Вступ до технології sigfox - основи, архітектура та функції безпеки

Гонка за бездротовими технологіями розпочалася ще в далеких 1890-х роках, коли Марконі побудував першу в світі радіостанцію та запровадив бездротову телеграфію, яка повністю змінила спосіб обміну інформацією в той час. Сьогодні ми вдосконалили багато нових стільникових технологій для бездротової передачі великої кількості даних кожному, хто живе навіть у найглибшому куточку Землі. Але останнім часом спілкуватися між собою мають не лише люди. Машини та інші електронні пристрої також почали обмінюватися інформацією між собою для встановлення підключеної мережі. Ці пристрої в основному працюють від акумулятора з віддаленого місця, змушуючи його спілкуватися на великі відстані з мінімально можливою потужністю. Ця вимога спонукала до необхідності нових комунікаційних технологій, таких як ZigBee, LoRa, Sigfox тощо. Ми вже обговорювали те, що таке LoRa, у нашій попередній статті, отже, у цій статті ми дізнаємося про подібний протокол бездротового зв'язку, який називається Sigfox, та його значення в підключена технологія.

Що таке Sigfox Technology

Sigfox - це стільниковий бездротовий зв'язок великого діапазону, який пропонує власні рішення, в першу чергу для низькопродуктивних програм Інтернету речей (IoT) та M2M, використовуючи свої наскрізні послуги підключення до Інтернету речей, використовуючи запатентовані технології. Мережевий протокол Sigfox запатентував базові станції, інтегровані з програмно визначеними радіостанціями. Кінцеві пристрої використовують двійкову модуляцію фазового зсуву (BPSK) для підключення до базових станцій.

Мережа Sigfox була розроблена для полегшення ефективного зв'язку при низькому споживанні енергії. Низьке споживання енергії гарантує, що віддалені пристрої працюють довго, з мінімальним заряджанням або технічним обслуговуванням. Sigfox надає можливість IoT-зв'язку на великі відстані, що дає можливість передавати з мінімальними базовими станціями. Мережа Sigfox використовує підхід стільникового зв'язку, щоб віддалені вузли могли використовувати Інтернет для зв'язку з базовими станціями. Це полегшує дистанційне керування та збір даних з вузлів Sigfox на широкій географічній території, якщо існує зв’язок з Інтернетом.

Особливості Sigfox

Хоча Sigfox був представлений ще в 2009 році, лише недавно він завоював популярність. Сьогодні з появою IoT Sigfox широко використовується як стандарт зв'язку для підключення малопотужних пристроїв, таких як розумні лічильники електроенергії, розумні годинники тощо. Давайте розглянемо особливості Sigfox, що робить його кращою мережею.

Висока пропускна здатність мережі

Sigfox має високу ємність, що дозволяє масштабувати до мільярдів об'єктів, це пов'язано з ультравузькою смуговою модуляцією, яка забезпечує стійкість і стійкість до перешкод. Інфраструктура Sigfox використовує довільний доступ, що полегшує різноманітність частоти та часу. Використання пропускної здатності висхідної та низхідної ліній зв'язку забезпечує узгодженість незалежно від використовуваного радіозв'язку.

Висока енергоефективність

Мережа Sigfox може похвалитися високою енергоефективністю завдяки напівпровідникам з низьким енергоспоживанням, які використовуються при виробництві обладнання Sigfox. Ці напівпровідники дозволяють модулям Sigfox передавати дані лише зі струмом близько 10 мА - 50 мА. Мережева архітектура Sigfox не виконує синхронізацію повідомлень між пристроями та базовою станцією перед передачею даних, це означає, що не потрібен аналіз. Відсутність сполучення між пристроями та базовою станцією забезпечує тривалий час автономної роботи та дає перевагу Sigfox перед іншими технологіями. Sigfox споживає лише кілька наноампер в режимі очікування, цей рівень споживання енергії є незначним для подальшого підвищення ефективності.

Далекобійність

Розгортання Sigfox охоплює великий географічний район з мінімальною кількістю базових станцій. Діапазон радіочастот (RF) оцінюється за значенням швидкості передачі даних для кожного виходу, великий діапазон досягається при низькій швидкості передачі даних. Впровадження базових станцій великого діапазону дозволяє впровадити широку мережу Sigfox за мінімальних витрат. Великій дальності дії Sigfox сприяє також той факт, що базові станції мають меншу чутливість, а об'єкти мають низьку вихідну потужність. У сільській місцевості мережа Sigfox охоплює в середньому від 30 до 50 км завдяки мінімальним перешкодам. Однак у міських центрах, де багато перешкод, діапазон Sigfox зменшується до 10 км.

Стійкість до перешкод

Sigfox використовує ультразвуковий діапазон 192 кГц (UNB), інтегрований з просторовим розмаїттям базової станції +20 дБ, що полегшує її унікальні функції проти заклинювання. Мережа Sigfox використовує надвузький діапазон для роботи в промисловому, науковому та медичному діапазоні (ISM)оскільки сигнали розширеного спектра перешкоджають сигналам UNB. У Європі пропускна здатність Uplink має 100 Гц, тоді як у США пропускна здатність перевищує 600 Гц. Європейський Союз обмежив максимальну потужність до 25 МВт. Лінія зв'язку має пропускну здатність каналу 1,5 кГц і діапазон даних 600 біт / с. Пряма лінія зв'язку додатково обмежує максимальну вихідну потужність до 500 мВт. Оптимальна стійкість до перешкод полегшує Sigfox ефективно функціонувати в діапазоні ISM. Це дозволяє йому передавати навіть під сигналами перешкод. Однак низьке перекриття шуму призводить до внутрішньої міцності надвузької смуги. Як результат, для передачі повідомлення сигнал повинен мати принаймні 8 дБ.

Архітектура мережі Sigfox

Архітектура мережі Sigfox горизонтальна і тонка і складається з 2 шарів. Перший рівень включає мережеве обладнання, переважно базові станції, та інші елементи. Метою цього рівня є отримання повідомлень від пристрою IoT, а також передача їх до систем підтримки Sigfox. Ця мережа має одноточкову топологію зірок, що дозволяє IoT-пристроям підключатися до будь-якої базової станції поблизу. Другий рівень - це система підтримки Sigfoxде повідомлення від базових станцій обробляються та надсилаються за допомогою зворотних дзвінків до системи клієнта. Цей рівень також забезпечує точку входу різних суб'єктів, таких як Sigfox, кінцеві споживачі, оператори Sigfox та канали до екосистеми за допомогою веб-інтерфейсів або API. Шар має сховище та інші інструменти для аналізу даних, які збираються мережею. Шар також містить модулі та функції, які підтримують розгортання, експлуатацію та моніторинг мережі. Функції включають Систему підтримки бізнесу (BSS) для виставлення рахунків та замовлення та Планування радіо для підтримки розгортання та моніторингу мережі. Загальнодоступний Інтернет з'єднує два рівні за допомогою безпечних з'єднань VPN.

Дані від пристроїв IoT передаються по повітрю до базових станцій, а потім проходять через зворотний зв'язок, який використовує DSL-зв'язок із резервною копією 4G. Супутникове підключення використовується як резервне копіювання в місцях, де DSL і 4G недоступні. Обробка повідомлень також здійснюється шляхом зворотного зв'язку, ці повідомлення надходять у основну мережу стільки ж, скільки копій, але зберігається лише одна копія, до якої клієнти можуть отримати доступ через веб-інтерфейс.

Безпека та конфіденційність Sigfox

Оскільки основна увага Sigfox повинна бути використана з IoT, мережа була розроблена для підвищення безпеки шляхом впровадження брандмауерів для захисту даних у русі та в стані спокою. Ви також можете прочитати цю статтю про проблеми безпеки IoT, щоб краще зрозуміти, як захистити свої пристрої IoT. А тепер давайте розглянемо різні функції безпеки в Sigfox.

Безпека брандмауера

Sigfox має вбудований брандмауер, який обмежує об'єкти Інтернету речей для підключення або зв'язку за допомогою Інтернет-протоколу. Для спілкування через Інтернет об'єкт надсилає радіо-повідомлення, яке приймають доступні станції доступу. Потім станція доступу передає повідомлення системі підтримки Sigfox, яка, в свою чергу, передає його до вказаного пункту призначення. Система підтримки Sigfox також передає відповідь об'єкту відправника через базові станції. Таким чином, брандмауер безпеки захищає об'єкти IoT від атак, пов'язаних з Інтернетом.

Безпека даних

Архітектура Sigfox забезпечує механізм захисту, який гарантує безпечну автентифікацію даних та уникнення повторного відтворення; він також забезпечує додатковий механізм протипослуховування. IoT-ланцюжок Sigfox включає ключі автентифікації, які зберігаються пристроями та замовником, і цей ключ буде потрібний для доступу до даних, що зберігаються системою Sigfox. Як результат, механізми передачі даних Sigfox гарантують безпеку в різноманітній екосистемі та різним місцевим нормам. Ключ автентифікації для кожного пристрою унікальний, що означає, що компрометація ключа безпеки аутентифікації пристрою не впливає на безпеку інших пристроїв. Однак безпека будь-якого пристрою залишається на розсуд виробника.

Застосування Sigfox

Технологія Sigfox підходить для недорогих додатків M2M, які працюють на широкому покритті. До цих областей належать;

• Люди, товари чи інший тип відстеження активів.
• Розумні вимірювальні комунікації в енергетичному секторі.
• Зв'язок програм mHealth
• Управління автомобільним зв’язком у транспортному секторі
• Дистанційне управління та моніторинг.
• Безпека.

Виробники модулів Sigfox

Murata є одним з провідних виробників мікроконтролерів Sigfox. Популярні модулі Sigfox використовують бездротовий мікроконтролер на основі STM32 від ST Microcontrollers, а також SX127 Samtech RFIC. Ці мікроконтролери працюють в діапазоні частот 860-930 МГц. Цей діапазон частот підтримує вихідну потужність +14 дБм, яка може бути збільшена до +20 дБм у випадку поганих ділянок сигналу.

Модуль	Виробник
WSSFM10R1: RCZ1 (Європа, Близький Схід, Африка)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Далі
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14 дБ	Pycom
S-Wing: Подовжувальна плата Sigfox для Bosch XDK для зон 2 та 4	InnoComm
S-Wing: Подовжувальна плата Sigfox для Bosch XDK для зони 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm