné funkcie

Preteky v bezdrôtovej technológii sa začali dávno v 90. rokoch 19. storočia, keď Marconi postavil prvú rozhlasovú stanicu na svete a predstavil bezdrôtovú telegrafiu, ktorá úplne nanovo definovala spôsob, akým si ľudia v tej dobe vymieňali informácie. Dnes sme pokročili s mnohými novými bunkovými technológiami na bezdrôtový prenos veľkého množstva dát komukoľvek, kto žije aj v najhlbšom kúte Zeme. Ale v poslednej dobe musia komunikovať nielen ľudia. Stroje a ďalšie elektronické zariadenia tiež začali medzi sebou vymieňať informácie, aby vytvorili pripojenú sieť. Tieto zariadenia väčšinou fungujú na batériu zo vzdialeného miesta, ktoré ju núti komunikovať na veľké vzdialenosti s minimálnym možným výkonom. Táto požiadavka podnietila potrebu nových komunikačných technológií ako ZigBee, LoRa, Sigfox atď. O tom, čo je LoRa, sme už hovorili v našom predchádzajúcom článku, a preto sa v tomto článku dozvieme o podobnom protokole bezdrôtovej komunikácie s názvom Sigfox a jeho význame v pripojená technológia.

Čo je technológia Sigfox

Sigfox je bunková bezdrôtová komunikácia s dlhým dosahom, ktorá ponúka prispôsobené riešenia predovšetkým pre aplikácie internetu vecí s nízkou priepustnosťou (IoT) a M2M využívaním svojich komplexných služieb pripojenia IoT s využitím svojich patentovaných technológií. Sieťový protokol Sigfox má patentované základňové stanice, ktoré sú integrované do softvérovo definovaných rádií. Koncové zariadenia používajú na pripojenie k základňovým staniciam moduláciu binárneho fázového posunu (BPSK).

Sieť Sigfox bola navrhnutá s cieľom uľahčiť efektívnu komunikáciu pri nízkej spotrebe energie. Nízka spotreba energie zaručuje, že vzdialené zariadenia budú pracovať dlho s minimálnym nabitím alebo údržbou batérie. Sigfox umožňuje komunikáciu IoT na veľké vzdialenosti, čo umožňuje prenos s minimálnymi základňovými stanicami. Sieť Sigfox využíva bunkový prístup, ktorý umožňuje vzdialeným uzlom používať internet na komunikáciu so základňovými stanicami. To umožňuje diaľkové ovládanie a zber dát z uzlov Sigfox v širokej geografickej oblasti, pokiaľ je k dispozícii internetové pripojenie.

Vlastnosti Sigfoxu

Aj keď bol Sigfox predstavený ešte v roku 2009, až nedávno získal popularitu. Dnes s príchodom IoT sa Sigfox veľmi bežne používa ako komunikačný štandard na pripojenie zariadení s nízkou spotrebou energie, ako sú inteligentné elektromery, inteligentné hodinky atď. Poďme sa pozrieť na vlastnosti Sigfoxu, ktorý z neho robí preferovanú sieť.

Vysoká kapacita siete

Sigfox má vysokú kapacitu, ktorá mu umožňuje rozšíriť až na miliárd objektov, to je z dôvodu veľmi úzkopásmového modulácie, ktorá pojme odolnosť a odolnosť proti rušeniu. Infraštruktúra Sigfox využíva náhodný prístup, ktorý uľahčuje frekvenčnú a časovú rozmanitosť. Použitie šírky pásma uplink a downlink umožňuje konzistenciu bez ohľadu na použité rádiové spojenie.

Vysoká energetická účinnosť

Sieť Sigfox sa môže pochváliť vysokou energetickou účinnosťou vďaka polovodičom s nízkou spotrebou energie, ktoré sa používajú pri výrobe hardvéru Sigfox. Tieto polovodiče umožňujú modulom Sigfox prenášať dáta iba s prúdom približne 10 mA - 50 mA. Sieťová architektúra Sigfox pred vykonaním dátového prenosu nevykonáva synchronizáciu správ medzi zariadeniami a základňovou stanicou, čo znamená, že nie je potrebné žiadne párovanie. Nedostatok párovania medzi zariadeniami a základňovou stanicou umožňuje dlhú výdrž batérie a dáva spoločnosti Sigfox výhodu oproti iným technológiám. Sigfox pri nečinnosti spotrebuje iba niekoľko nanoampérov, táto miera spotreby energie je zanedbateľná, čo ďalej zvyšuje účinnosť.

Dlhý dosah

Nasadenie Sigfoxu pokrýva veľkú geografickú oblasť s minimálnym počtom základňových staníc. Vysokofrekvenčný rozsah (RF) sa odhaduje na základe dátovej rýchlosti, ktorá znamená pre každý výstup, dlhý dosah sa dosahuje s nízkou dátovou rýchlosťou. Implementácia základňových staníc s dlhým dosahom umožňuje implementáciu širokopásmovej siete Sigfox s minimálnymi nákladmi. Dlhý dosah Sigfoxu uľahčuje aj skutočnosť, že základňové stanice majú menšiu citlivosť a objekty majú nízky výstupný výkon. Vo vidieckych oblastiach pokrýva sieť Sigfox v dôsledku minimálneho rušenia priemerný rozsah 30 km - 50 km. Avšak v centrách miest, kde je veľa prekážok, sa dosah Sigfoxu zníži na 10 km.

Odolnosť proti rušeniu

Sigfox využíva 192KHz pásmo Ultra Barrow (UNB) integrované s priestorovou rozmanitosťou základňovej stanice +20 dB, čo uľahčuje jeho jedinečné funkcie proti rušeniu. Sieť Sigfox využíva Ultra Narrow Band na prácu v priemyselnom, vedeckom a lekárskom (ISM) pásmepretože signály rozprestretého spektra sú rušené signálmi UNB. V Európe má Uplink šírku pásma 100 Hz, zatiaľ čo v USA presahuje šírku pásma 600 Hz. Európska únia obmedzila maximálny výkon na 25 mW. Downlink má šírku pásma kanálu 1,5 KHz a dátový rozsah 600 bps. Downlink ďalej obmedzuje maximálny výstupný výkon na 500 mW. Optimálna odolnosť proti rušeniu umožňuje Sigfoxu efektívne fungovať v pásme ISM. To mu umožňuje vysielať aj pri rušivých signáloch. Nízke prekrytie šumu však indukuje vnútornú robustnosť pásma Ultra-Narrow. Výsledkom by malo byť, že na odoslanie správy by mal mať signál najmenej 8 dB.

Sieťová architektúra Sigfox

Sieťová architektúra Sigfox je horizontálna a tenká a má 2 vrstvy. Vrstva jedna pozostáva zo sieťových zariadení, väčšinou zo základňových staníc a ďalších prvkov. Účelom tejto vrstvy je prijímať správy zo zariadenia IoT a prenášať ich do systémov podpory Sigfox. Táto sieť má hviezdnu topológiu s jedným skokom, ktorá umožňuje zariadeniam IoT pripojiť sa k akejkoľvek základňovej stanici v jej blízkosti. Druhou vrstvou je systém podpory Sigfoxkde sa správy zo základňových staníc spracúvajú a odosielajú prostredníctvom spätných volaní do systému zákazníka. Táto vrstva tiež poskytuje vstupný bod rôznych aktérov, ako sú Sigfox, koncoví zákazníci, operátori Sigfox a kanály do ekosystému pomocou webových rozhraní alebo API. Vrstva má úložisko a ďalšie nástroje na analýzu údajov zhromaždených sieťou. Vrstva obsahuje aj moduly a funkcie, ktoré podporujú nasadenie, prevádzku a monitorovanie siete. Medzi tieto funkcie patrí systém obchodnej podpory (BSS) na fakturáciu a objednávanie a rádiové plánovanie na podporu nasadenia a monitorovania v sieti. Verejný internet spája tieto dve vrstvy prostredníctvom zabezpečených pripojení VPN.

Dáta zo zariadení IoT sa posielajú vzduchom do základňových staníc, potom idú cez backhaul, ktorý využíva pripojenie DSL so zálohovaním 4G. Satelitné pripojenie sa používa ako záloha na miestach, kde nie sú k dispozícii DSL a 4G. Spracovanie správ spracováva aj backhaul, tieto správy prichádzajú do základnej siete s toľkými replikátmi, ale je uložená iba jedna kópia, ku ktorej majú zákazníci prístup cez webové rozhranie.

Zabezpečenie a ochrana súkromia Sigfox

Pretože primárnym zameraním Sigfoxu je použitie s IoT, bola sieť navrhnutá na zvýšenie bezpečnosti implementáciou brán firewall na zabezpečenie údajov v pohybe a v pokoji. Môžete si tiež prečítať tento článok o výzvach zabezpečenia IoT, aby ste získali lepšiu predstavu o tom, ako zabezpečiť svoje zariadenia IoT. Teraz sa pozrime na rôzne bezpečnostné funkcie v Sigfox.

Zabezpečenie firewallom

Sigfox má vstavaný firewall, ktorý obmedzuje objekty IoT na pripojenie alebo komunikáciu pomocou internetového protokolu. Na komunikáciu cez internet objekt pošle rádiovú správu, ktorú zachytia dostupné prístupové stanice. Prístupová stanica potom odošle správu do podporného systému Sigfox, ktorý ju následne odošle do určeného cieľa. Podporný systém Sigfox tiež prenáša odpoveď na objekt odosielateľa cez základňové stanice. Bezpečnostný firewall tak chráni objekty IoT pred internetovými útokmi.

Bezpečnosť údajov

Architektúra Sigfox poskytuje bezpečnostný mechanizmus, ktorý zaručuje bezpečné overenie údajov a zabránenie prehraniu; poskytuje tiež ďalší mechanizmus proti odpočúvaniu. Reťazec IoT spoločnosti Sigfox zahŕňa uložené autentifikačné kľúče, ktoré sú ukladané zariadeniami a zákazníkom, tento kľúč sa bude vyžadovať na prístup k údajom uloženým v systéme Sigfox. Výsledkom je, že dátové mechanizmy spoločnosti Sigfox zaručujú bezpečnosť v rámci rozmanitého ekosystému a rôznych miestnych predpisov. Autentifikačný kľúč pre každé zariadenie je jedinečný, čo znamená, že kompromitácia bezpečnostného kľúča na autentifikáciu zariadenia nemá vplyv na zabezpečenie ostatných zariadení. Zabezpečenie ľubovoľného zariadenia je však ponechané na uváženie výrobcu.

Aplikácia Sigfox

Technológia Sigfox je vhodná pre lacné aplikácie M2M, ktoré fungujú na celom území. Medzi tieto oblasti patrí;

• Ľudia, tovar alebo iný typ sledovania majetku.
• Komunikácia inteligentného merania v energetickom sektore.
• Komunikácia aplikácií mHealth
• Riadenie automobilovej komunikácie v sektore dopravy
• Diaľkové ovládanie a monitorovanie.
• Bezpečnosť.

Výrobcovia modulov Sigfox

Murata patrí medzi popredných výrobcov mikrokontrolérov Sigfox. Populárne moduly Sigfox využívajú bezdrôtový mikrokontrolér na báze STM32 od ST Microcontrollers a tiež SX127 Samtech RFIC. Tieto mikrokontroléry pracujú na frekvenčnom rozsahu 860 - 930 MHz. Tento frekvenčný rozsah podporuje výstupný výkon +14 dBm, ktorý je možné zvýšiť na +20 dBm v prípade slabého signálu.

Modul	Výrobca
WSSFM10R1: RCZ1 (Európa, Stredný východ, Afrika)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Ďalej
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14 dB	Pycom
S-Wing: rozširujúca doska Sigfox pre Bosch XDK pre zónu 2 a 4	InnoComm
S-Wing: rozširujúca doska Sigfox pre Bosch XDK pre zónu 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm