Εισαγωγή στην τεχνολογία sigfox - βασικά, αρχιτεκτονική και χαρακτηριστικά ασφαλείας

Ο αγώνας για την ασύρματη τεχνολογία ξεκίνησε πολύ το 1890 όταν ο Marconi δημιούργησε τον πρώτο ραδιοφωνικό σταθμό στον κόσμο και εισήγαγε ασύρματη τηλεγραφία, η οποία επαναπροσδιορίζει πλήρως τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αντάλλαξαν πληροφορίες τότε. Σήμερα, έχουμε προχωρήσει με πολλές νέες τεχνολογίες κινητής τηλεφωνίας για τη μετάδοση μεγάλου όγκου δεδομένων ασύρματα σε οποιονδήποτε ζει ακόμη και στη βαθύτερη γωνία της Γης. Όμως, πρόσφατα δεν είναι μόνο οι άνθρωποι που πρέπει να επικοινωνούν μεταξύ τους. Οι μηχανές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές έχουν επίσης αρχίσει να ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους για τη δημιουργία ενός συνδεδεμένου δικτύου. Αυτές οι συσκευές λειτουργούν ως επί το πλείστον με μπαταρία από απομακρυσμένη τοποθεσία, αναγκάζοντάς την να επικοινωνεί για μεγάλη απόσταση με την ελάχιστη δυνατή ισχύ. Αυτή η απαίτηση προκάλεσε την ανάγκη για νέες τεχνολογίες επικοινωνίας όπως ZigBee, LoRa, Sigfox κ.λπ. Έχουμε ήδη συζητήσει για το τι είναι LoRa στο προηγούμενο άρθρο μας και ως εκ τούτου σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε για ένα παρόμοιο πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας που ονομάζεται Sigfox και τη σημασία του συνδεδεμένη τεχνολογία.

Τι είναι η τεχνολογία Sigfox

Το Sigfox είναι μια ασύρματη επικοινωνία κινητής τηλεφωνίας μεγάλης εμβέλειας που προσφέρει προσαρμοσμένες λύσεις κυρίως για εφαρμογές Internet of Things χαμηλής απόδοσης (IoT) και M2M, αξιοποιώντας τις υπηρεσίες σύνδεσης IoT από άκρο σε άκρο χρησιμοποιώντας τις πατενταρισμένες τεχνολογίες της. Το πρωτόκολλο δικτύου Sigfox διαθέτει κατοχυρωμένους με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σταθμούς βάσης που είναι ενσωματωμένοι με ραδιόφωνα καθορισμένα από λογισμικό. Οι τελικές συσκευές χρησιμοποιούν διαμόρφωση δυαδικής αλλαγής φάσης (BPSK) για σύνδεση με τους σταθμούς βάσης.

Το δίκτυο Sigfox έχει σχεδιαστεί για να διευκολύνει την αποτελεσματική επικοινωνία σχετικά με τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας διασφαλίζει ότι οι απομακρυσμένες συσκευές λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με ελάχιστη φόρτιση ή συντήρηση μπαταρίας. Το Sigfox επιτρέπει την επικοινωνία IoT σε μεγάλες αποστάσεις καθιστώντας δυνατή τη μετάδοση με ελάχιστους σταθμούς βάσης. Το δίκτυο Sigfox χρησιμοποιεί προσέγγιση κυψελοειδούς στυλ για να επιτρέπει στους απομακρυσμένους κόμβους να χρησιμοποιούν το Διαδίκτυο για επικοινωνία με σταθμούς βάσης. Αυτό διευκολύνει το τηλεχειριστήριο και τη συλλογή δεδομένων από τους κόμβους Sigfox σε μια ευρεία γεωγραφική περιοχή, εφόσον υπάρχει σύνδεση στο Διαδίκτυο.

Χαρακτηριστικά του Sigfox

Αν και το Sigfox κυκλοφόρησε το 2009, μόλις πρόσφατα κέρδισε δημοτικότητα. Σήμερα με την έλευση του IoT, το Sigfox χρησιμοποιείται ιδιαίτερα ως πρότυπο επικοινωνίας για τη σύνδεση συσκευών χαμηλής ισχύος, όπως έξυπνοι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας, έξυπνα ρολόγια κ.λπ. Ας ρίξουμε μια ματιά στα χαρακτηριστικά του Sigfox που το καθιστούν ως προτιμώμενο δίκτυο.

Υψηλή χωρητικότητα δικτύου

Το Sigfox έχει μεγάλη χωρητικότητα που του επιτρέπει να κλιμακώσει έως και δισεκατομμύρια αντικείμενα, αυτό οφείλεται στην εξαιρετικά στενή διαμόρφωση ζώνης που φιλοξενεί αντίσταση και ανθεκτικότητα σε παρεμβολές. Η υποδομή Sigfox χρησιμοποιεί τυχαία πρόσβαση που διευκολύνει τη συχνότητα και την ποικιλία χρόνου. Η χρήση εύρους ζώνης άνω ζεύξης και κάτω ζεύξης επιτρέπει τη συνέπεια ανεξάρτητα από τον ραδιοζεύκτη που χρησιμοποιείται.

Υψηλή ενεργειακή απόδοση

Το δίκτυο Sigfox διαθέτει υψηλή ενεργειακή απόδοση, χάρη στους ημιαγωγούς χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας που χρησιμοποιούνται κατά την κατασκευή του υλικού Sigfox. Αυτοί οι ημιαγωγοί επιτρέπουν στις μονάδες Sigfox να μεταδίδουν δεδομένα με ρεύμα μόνο περίπου 10mA - 50mA. Η αρχιτεκτονική του δικτύου Sigfox δεν εκτελεί συγχρονισμό μηνυμάτων μεταξύ των συσκευών και του σταθμού βάσης πριν από τη διεξαγωγή μετάδοσης δεδομένων, αυτό σημαίνει ότι δεν απαιτείται αντιστοίχιση. Η έλλειψη σύζευξης μεταξύ των συσκευών και του σταθμού βάσης προσφέρει μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και δίνει το Sigfox πλεονέκτημα έναντι άλλων τεχνολογιών. Το Sigfox καταναλώνει μόνο μερικά νανοαμπέρ όταν είναι αδρανές, αυτός ο ρυθμός κατανάλωσης ενέργειας είναι αμελητέος, ενισχύοντας περαιτέρω την απόδοση.

Μεγάλης εμβέλειας

Η ανάπτυξη του Sigfox καλύπτει μια μεγάλη γεωγραφική περιοχή με ελάχιστο αριθμό σταθμών βάσης. Το εύρος ραδιοσυχνοτήτων (RF) υπολογίζεται από την έννοια του ρυθμού δεδομένων για κάθε έξοδο, το μεγάλο εύρος επιτυγχάνεται με χαμηλό ρυθμό δεδομένων. Η εφαρμογή σταθμών βάσης μεγάλης εμβέλειας επιτρέπει την υλοποίηση ενός ευρέος φάσματος δικτύου Sigfox με ελάχιστο κόστος. Η μεγάλη εμβέλεια του Sigfox διευκολύνεται επίσης από το γεγονός ότι οι σταθμοί βάσης έχουν λιγότερη ευαισθησία και τα αντικείμενα έχουν χαμηλή ισχύ εξόδου. Στις αγροτικές περιοχές, ένα δίκτυο Sigfox καλύπτει ένα μέσο εύρος 30km - 50km λόγω ελάχιστων παρεμβολών. Ωστόσο, σε κέντρα πόλεων όπου υπάρχει μεγάλη απόφραξη, το εύρος Sigfox μειώνεται στα 10 χιλιόμετρα.

Ανθεκτικότητα σε παρεμβολές

Το Sigfox χρησιμοποιεί 192KHz Ultra Barrow Band (UNB) ενσωματωμένο στη χωρική ποικιλομορφία του σταθμού βάσης +20 dB που διευκολύνει τα μοναδικά χαρακτηριστικά του κατά της παρεμβολής. Το δίκτυο Sigfox χρησιμοποιεί το Ultra Narrow Band για να λειτουργεί στη ζώνη Industrial, Scientific and Medical (ISM)δεδομένου ότι τα σήματα φάσματος εξάπλωσης παρεμβάλλονται από σήματα UNB. Στην Ευρώπη, το Uplink έχει εύρος ζώνης 100Hz ενώ στις ΗΠΑ το εύρος ζώνης υπερβαίνει τα 600Hz. Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει περιορίσει τη μέγιστη ισχύ στα 25mW. Το downlink έχει εύρος ζώνης καναλιού 1,5KHz και εύρος δεδομένων 600 bps. Η κάτω ζεύξη περιορίζει περαιτέρω τη μέγιστη ισχύ εξόδου στα 500mW. Η βέλτιστη ανθεκτικότητα παρέμβασης διευκολύνει το Sigfox να λειτουργεί αποτελεσματικά στη ζώνη ISM. Αυτό του επιτρέπει να μεταδίδει ακόμη και με σήματα μπλοκαρίσματος. Ωστόσο, η επικάλυψη χαμηλού θορύβου προκαλεί εγγενή ανθεκτικότητα στη ζώνη Ultra-Narrow. Ως αποτέλεσμα, για να μεταδοθεί ένα μήνυμα, το σήμα θα πρέπει να έχει τουλάχιστον 8 dB.

Αρχιτεκτονική δικτύου Sigfox

Η αρχιτεκτονική δικτύου Sigfox είναι οριζόντια και λεπτή και έχει 2 επίπεδα. Το πρώτο επίπεδο αποτελείται από τον εξοπλισμό δικτύου κυρίως τους σταθμούς βάσης και άλλα στοιχεία. Ο σκοπός αυτού του επιπέδου είναι να λαμβάνει μηνύματα από τη διαφήμιση της συσκευής IoT και να τα μεταδίδει στα συστήματα υποστήριξης Sigfox. Αυτό το δίκτυο έχει μια τοπολογία αστέρι ενός hop που επιτρέπει στις συσκευές IoT να συνδέονται με οποιονδήποτε σταθμό βάσης κοντά του. Το δεύτερο επίπεδο είναι το Σύστημα Υποστήριξης Sigfoxόπου τα μηνύματα από τους σταθμούς βάσης επεξεργάζονται και αποστέλλονται μέσω κλήσεων στο σύστημα πελατών. Αυτό το επίπεδο παρέχει επίσης το σημείο εισόδου των διαφόρων παραγόντων όπως το Sigfox, οι τελικοί πελάτες, οι χειριστές Sigfox και τα κανάλια στο οικοσύστημα χρησιμοποιώντας διεπαφές Ιστού ή API. Το επίπεδο έχει αποθετήριο και άλλα εργαλεία για την ανάλυση των δεδομένων που συλλέγονται από το δίκτυο. Το επίπεδο περιέχει επίσης λειτουργικές μονάδες και λειτουργίες που υποστηρίζουν την ανάπτυξη, τη λειτουργία και την παρακολούθηση του δικτύου. Οι λειτουργίες περιλαμβάνουν το Σύστημα Υποστήριξης Επιχειρήσεων (BSS) για χρέωση και παραγγελία και Ραδιοφωνικό σχεδιασμό για την υποστήριξη ανάπτυξης και παρακολούθησης δικτύου. Το δημόσιο Διαδίκτυο συνδέει τα δύο επίπεδα μέσω ασφαλών συνδέσεων VPN.

Τα δεδομένα από τις συσκευές IoT αποστέλλονται αεροπορικώς στους σταθμούς βάσης και μετά περνούν από το backhaul που χρησιμοποιεί συνδεσιμότητα DSL με αντίγραφο ασφαλείας 4G. Η δορυφορική συνδεσιμότητα χρησιμοποιείται ως αντίγραφο ασφαλείας σε μέρη όπου τα DSL και 4G δεν είναι διαθέσιμα. Η επεξεργασία μηνυμάτων αντιμετωπίζεται επίσης από το backhaul, αυτά τα μηνύματα φτάνουν στο κεντρικό δίκτυο όσες πολλές επαναλήψεις αλλά αποθηκεύονται μόνο ένα αντίγραφο στο οποίο μπορούν να έχουν πρόσβαση οι πελάτες μέσω μιας διεπαφής Ιστού.

Ασφάλεια και απόρρητο του Sigfox

Δεδομένου ότι η κύρια εστίαση του Sigfox πρόκειται να χρησιμοποιηθεί με το IoT, το δίκτυο έχει σχεδιαστεί για να ενισχύει την ασφάλεια εφαρμόζοντας τείχη προστασίας για την ασφάλεια των δεδομένων σε κίνηση και σε ηρεμία. Μπορείτε επίσης να διαβάσετε αυτό το άρθρο σχετικά με τις προκλήσεις ασφάλειας IoT για να πάρετε μια καλύτερη ιδέα σχετικά με τον τρόπο ασφάλειας των συσκευών IoT σας. Τώρα ας ρίξουμε μια ματιά στις διαφορετικές δυνατότητες ασφαλείας στο Sigfox.

Ασφάλεια τείχους προστασίας

Το Sigfox διαθέτει ένα ενσωματωμένο τείχος προστασίας που περιορίζει τα αντικείμενα IoT για σύνδεση ή επικοινωνία χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο διαδικτύου. Για να επικοινωνήσει μέσω Διαδικτύου, ένα αντικείμενο στέλνει ένα ραδιοφωνικό μήνυμα που λαμβάνεται από τους διαθέσιμους σταθμούς πρόσβασης. Στη συνέχεια, ο σταθμός πρόσβασης μεταδίδει το μήνυμα στο σύστημα υποστήριξης Sigfox που με τη σειρά του το μεταδίδει στον καθορισμένο προορισμό. Το σύστημα υποστήριξης Sigfox μεταδίδει επίσης την απόκριση στο αντικείμενο αποστολέα μέσω των σταθμών βάσης. Το τείχος προστασίας ασφαλείας προστατεύει έτσι τα αντικείμενα IoT από επιθέσεις που σχετίζονται με το Διαδίκτυο.

Ασφάλεια δεδομένων

Η αρχιτεκτονική του Sigfox παρέχει έναν μηχανισμό ασφαλείας που εγγυάται ασφαλή έλεγχο ταυτότητας δεδομένων και αποφυγή επανάληψης. Παρέχει επίσης έναν επιπλέον μηχανισμό κατά της υποκλοπής. Η αλυσίδα IoT του Sigfox περιλαμβάνει κλειδιά ελέγχου ταυτότητας που αποθηκεύονται από συσκευές και τον πελάτη, αυτό το κλειδί θα απαιτείται για την πρόσβαση στα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα από το σύστημα Sigfox Ως αποτέλεσμα, οι μηχανισμοί δεδομένων της Sigfox εγγυώνται την ασφάλεια εντός του διαφορετικού οικοσυστήματος και των διαφορετικών τοπικών κανονισμών. Το κλειδί ελέγχου ταυτότητας για κάθε συσκευή είναι μοναδικό που σημαίνει ότι ο συμβιβασμός του κλειδιού ασφαλείας ελέγχου ταυτότητας μιας συσκευής δεν επηρεάζει την ασφάλεια άλλων συσκευών. Ωστόσο, η ασφάλεια οποιασδήποτε συσκευής επαφίεται στη διακριτική ευχέρεια του κατασκευαστή.

Εφαρμογή του Sigfox

Η τεχνολογία Sigfox είναι κατάλληλη για εφαρμογές χαμηλού κόστους M2M που λειτουργούν σε ευρεία περιοχή Αυτές οι περιοχές περιλαμβάνουν:

• Άτομα, αγαθά ή άλλου είδους παρακολούθηση στοιχείων.
• Έξυπνη επικοινωνία μέτρησης στον ενεργειακό τομέα.
• Επικοινωνία των εφαρμογών mHealth
• Διαχείριση επικοινωνιών αυτοκινήτων στον τομέα των μεταφορών
• Τηλεχειριστήριο και παρακολούθηση.
• Ασφάλεια.

Κατασκευαστές μονάδων Sigfox

Η Murata είναι από τους κορυφαίους κατασκευαστές μικροελεγκτών Sigfox. Οι δημοφιλείς ενότητες Sigfox χρησιμοποιούν την ασύρματη μικροελεγκτή STM32 με βάση το από το ST Μικροελεγκτές, αλλά και την SX127 Samtech RFIC. Αυτοί οι μικροελεγκτές λειτουργούν σε εύρος συχνοτήτων 860-930 MHz. Αυτό το εύρος συχνοτήτων υποστηρίζει ισχύ εξόδου +14 dBm που μπορεί να βελτιωθεί στα +20 dBm σε περίπτωση κακών περιοχών σήματος.

Μονάδα μέτρησης	Κατασκευαστής
WSSFM10R1: RCZ1 (Ευρώπη, Μέση Ανατολή, Αφρική)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Επόμενο
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Πλακέτα επέκτασης Sigfox για Bosch XDK για Ζώνη 2 & 4	InnoComm
S-Wing: Πίνακας επέκτασης Sigfox για Bosch XDK για τη ζώνη 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm