Een inleiding tot sigfox-technologie - basisprincipes, architectuur en beveiligingsfuncties

De race voor draadloze technologie begon lang geleden in de jaren 1890 toen Marconi 's werelds eerste radiostation bouwde en draadloze telegrafie introduceerde, die de manier waarop mensen toen informatie uitwisselden volledig opnieuw definieerde. Tegenwoordig zijn we gevorderd met veel nieuwe cellulaire technologieën om grote hoeveelheden gegevens draadloos te verzenden naar iedereen die zelfs in de diepste uithoeken van de aarde leeft. Maar sinds kort zijn het niet alleen mensen die onderling moeten communiceren. De machines en andere elektronische apparaten zijn ook begonnen informatie tussen elkaar uit te wisselen om een verbonden netwerk tot stand te brengen. Deze apparaten werken meestal op een batterij vanaf een externe locatie, waardoor ze worden gedwongen om over lange afstanden te communiceren met zo min mogelijk stroom. Deze vereiste heeft geleid tot de behoefte aan nieuwe communicatietechnologieën zoals ZigBee, LoRa, Sigfox enz. We hebben al besproken wat LoRa is in ons vorige artikel en daarom zullen we in dit artikel leren over een soortgelijk draadloos communicatieprotocol genaamd Sigfox en de betekenis ervan in verbonden technologie.

Wat is Sigfox-technologie

Sigfox is een mobiele draadloze communicatie met een groot bereik die op maat gemaakte oplossingen biedt, voornamelijk voor low-throughput Internet of Things (IoT) en M2M-toepassingen door gebruik te maken van zijn end-to-end IoT-connectiviteitsdiensten met behulp van zijn gepatenteerde technologieën. Het Sigfox-netwerkprotocol heeft gepatenteerde basisstations die zijn geïntegreerd met softwaregedefinieerde radio's. De eindapparaten gebruiken binaire phase-shift keying (BPSK) -modulatie om verbinding te maken met de basisstations.

Het Sigfox-netwerk is ontworpen om effectieve communicatie mogelijk te maken bij een laag stroomverbruik. Laag stroomverbruik zorgt ervoor dat externe apparaten lang meegaan met minimaal opladen of onderhoud van de batterij. Sigfox maakt IoT-communicatie over lange afstanden mogelijk, waardoor het mogelijk is om met minimale basisstations te verzenden. Het Sigfox-netwerk gebruikt een cellulaire benadering om de knooppunten op afstand in staat te stellen internet te gebruiken om te communiceren met basisstations. Dit vergemakkelijkt bediening op afstand en gegevensverzameling van de Sigfox-knooppunten over een groot geografisch gebied, zolang er internetverbinding is.

Kenmerken van Sigfox

Hoewel Sigfox al in 2009 werd geïntroduceerd, werd het pas voor kort populair. Met de komst van IoT wordt Sigfox in hoge mate gebruikt als communicatiestandaard voor het aansluiten van apparaten met een laag stroomverbruik, zoals slimme elektriciteitsmeters, slimme horloges, enz. Laten we eens kijken naar de kenmerken van Sigfox, waardoor het een geprefereerd netwerk is.

Hoge netwerkcapaciteit

Sigfox heeft een hoge capaciteit waardoor het kan opschalen naar miljarden objecten, dit komt door de ultra-smalbandige modulatie die weerstand en veerkracht tegen interferentie biedt. De Sigfox-infrastructuur maakt gebruik van willekeurige toegang die frequentie- en tijdsdiversiteit mogelijk maakt. Het gebruik van uplink- en downlinkbandbreedte maakt consistentie mogelijk, ongeacht de gebruikte radioverbinding.

Hoge energie-efficiëntie

Het Sigfox-netwerk pronkt met een hoge energie-efficiëntie, dankzij de laag energieverbruikende halfgeleiders die worden gebruikt bij de productie van de Sigfox-hardware. Deze halfgeleiders stellen de Sigfox-modules in staat om gegevens te verzenden met slechts ongeveer 10mA - 50mA stroom. De Sigfox-netwerkarchitectuur voert geen berichtsynchronisatie uit tussen de apparaten en het basisstation voordat de datatransmissie wordt uitgevoerd, dit betekent dat er geen koppeling vereist is. Gebrek aan koppeling tussen de apparaten en het basisstation zorgt voor een lange levensduur van de batterij en geeft Sigfox een voordeel ten opzichte van andere technologieën. Sigfox verbruikt slechts een paar nano-ampère in rust, dit energieverbruik is verwaarloosbaar, wat de efficiëntie verder verbetert.

Langeafstand

De inzet van Sigfox bestrijkt een groot geografisch gebied met een minimaal aantal basisstations. Het radiofrequentiebereik (RF) wordt geschat op basis van de gegevenssnelheid, wat betekent dat voor elke uitvoer een groot bereik wordt bereikt met een lage gegevenssnelheid. De implementatie van basisstations met een groot bereik maakt de implementatie van een Sigfox-netwerk met een groot bereik mogelijk tegen minimale kosten. Het grote bereik van Sigfox wordt ook vergemakkelijkt door het feit dat de basisstations minder gevoeligheid hebben en de objecten een laag uitgangsvermogen hebben. In landelijke gebieden dekt een Sigfox-netwerk een gemiddeld bereik van 30km - 50km vanwege minimale interferentie. In stadscentra waar veel obstructie is, wordt het bereik van Sigfox echter teruggebracht tot 10 km.

Weerbaarheid tegen interferentie

Sigfox maakt gebruik van 192KHz Ultra Barrow Band (UNB) geïntegreerd met de ruimtelijke diversiteit van het basisstation van +20 dB, wat de unieke anti-jamming-functies mogelijk maakt. Het Sigfox-netwerk maakt gebruik van ultradunne band om te werken in de industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) -bandaangezien signalen met een gespreid spectrum worden gestoord door UNB-signalen. In Europa heeft de Uplink een bandbreedte van 100Hz, terwijl in de VS de bandbreedte groter is dan 600Hz. De Europese Unie heeft het maximale vermogen beperkt tot 25 mW. De downlink heeft een kanaalbandbreedte van 1,5 KHz en een gegevensbereik van 600 bps. De downlink beperkt het maximale uitgangsvermogen verder tot 500 mW. De optimale veerkracht om te interfereren, maakt het voor Sigfox mogelijk om effectief te functioneren in de ISM-band. Hierdoor kan het zelfs onder stoorsignalen verzenden. De lage ruisoverlapping veroorzaakt echter intrinsieke robuustheid voor de ultradunne band. Als resultaat moet het signaal ten minste 8 dB hebben om een ​​bericht te verzenden.

Sigfox-netwerkarchitectuur

De netwerkarchitectuur van Sigfox is horizontaal en dun, en heeft 2 lagen. Laag één bestaat uit de netwerkapparatuur, meestal de basisstations en andere elementen. Het doel van deze laag is om berichten te ontvangen van de IoT-apparaatadvertenties en ze te verzenden naar de Sigfox-ondersteuningssystemen.Dit netwerk heeft een one-hop star-topologie waardoor de IoT-apparaten verbinding kunnen maken met elk basisstation in de buurt. De tweede laag is het Sigfox Support Systemwaar berichten van de basisstations worden verwerkt en via call-backs naar het klantensysteem worden verzonden. Deze laag biedt ook het toegangspunt van de verschillende actoren zoals Sigfox, eindklanten, Sigfox-operators en kanalen naar het ecosysteem via webinterfaces of API's. De laag heeft een repository en andere tools voor het analyseren van de gegevens die door het netwerk worden verzameld. De laag bevat ook modules en functies die de implementatie, bediening en bewaking van het netwerk ondersteunen. De functies omvatten het Business Support System (BSS) voor facturering en bestelling, en Radioplanning voor ondersteuning van netwerkimplementatie en monitoring. Het openbare internet verbindt de twee lagen via beveiligde VPN-verbindingen.

De gegevens van de IoT-apparaten worden via de lucht naar de basisstations gestuurd en gaan vervolgens via de backhaul die DSL-connectiviteit met 4G-back-up gebruikt. Satellietconnectiviteit wordt gebruikt als back-up op plaatsen waar DSL en 4G niet beschikbaar zijn. Berichtverwerking wordt ook afgehandeld door de backhaul, deze berichten komen op het kernnetwerk aan als veel replicaten, maar er wordt slechts één kopie opgeslagen die door klanten kan worden geopend via een webinterface.

Sigfox beveiliging en privacy

Aangezien de primaire focus van Sigfox is om te worden gebruikt met IoT, is het netwerk ontworpen om de beveiliging te verbeteren door firewalls te implementeren om gegevens in beweging en in rust te beveiligen. U kunt ook dit artikel over IoT-beveiligingsuitdagingen lezen om een ​​beter idee te krijgen over hoe u uw IoT-apparaten kunt beveiligen. Laten we nu eens kijken naar de verschillende beveiligingsfuncties in Sigfox.

Firewall-beveiliging

Sigfox heeft een ingebouwde firewall die IoT-objecten beperkt om verbinding te maken of te communiceren via het internetprotocol. Om via internet te communiceren, verzendt een object een radiobericht dat wordt opgepikt door de beschikbare toegangsstations. Het toegangsstation stuurt het bericht vervolgens door naar het Sigfox-ondersteuningssysteem dat het op zijn beurt naar de opgegeven bestemming verzendt. Het Sigfox-ondersteuningssysteem verzendt het antwoord ook naar het zenderobject via de basisstations. De beveiligingsfirewall beschermt zo de IoT-objecten tegen internetgerelateerde aanvallen.

Dataveiligheid

De Sigfox-architectuur biedt een beveiligingsmechanisme dat veilige gegevensauthenticatie en het vermijden van herhaling garandeert; het biedt ook een extra anti-afluistermechanisme. De IoT-keten van de Sigfox omvat authenticatiesleutels die worden opgeslagen door apparaten en de klant, deze sleutel is nodig om toegang te krijgen tot de gegevens die zijn opgeslagen door het Sigfox-systeem. Als gevolg hiervan garanderen de datamechanismen van Sigfox de veiligheid binnen het diverse ecosysteem en verschillende lokale regelgeving. De authenticatiesleutel voor elk apparaat is uniek, wat betekent dat een inbreuk op de authenticatiebeveiligingssleutel van een apparaat geen invloed heeft op de beveiliging van andere apparaten. De beveiliging van elk apparaat wordt echter overgelaten aan het oordeel van de fabrikant.

Toepassing van Sigfox

Sigfox-technologie is geschikt voor goedkope M2M-toepassingen die over een groot gebied werken. Deze gebieden omvatten;

• Mensen, goederen of andere soorten asset-tracking.
• Slimme meetcommunicatie in de energiesector.
• Communicatie van mHealth-toepassingen
• Beheer van automotive communicatie in de transportsector
• Afstandsbediening en monitoring.
• Veiligheid.

Fabrikanten van Sigfox-modules

Murata is een van de toonaangevende fabrikanten van Sigfox-microcontrollers. De populaire Sigfox-modules maken gebruik van de STM32-gebaseerde draadloze microcontroller van ST Microcontrollers en ook de SX127 Samtech RFIC. Deze microcontrollers werken op een frequentiebereik van 860-930 MHz. Dit frequentiebereik ondersteunt een uitgangsvermogen van +14 dBm dat kan worden verhoogd tot +20 dBm in gebieden met een slecht signaal.

Module	Fabrikant
WSSFM10R1: RCZ1 (Europa, Midden-Oosten, Afrika)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Volgende
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Sigfox-uitbreidingskaart voor Bosch XDK voor Zone 2 & 4	InnoComm
S-Wing: Sigfox-uitbreidingskaart voor Bosch XDK voor Zone 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm