Введение в технологию sigfox - основы, архитектура и функции безопасности

Гонка за беспроводными технологиями началась еще в 1890-х годах, когда Маркони построил первую в мире радиостанцию ​​и представил беспроводной телеграф, который полностью изменил то, как люди обменивались информацией в то время. Сегодня мы разработали множество новых сотовых технологий для беспроводной передачи большого количества данных любому, кто живет даже в самых глубоких уголках Земли. Но в последнее время не только люди должны общаться между собой. Машины и другие электронные устройства также начали обмениваться информацией друг с другом для создания связанной сети.. Эти устройства в основном работают от аккумулятора из удаленного места, заставляя его общаться на большом расстоянии с минимально возможной мощностью. Это требование вызвало необходимость в новых коммуникационных технологиях, таких как ZigBee, LoRa, Sigfox и т. Д. Мы уже обсуждали, что такое LoRa, в нашей предыдущей статье, и поэтому в этой статье мы узнаем об аналогичном протоколе беспроводной связи под названием Sigfox и его значении в подключенные технологии.

Что такое технология Sigfox

Sigfox - это сотовая беспроводная связь на большие расстояния, которая предлагает индивидуальные решения в первую очередь для приложений Интернета вещей (IoT) и M2M с низкой пропускной способностью, предоставляя услуги сквозного подключения IoT с использованием запатентованных технологий. Сетевой протокол Sigfox имеет запатентованные базовые станции, которые интегрированы с программно определяемыми радиостанциями. Конечные устройства используют модуляцию двоичной фазовой манипуляции (BPSK) для подключения к базовым станциям.

Сеть Sigfox была разработана для облегчения эффективной связи при низком энергопотреблении. Низкое энергопотребление обеспечивает длительную работу удаленных устройств при минимальной зарядке аккумулятора или обслуживании. Sigfox обеспечивает связь IoT на больших расстояниях, что позволяет передавать с минимальным количеством базовых станций. Сеть Sigfox использует подход сотового стиля, чтобы позволить удаленным узлам использовать Интернет для связи с базовыми станциями. Это облегчает удаленное управление и сбор данных с узлов Sigfox в широком географическом районе при наличии подключения к Интернету.

Особенности Sigfox

Хотя Sigfox был представлен еще в 2009 году, до недавнего времени он не стал популярным. Сегодня, с появлением Интернета вещей, Sigfox широко используется в качестве стандарта связи для подключения маломощных устройств, таких как смарт-счетчики электроэнергии, смарт-часы и т. Д. Давайте взглянем на особенности Sigfox, которые делают его предпочтительной сетью.

Высокая пропускная способность сети

Sigfox обладает высокой пропускной способностью, которая позволяет масштабировать его до миллиардов объектов, благодаря сверхузкой полосе модуляции, которая обеспечивает устойчивость и устойчивость к помехам. Инфраструктура Sigfox использует произвольный доступ, что обеспечивает частотное и временное разнесение. Использование полосы пропускания восходящей и нисходящей линий связи обеспечивает согласованность независимо от используемой радиолинии.

Высокая энергоэффективность

Сеть Sigfox может похвастаться высокой энергоэффективностью благодаря полупроводникам с низким энергопотреблением, которые используются при производстве оборудования Sigfox. Эти полупроводники позволяют модули Sigfox к данным передачи с только около 10 мА - 50 мА тока. Сетевая архитектура Sigfox не выполняет синхронизацию сообщений между устройствами и базовой станцией перед передачей данных, это означает, что согласование не требуется. Отсутствие сопряжения между устройствами и базовой станцией обеспечивает длительное время автономной работы и дает Sigfox преимущество перед другими технологиями. В простое Sigfox потребляет всего несколько наноампер, этот уровень энергопотребления незначителен, что еще больше повышает эффективность.

Большой диапазон

Развертывание Sigfox охватывает большую географическую область с минимальным количеством базовых станций. Радиочастотный диапазон (RF) оценивается по значению скорости передачи данных для каждого выхода, большой диапазон достигается с низкой скоростью передачи данных. Внедрение базовых станций дальнего действия позволяет реализовать широкополосную сеть Sigfox с минимальными затратами. Большой радиус действия Sigfox также облегчается тем фактом, что базовые станции имеют меньшую чувствительность, а объекты имеют низкую выходную мощность. В сельской местности сеть Sigfox покрывает средний диапазон 30-50 км из-за минимальных помех. Однако в центрах городов, где много препятствий, радиус действия Sigfox сокращается до 10 км.

Устойчивость к помехам

Sigfox использует 192 кГц Ultra Barrow Band (UNB), интегрированный с пространственным разнесением базовой станции +20 дБ, что обеспечивает его уникальные функции защиты от помех. Сеть Sigfox использует сверхузкий диапазон для работы в промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне.поскольку сигналы с расширенным спектром мешают сигналам UNB. В Европе полоса пропускания восходящего канала составляет 100 Гц, в то время как в США полоса пропускания превышает 600 Гц. Европейский Союз ограничил максимальную мощность 25 мВт. Нисходящая линия связи имеет полосу пропускания канала 1,5 кГц и диапазон данных 600 бит / с. Нисходящая линия связи дополнительно ограничивает максимальную выходную мощность до 500 мВт. Оптимальная устойчивость к помехам позволяет Sigfox эффективно работать в диапазоне ISM. Это позволяет ему вести передачу даже при помехах. Однако малошумное перекрытие придает исключительную надежность сверхузкой полосе частот. В результате для передачи сообщения уровень сигнала должен быть не менее 8 дБ.

Сетевая архитектура Sigfox

Сетевая архитектура Sigfox является горизонтальной, тонкой и имеет 2 уровня. Первый уровень состоит из сетевого оборудования, в основном базовых станций и других элементов. Цель этого уровня - получать сообщения от устройства IoT и передавать их в системы поддержки Sigfox. Эта сеть имеет звездообразную топологию с одним переходом, позволяющую устройствам IoT подключаться к любой базовой станции рядом с ней. Второй уровень - это система поддержки Sigfox.где сообщения от базовых станций обрабатываются и отправляются через обратные вызовы в систему клиента. Этот уровень также обеспечивает точку входа для различных участников, таких как Sigfox, конечных клиентов, операторов Sigfox и каналов в экосистему с помощью веб-интерфейсов или API. На уровне есть репозиторий и другие инструменты для анализа данных, собираемых сетью. Уровень также содержит модули и функции, которые поддерживают развертывание, работу и мониторинг сети. Функции включают в себя систему поддержки бизнеса (BSS) для выставления счетов и заказа, а также планирование радиосвязи для поддержки развертывания и мониторинга сети. Общедоступный Интернет соединяет два уровня через безопасные соединения VPN.

Данные с устройств IoT отправляются по воздуху на базовые станции, а затем проходят транзитную связь, которая использует подключение DSL с резервным копированием 4G. Спутниковая связь используется в качестве резервного там, где недоступны DSL и 4G. Обработка сообщений также осуществляется транзитным рейсом, эти сообщения поступают в базовую сеть в виде множества реплик, но сохраняется только одна копия, к которой клиенты могут получить доступ через веб-интерфейс.

Безопасность и конфиденциальность Sigfox

Поскольку основной задачей Sigfox является использование с IoT, сеть была разработана для повышения безопасности за счет внедрения брандмауэров для защиты данных в движении и в состоянии покоя. Вы также можете прочитать эту статью о проблемах безопасности Интернета вещей, чтобы лучше понять, как защитить свои устройства Интернета вещей. Теперь давайте посмотрим на различные функции безопасности в Sigfox.

Безопасность межсетевого экрана

Sigfox имеет встроенный брандмауэр, который ограничивает объекты Интернета вещей для подключения или обмена данными с использованием интернет-протокола. Для связи через Интернет объект отправляет радиосообщение, которое принимается доступными станциями доступа. Затем станция доступа ретранслирует сообщение в систему поддержки Sigfox, которая, в свою очередь, передает его указанному адресату. Система поддержки Sigfox также передает ответ объекту-отправителю через базовые станции. Таким образом, брандмауэр безопасности защищает объекты Интернета вещей от атак, связанных с Интернетом.

Безопасность данных

Архитектура Sigfox предоставляет механизм безопасности, который гарантирует безопасную аутентификацию данных и предотвращение повторного воспроизведения; он также обеспечивает дополнительный механизм защиты от подслушивания. Цепочка IoT Sigfox включает ключи аутентификации, которые хранятся на устройствах и у клиента, этот ключ потребуется для доступа к данным, хранящимся в системе Sigfox. В результате механизмы данных Sigfox гарантируют безопасность в рамках разнообразной экосистемы и различных местных правил. Ключ аутентификации для каждого устройства уникален, что означает, что компрометация ключа безопасности аутентификации устройства не влияет на безопасность других устройств. Однако безопасность любого устройства оставлена ​​на усмотрение производителя.

Применение Sigfox

Технология Sigfox подходит для недорогих приложений M2M, которые работают в широком диапазоне покрытия. Эти области включают:

• Отслеживание людей, товаров или других активов.
• Интеллектуальная измерительная связь в энергетическом секторе.
• Коммуникация приложений мобильного здравоохранения
• Управление автомобильной связью в транспортной сфере
• Удаленный контроль и мониторинг.
• Безопасность.

Производители модулей Sigfox

Murata входит в число ведущих производителей микроконтроллеров Sigfox. В популярных модулях Sigfox используется беспроводной микроконтроллер на базе STM32 от ST Microcontrollers, а также SX127 Samtech RFIC. Эти микроконтроллеры работают в диапазоне частот 860-930 МГц. Этот частотный диапазон поддерживает выходную мощность +14 дБм, которая может быть увеличена до +20 дБм в случае областей с плохим сигналом.

Модуль	Производитель
WSSFM10R1: RCZ1 (Европа, Ближний Восток, Африка)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Далее
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14 дБ	Pycom
S-Wing: плата расширения Sigfox для Bosch XDK для зоны 2 и 4	InnoComm
S-Wing: плата расширения Sigfox для Bosch XDK для зоны 3	InnoComm
СН10-12	InnoComm
СН10-22	InnoComm