Wprowadzenie do technologii Sigfox - podstawy, architektura i funkcje bezpieczeństwa

Wyścig o technologię bezprzewodową rozpoczął się dawno w 1890 roku, kiedy Marconi zbudował pierwszą na świecie stację radiową i wprowadził telegrafię bezprzewodową, która całkowicie zmieniła sposób, w jaki ludzie wymieniali wówczas informacje. Obecnie rozwinęliśmy wiele nowych technologii komórkowych, aby bezprzewodowo przesyłać duże ilości danych do każdego, kto mieszka nawet w najgłębszym zakątku Ziemi. Ale ostatnio nie tylko ludzie muszą się między sobą komunikować. Maszyny i inne urządzenia elektroniczne również zaczęły wymieniać informacje między sobą w celu ustanowienia połączonej sieci. Urządzenia te działają głównie na baterii z odległej lokalizacji, zmuszając ją do komunikacji na duże odległości przy minimalnej możliwej mocy. Wymóg ten wywołał potrzebę nowych technologii komunikacyjnych, takich jak ZigBee, LoRa, Sigfox itp. Omówiliśmy już, czym jest LoRa w naszym poprzednim artykule, dlatego w tym artykule dowiemy się o podobnym protokole komunikacji bezprzewodowej o nazwie Sigfox i jego znaczeniu w połączona technologia.

Czym jest technologia Sigfox

Sigfox to komórkowa komunikacja bezprzewodowa dalekiego zasięgu, która oferuje niestandardowe rozwiązania głównie dla aplikacji Internetu rzeczy (IoT) i M2M o niskiej przepustowości, korzystając z kompleksowych usług łączności IoT przy użyciu opatentowanych technologii. Protokół sieciowy Sigfox posiada opatentowane stacje bazowe, które są zintegrowane z radiotelefonami definiowanymi programowo. Urządzenia końcowe łączą się ze stacjami bazowymi za pomocą binarnej modulacji z kluczowaniem fazowym (BPSK).

Sieć Sigfox została zaprojektowana w celu ułatwienia efektywnej komunikacji przy niskim zużyciu energii. Niskie zużycie energii zapewnia, że ​​zdalne urządzenia działają przez długi czas przy minimalnym ładowaniu lub konserwacji baterii. Sigfox umożliwia komunikację IoT na duże odległości, umożliwiając transmisję przy minimalnej liczbie stacji bazowych. Sieć Sigfox wykorzystuje podejście komórkowe, aby umożliwić zdalnym węzłom korzystanie z Internetu do komunikacji ze stacjami bazowymi. Ułatwia to zdalne sterowanie i zbieranie danych z węzłów Sigfox na dużym obszarze geograficznym, o ile istnieje połączenie internetowe.

Funkcje Sigfox

Chociaż Sigfox został wprowadzony w 2009 roku, dopiero niedawno zyskał popularność. Dzisiaj, wraz z pojawieniem się IoT, Sigfox jest szeroko stosowany jako standard komunikacyjny do łączenia urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak inteligentne liczniki energii elektrycznej, inteligentne zegarki itp. Przyjrzyjmy się funkcjom Sigfox, które sprawiają, że jest to preferowana sieć.

Wysoka przepustowość sieci

Sigfox ma dużą pojemność, która pozwala na skalowanie do miliardów obiektów, jest to spowodowane modulacją ultra-wąskiego pasma, która zapewnia odporność i odporność na zakłócenia. Infrastruktura Sigfox wykorzystuje dostęp losowy, który ułatwia zróżnicowanie częstotliwości i czasu. Wykorzystanie szerokości pasma łącza w górę i łącza w dół zapewnia spójność niezależnie od używanego łącza radiowego.

Wysoka efektywność energetyczna

Sieć Sigfox może pochwalić się wysoką wydajnością energetyczną dzięki energooszczędnym półprzewodnikom, które są używane do produkcji sprzętu Sigfox. Te półprzewodniki umożliwiają modułom Sigfox przesyłanie danych przy prądzie jedynie około 10 - 50 mA. Architektura sieci Sigfox nie wykonuje synchronizacji komunikatów między urządzeniami a stacją bazową przed rozpoczęciem transmisji danych, co oznacza, że nie jest wymagane parowanie. Brak parowania między urządzeniami a stacją bazową zapewnia długą żywotność baterii i daje Sigfoxowi przewagę nad innymi technologiami. Sigfox zużywa tylko kilka nanoamperów w stanie bezczynności, ten wskaźnik zużycia energii jest pomijalny, co dodatkowo zwiększa wydajność.

Daleki zasięg

Wdrożenie Sigfox obejmuje duży obszar geograficzny z minimalną liczbą stacji bazowych. Zakres częstotliwości radiowych (RF) jest szacowany na podstawie szybkości transmisji danych, co oznacza dla każdego wyjścia, duży zasięg uzyskuje się przy niskiej szybkości transmisji danych. Wdrożenie stacji bazowych dalekiego zasięgu umożliwia wdrożenie szerokopasmowej sieci Sigfox przy minimalnych kosztach. Daleki zasięg Sigfoxa jest również ułatwiony dzięki temu, że stacje bazowe mają mniejszą czułość, a obiekty mają niską moc wyjściową. Na obszarach wiejskich sieć Sigfox obejmuje średni zasięg od 30 km do 50 km ze względu na minimalne zakłócenia. Jednak w centrach miast, gdzie jest dużo przeszkód, zasięg Sigfox zmniejsza się do 10 km.

Odporność na zakłócenia

Sigfox wykorzystuje pasmo 192 kHz Ultra Barrow Band (UNB) zintegrowane z przestrzennym zróżnicowaniem stacji bazowej +20 dB, co ułatwia jego unikalne funkcje przeciwzakłóceniowe. Sieć Sigfox wykorzystuje Ultra Narrow Band do pracy w paśmie przemysłowym, naukowym i medycznym (ISM)ponieważ sygnały o widmie rozproszonym są zakłócane przez sygnały UNB. W Europie łącze Uplink ma szerokość pasma 100 Hz, podczas gdy w USA przepustowość przekracza 600 Hz. Unia Europejska ograniczyła maksymalną moc do 25 mW. Łącze w dół ma szerokość pasma 1,5 kHz i zakres danych 600 b / s. Łącze w dół dodatkowo ogranicza maksymalną moc wyjściową do 500 mW. Optymalna odporność na zakłócenia ułatwia Sigfoxowi efektywne funkcjonowanie w paśmie ISM. Pozwala to na przesyłanie nawet przy zakłócaniu sygnałów. Jednak niskie nakładanie się szumów wywołuje wewnętrzną wytrzymałość pasma Ultra-Narrow. W rezultacie, aby wiadomość mogła zostać przesłana, sygnał powinien mieć co najmniej 8 dB.

Architektura sieci Sigfox

Architektura sieci Sigfox jest pozioma i cienka oraz ma 2 warstwy. Warstwa pierwsza obejmuje sprzęt sieciowy, głównie stacje bazowe i inne elementy. Celem tej warstwy jest odbieranie wiadomości z urządzenia IoT i przesyłanie ich do systemów wsparcia Sigfox. Ta sieć ma topologię jednoskokową, umożliwiającą urządzeniom IoT łączenie się z dowolną stacją bazową w pobliżu. Druga warstwa to Sigfox Support Systemgdzie komunikaty ze stacji bazowych są przetwarzane i wysyłane poprzez oddzwaniania do systemu klienta. Ta warstwa zapewnia również punkt wejścia dla różnych podmiotów, takich jak Sigfox, klienci końcowi, operatorzy Sigfox i kanały do ​​ekosystemu za pomocą interfejsów internetowych lub API. Warstwa posiada repozytorium i inne narzędzia do analizy danych gromadzonych przez sieć. Warstwa zawiera również moduły i funkcje obsługujące wdrażanie, obsługę i monitorowanie sieci. Funkcje obejmują system wsparcia biznesowego (BSS) do fakturowania i zamawiania oraz planowanie radiowe do wspierania wdrażania i monitorowania sieci. Publiczny internet łączy dwie warstwy za pośrednictwem bezpiecznych połączeń VPN.

Dane z urządzeń IoT są przesyłane drogą powietrzną do stacji bazowych, a następnie przechodzą przez backhaul, który wykorzystuje łączność DSL z kopią zapasową 4G. Łączność satelitarna służy jako kopia zapasowa w miejscach, w których DSL i 4G nie są dostępne. Przetwarzanie wiadomości jest również obsługiwane przez backhaul, wiadomości te docierają do sieci rdzeniowej w tylu replikach, ale tylko jedna kopia jest przechowywana, do której klienci mają dostęp za pośrednictwem interfejsu internetowego.

Bezpieczeństwo i prywatność Sigfox

Ponieważ Sigfox ma być używany z IoT, sieć została zaprojektowana w celu zwiększenia bezpieczeństwa poprzez wdrożenie zapór ogniowych w celu zabezpieczenia danych w ruchu i w spoczynku. Możesz również przeczytać ten artykuł na temat wyzwań związanych z bezpieczeństwem IoT, aby uzyskać lepszy pomysł na zabezpieczenie urządzeń IoT. Przyjrzyjmy się teraz różnym funkcjom zabezpieczeń w Sigfox.

Bezpieczeństwo zapory

Sigfox ma wbudowaną zaporę ogniową, która ogranicza obiektom IoT łączenie się lub komunikację przy użyciu protokołu internetowego. Aby komunikować się przez Internet, obiekt wysyła wiadomość radiową, która jest odbierana przez dostępne stacje dostępowe. Stacja dostępowa przekazuje następnie wiadomość do systemu wsparcia Sigfox, który z kolei przesyła ją do określonego miejsca docelowego. System wsparcia Sigfox przesyła również odpowiedź do obiektu nadawcy poprzez stacje bazowe. W ten sposób zapora zabezpieczająca chroni obiekty IoT przed atakami związanymi z Internetem.

Ochrona danych

Architektura Sigfox zapewnia mechanizm bezpieczeństwa, który gwarantuje bezpieczne uwierzytelnianie danych i unikanie powtórek; zapewnia również dodatkowy mechanizm zapobiegający podsłuchiwaniu. Łańcuch IoT Sigfox obejmuje klucze uwierzytelniające przechowywane przez urządzenia i klienta, klucz ten będzie potrzebny do uzyskania dostępu do danych przechowywanych przez system Sigfox. W rezultacie mechanizmy danych Sigfox gwarantują bezpieczeństwo w ramach zróżnicowanego ekosystemu i różnych przepisów lokalnych. Klucz uwierzytelniania dla każdego urządzenia jest unikalny, co oznacza, że ​​złamanie klucza uwierzytelniania urządzenia nie wpływa na bezpieczeństwo innych urządzeń. Jednak bezpieczeństwo dowolnego urządzenia pozostaje w gestii producenta.

Zastosowanie Sigfox

Technologia Sigfox jest odpowiednia dla tanich aplikacji M2M, które działają na dużym obszarze. Obszary te obejmują;

• Śledzenie osób, towarów lub innego rodzaju zasobów.
• Komunikacja inteligentnych pomiarów w energetyce.
• Komunikacja aplikacji m-zdrowia
• Zarządzanie komunikacją samochodową w branży transportowej
• Zdalne sterowanie i monitorowanie.
• Bezpieczeństwo.

Producenci modułów Sigfox

Murata jest jednym z wiodących producentów mikrokontrolerów Sigfox. Popularne moduły Sigfox wykorzystują bezprzewodowy mikrokontroler oparty na STM32 firmy ST Microcontrollers, a także SX127 Samtech RFIC. Te mikrokontrolery działają w zakresie częstotliwości 860-930 MHz. Ten zakres częstotliwości obsługuje moc wyjściową +14 dBm, którą można zwiększyć do +20 dBm w przypadku obszarów o słabym sygnale.

Moduł	Producent
WSSFM10R1: RCZ1 (Europa, Bliski Wschód, Afryka)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Next
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Płytka rozszerzająca Sigfox do Bosch XDK dla Strefy 2 i 4	InnoComm
S-Wing: karta rozszerzeń Sigfox do Bosch XDK dla strefy 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm