Bevezetés a sigfox technológiába - alapok, architektúra és biztonsági funkciók

A vezeték nélküli technológia versenye már 1890-ben elkezdődött, amikor Marconi megépítette a világ első rádióállomását, és bevezette a vezeték nélküli táviratot, amely teljesen újradefiniálta az emberek akkori információcseréjét. Ma számos új mobil technológiával fejlõdtünk, hogy nagy mennyiségû adatot továbbítsunk vezeték nélkül bárkinek, aki a Föld legmélyebb sarkában is él. De a közelmúltban nem csak az embereknek kell kommunikálniuk egymással. A gépek és más elektronikus eszközök szintén elkezdtek információt cserélni egymás között a csatlakoztatott hálózat létrehozása érdekében. Ezek az eszközök többnyire távoli helyről származó akkumulátorral működnek, és arra kényszerítik, hogy hosszú távú kommunikációt folytasson a lehető legkisebb energiával. Ez a követelmény felvetette az új kommunikációs technológiák szükségességét, mint például a ZigBee, LoRa, Sigfox stb. Korábbi cikkünkben már megvitattuk, mi is a LoRa, ezért ebben a cikkben megismerünk egy hasonló Sigfox nevű vezeték nélküli kommunikációs protokollt és annak jelentőségét a csatlakoztatott technológia.

Mi a Sigfox Technology

A Sigfox egy nagy hatótávolságú vezeték nélküli vezeték nélküli kommunikáció, amely egyedi megoldásokat kínál elsősorban alacsony áteresztőképességű tárgyak internete (IoT) és M2M alkalmazásokhoz, azáltal, hogy szabadalmaztatott technológiáinak felhasználásával igénybe veszi végpontok közötti IoT csatlakozási szolgáltatásait. A Sigfox hálózati protokoll szabadalmaztatott bázisállomásokat tartalmaz, amelyek integrálva vannak a szoftver által meghatározott rádiókkal. A végberendezések bináris fáziseltolásos billentyűzet (BPSK) modulációt használnak a bázisállomásokhoz való csatlakozáshoz.

A Sigfox hálózatot úgy tervezték, hogy megkönnyítse a hatékony kommunikációt alacsony energiafogyasztás mellett. Az alacsony energiafogyasztás biztosítja, hogy a távoli eszközök hosszú ideig működjenek, minimális akkumulátor töltéssel vagy karbantartással. A Sigfox lehetővé teszi az IoT kommunikációját nagy távolságokon keresztül, lehetővé téve az átvételt minimális bázisállomásokkal. A Sigfox hálózat mobil stílusú megközelítést alkalmaz annak lehetővé tételére, hogy a távoli csomópontok internetet használhassanak a bázisállomásokkal való kommunikációhoz. Ez megkönnyíti a távvezérlést és az adatgyűjtést a Sigfox csomópontoktól egy széles földrajzi területen, mindaddig, amíg internetkapcsolat van.

A Sigfox jellemzői

Bár a Sigfoxot még 2009-ben vezették be, csak a közelmúltban vált népszerűvé. Ma, az IoT megjelenésével, a Sigfox-ot erősen használják kommunikációs szabványként alacsony fogyasztású eszközök, például intelligens villanyórák, intelligens órák stb. Csatlakoztatásához. Vessünk egy pillantást a Sigfox jellemzőire, amely miatt ez előnyös hálózat.

Nagy hálózati kapacitás

A Sigfox nagy kapacitással rendelkezik, így akár több milliárd objektumot is méretezhet, ennek oka az ultraszűk sávos moduláció, amely az ellenállást és az interferenciával szembeni ellenálló képességet biztosítja. A Sigfox infrastruktúra véletlenszerű hozzáférést használ, amely megkönnyíti a frekvencia és az idő sokféleségét. Az uplink és downlink sávszélesség használata lehetővé teszi a konzisztenciát, függetlenül az alkalmazott rádiós kapcsolattól.

Magas energiahatékonyság

A Sigfox hálózat magas energiahatékonysággal büszkélkedhet, köszönhetően a Sigfox hardver gyártásakor használt alacsony energiafogyasztású félvezetőknek. Ezek a félvezetők lehetővé teszik a Sigfox modulok számára, hogy csak körülbelül 10–50 mA áram mellett továbbítsanak adatokat. A Sigfox hálózati architektúra nem hajtja végre az adatok szinkronizálását az eszközök és a bázisállomás között, mielőtt adatátvitelt folytatna, ez azt jelenti, hogy nincs szükség párosításra. Az eszközök és a bázisállomás közötti párosítás hiánya hosszú akkumulátor-élettartamot biztosít, és előnyt biztosít a Sigfox-nak más technológiákkal szemben. A Sigfox alapjáraton csak néhány nano ampert fogyaszt, ez az energiafogyasztás mértéke elhanyagolható, ami tovább növeli a hatékonyságot.

Hosszú távú

A Sigfox telepítése nagy földrajzi területre terjed ki, minimális számú bázisállomással. A rádiófrekvenciás tartományt (RF) minden adat kimeneti adatsebesség-jelentése alapján becsüljük meg, hosszú tartományt érünk el alacsony adatsebességgel. A nagy hatótávolságú bázisállomások megvalósítása széles körű Sigfox hálózat megvalósítását teszi lehetővé minimális költségek mellett. A Sigfox nagy hatótávolságát megkönnyíti az a tény is, hogy a bázisállomások kevésbé érzékenyek, és az objektumok kimeneti teljesítménye alacsony. Vidéken a Sigfox hálózat átlagosan 30 - 50 km hatótávolságot fed le a minimális interferencia miatt. Azonban azokban a városközpontokban, ahol sok az akadály, a Sigfox hatótávolsága 10 km-re csökken.

Ellenállás az interferenciával szemben

A Sigfox 192 kHz-es Ultra Barrow Band (UNB) technológiát használ, integrálva a bázisállomás +20 dB- es térbeli sokféleségével, ami megkönnyíti egyedülálló zavarásgátló funkcióit. A Sigfox hálózat az Ultra keskeny sávot használja az ipari, tudományos és orvosi (ISM) sávban való működésremivel a szórt spektrumú jeleket az UNB jelek zavarják. Európában az Uplink sávszélessége 100Hz, míg az Egyesült Államokban a sávszélesség meghaladja a 600Hz-t. Az Európai Unió a maximális teljesítményt 25 mW-ra korlátozta. A lefelé irányuló csatorna sávszélessége 1,5KHz, adattartománya 600 bps. A lefelé irányuló kapcsolat tovább korlátozza a maximális teljesítményt 500 mW-ra. A zavarás optimális rugalmassága megkönnyíti a Sigfox hatékony működését az ISM sávban. Ez lehetővé teszi, hogy zavaró jelek alatt is továbbítson. Az alacsony zajszintű átfedés azonban az Ultra-Keskeny sáv belső rugalmasságát váltja ki. Ennek eredményeként egy üzenet továbbításához a jelnek legalább 8 dB-nek kell lennie.

Sigfox hálózati architektúra

A Sigfox hálózati architektúra vízszintes és vékony, 2 rétegű. Az első réteg a hálózati berendezéseket tartalmazza, főleg a bázisállomásokat és más elemeket. Ennek a rétegnek az a célja, hogy üzeneteket fogadjon az IoT-eszközről, és továbbítsa azokat a Sigfox támogatási rendszereknek. Ez a hálózat egy egyugrású csillag topológiával rendelkezik, amely lehetővé teszi az IoT-eszközök csatlakozását a közeli bármely bázisállomáshoz. A második réteg a Sigfox támogatási rendszerahol a bázisállomásokról érkező üzeneteket feldolgozzák és visszahívásokon keresztül küldik az ügyfélrendszernek. Ez a réteg a különböző szereplők, például a Sigfox, a végfelhasználók, a Sigfox üzemeltetői és az ökoszisztéma csatornáinak belépési pontját is biztosítja webes interfészek vagy API-k segítségével. A réteg tárolóval és egyéb eszközökkel rendelkezik a hálózat által összegyűjtött adatok elemzéséhez. A réteg modulokat és szolgáltatásokat is tartalmaz, amelyek támogatják a hálózat telepítését, működését és felügyeletét. A szolgáltatások közé tartozik az üzleti támogatási rendszer (BSS) a számlázáshoz és a rendeléshez, valamint a rádiótervezés a hálózati telepítés és felügyelet támogatásához. A nyilvános internet biztonságos VPN-kapcsolaton keresztül köti össze a két réteget.

Az IoT-eszközökről az adatokat levegőn keresztül továbbítják a bázisállomásokra, majd átmennek a visszafutáson, amely DSL-kapcsolatot és 4G biztonsági mentést használ. A műholdas kapcsolatot biztonsági másolatként használják olyan helyeken, ahol a DSL és a 4G nem érhető el. Az üzenetfeldolgozást a backhaul is kezeli, ezek az üzenetek annyi ismétlésként érkeznek az alaphálózathoz, de csak egy példány van tárolva, amelyhez az ügyfelek webes felületen keresztül férhetnek hozzá.

A Sigfox biztonsága és adatvédelme

Mivel a Sigfox elsődleges fókuszát az IoT-vel kell használni, a hálózatot úgy tervezték, hogy növelje a biztonságot tűzfalak alkalmazásával az adatok mozgásban és nyugalomban történő biztosítása érdekében. Ezt a cikket az IoT Security kihívásairól is olvashatja, hogy jobb ötletet kapjon az IoT-eszközök biztonságáról. Most vessünk egy pillantást a Sigfox különféle biztonsági szolgáltatásaira.

A tűzfal biztonsága

A Sigfox rendelkezik beépített tűzfallal, amely korlátozza az IoT-objektumok csatlakozását vagy az internet-protokollal történő kommunikációt. Az interneten keresztüli kommunikációhoz egy objektum rádióüzenetet küld, amelyet az elérhető hozzáférési állomások vesznek fel. Ezután a hozzáférési állomás továbbítja az üzenetet a Sigfox támogatási rendszernek, amely továbbítja azt a megadott rendeltetési helyre. A Sigfox támogatási rendszer a választ a bázisállomásokon keresztül továbbítja a küldő objektumra is. A biztonsági tűzfal így védi az IoT objektumokat az internethez kapcsolódó támadásoktól.

Adatbiztonság

A Sigfox architektúra olyan biztonsági mechanizmust biztosít, amely garantálja az adatok biztonságos hitelesítését és a visszajátszások elkerülését; emellett extra lehallgatásgátló mechanizmust is biztosít. A Sigfox IoT láncában tárolt hitelesítési kulcsok találhatók, amelyeket az eszközök és az ügyfél tárol, erre a kulcsra lesz szükség a Sigfox rendszer által tárolt adatok eléréséhez. Ennek eredményeként a Sigfox adatkezelési mechanizmusai garantálják a biztonságot a sokféle ökoszisztémában és a különböző helyi szabályozásokban. Minden eszköz hitelesítési kulcsa egyedi, ami azt jelenti, hogy az eszköz hitelesítési biztonsági kulcsának megsértése nem befolyásolja más eszközök biztonságát. Bármely eszköz biztonságát a gyártó döntheti el.

A Sigfox alkalmazása

A Sigfox technológia alkalmas alacsony költségű M2M alkalmazásokra, amelyek széles körű lefedettséggel működnek. Ezek a területek a következők:

• Emberek, áruk vagy más típusú eszközkövetés.
• Intelligens mérési kommunikáció az energiaszektorban.
• M-egészségügyi alkalmazások kommunikációja
• Az autóipari kommunikáció kezelése a közlekedési ágazatban
• Távirányítás és felügyelet.
• Biztonság.

Sigfox modulgyártók

A Murata a vezető Sigfox mikrokontrollerek gyártói közé tartozik. A népszerű Sigfox modulok az ST mikrokontrollerek STM32-alapú vezeték nélküli mikrovezérlőjét és az SX127 Samtech RFIC-t használják. Ezek a mikrovezérlők 860–930 MHz frekvenciatartományban működnek. Ez a frekvenciatartomány támogatja a +14 dBm kimenő teljesítményt, amely gyenge jelterületek esetén +20 dBm-re növelhető.

Modul	Gyártó
WSSFM10R1: RCZ1 (Európa, Közel-Kelet, Afrika)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Következő
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Sigfox hosszabbító kártya Bosch XDK-hoz a 2. és 4. zónához	InnoComm
S-Wing: Sigfox hosszabbító kártya Bosch XDK-hoz a 3. zónához	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm