Eine Einführung in die Sigfox-Technologie - Grundlagen, Architektur und Sicherheitsfunktionen

Das Rennen um die drahtlose Technologie begann bereits in den 1890er Jahren, als Marconi den ersten Radiosender der Welt baute und die drahtlose Telegraphie einführte, die die Art und Weise, wie Menschen damals Informationen austauschten, völlig neu definierte. Heute haben wir viele neue Mobilfunktechnologien entwickelt, um große Datenmengen drahtlos an jeden zu übertragen, der selbst in der tiefsten Ecke der Erde lebt. Aber in letzter Zeit müssen nicht nur Menschen untereinander kommunizieren. Die Maschinen und andere elektronische Geräte haben ebenfalls begonnen, Informationen untereinander auszutauschen, um ein verbundenes Netzwerk aufzubauen. Diese Geräte werden meistens mit einer Batterie von einem entfernten Ort aus betrieben, wodurch sie gezwungen sind, über große Entfernungen mit minimaler Leistung zu kommunizieren. Diese Anforderung hat die Notwendigkeit neuer Kommunikationstechnologien wie ZigBee, LoRa, Sigfox usw. ausgelöst. Wir haben bereits in unserem vorherigen Artikel über LoRa gesprochen und werden daher in diesem Artikel etwas über ein ähnliches drahtloses Kommunikationsprotokoll namens Sigfox und dessen Bedeutung in erfahren vernetzte Technologie.

Was ist Sigfox-Technologie?

Sigfox ist eine drahtlose Mobilfunkkommunikation mit großer Reichweite, die kundenspezifische Lösungen vor allem für Internet of Things- (IoT) und M2M-Anwendungen mit geringem Durchsatz bietet, indem sie ihre durchgängigen IoT-Konnektivitätsdienste mithilfe ihrer patentierten Technologien nutzt. Das Sigfox-Netzwerkprotokoll verfügt über patentierte Basisstationen, die in softwaredefinierte Funkgeräte integriert sind. Die Endgeräte verwenden eine BPSK- Modulation (Binary Phase Shift Keying), um eine Verbindung zu den Basisstationen herzustellen.

Das Sigfox-Netzwerk wurde entwickelt, um eine effektive Kommunikation bei geringem Stromverbrauch zu ermöglichen. Ein geringer Stromverbrauch stellt sicher, dass Remote-Geräte bei minimaler Batterieladung oder Wartung lange laufen. Sigfox ermöglicht die IoT-Kommunikation über große Entfernungen und ermöglicht das Senden mit minimalen Basisstationen. Das Sigfox-Netzwerk verwendet einen zellularen Ansatz, damit die Remote-Knoten über das Internet mit Basisstationen kommunizieren können. Dies erleichtert die Fernsteuerung und Datenerfassung von den Sigfox-Knoten über ein weites geografisches Gebiet, solange eine Internetverbindung besteht.

Eigenschaften von Sigfox

Obwohl Sigfox bereits 2009 eingeführt wurde, gewann es erst vor kurzem an Popularität. Heute, mit dem Aufkommen des IoT, wird Sigfox in hohem Maße als Kommunikationsstandard für den Anschluss von Geräten mit geringem Stromverbrauch wie intelligenten Stromzählern, intelligenten Uhren usw. verwendet. Schauen wir uns die Funktionen von Sigfox an, die es zu einem bevorzugten Netzwerk machen.

Hohe Netzwerkkapazität

Sigfox verfügt über eine hohe Kapazität, die es ermöglicht, auf Milliarden von Objekten zu skalieren. Dies liegt an der Ultra-Schmalband-Modulation, die Widerstandsfähigkeit und Störfestigkeit bietet. Die Sigfox-Infrastruktur verwendet einen Direktzugriff, der die Frequenz- und Zeitdiversität erleichtert. Die Verwendung von Uplink- und Downlink-Bandbreite ermöglicht Konsistenz unabhängig von der verwendeten Funkverbindung.

Hohe Energieeffizienz

Das Sigfox-Netzwerk zeichnet sich durch eine hohe Energieeffizienz aus, dank der stromsparenden Halbleiter, die bei der Herstellung der Sigfox-Hardware verwendet werden. Mit diesen Halbleitern können die Sigfox-Module Daten mit nur etwa 10 mA - 50 mA Strom übertragen. Die Sigfox-Netzwerkarchitektur führt vor der Datenübertragung keine Nachrichtensynchronisation zwischen den Geräten und der Basisstation durch. Dies bedeutet, dass kein Paring erforderlich ist. Das Fehlen einer Kopplung zwischen den Geräten und der Basisstation ermöglicht eine lange Akkulaufzeit und bietet Sigfox einen Vorteil gegenüber anderen Technologien. Sigfox verbraucht im Leerlauf nur wenige Nanoampere. Diese Stromverbrauchsrate ist vernachlässigbar und erhöht die Effizienz weiter.

Langstrecken

Der Einsatz von Sigfox deckt ein großes geografisches Gebiet mit einer minimalen Anzahl von Basisstationen ab. Der Hochfrequenzbereich (RF) wird anhand der Datenrate geschätzt, was bedeutet, dass für jeden Ausgang eine große Reichweite mit einer niedrigen Datenrate erzielt wird. Die Implementierung von Basisstationen mit großer Reichweite ermöglicht die Implementierung eines Sigfox-Netzwerks mit großer Reichweite zu minimalen Kosten. Die große Reichweite von Sigfox wird auch durch die Tatsache erleichtert, dass die Basisstationen eine geringere Empfindlichkeit und die Objekte eine geringe Ausgangsleistung aufweisen. In ländlichen Gebieten deckt ein Sigfox-Netzwerk aufgrund minimaler Störungen eine durchschnittliche Reichweite von 30 km bis 50 km ab. In Stadtzentren, in denen es viele Hindernisse gibt, reduziert sich die Sigfox-Reichweite jedoch auf 10 km.

Störfestigkeit

Sigfox verwendet das 192-kHz-Ultra-Barrow-Band (UNB), das in die räumliche Vielfalt der Basisstation von +20 dB integriert ist und die einzigartigen Anti-Jamming-Funktionen erleichtert. Das Sigfox-Netzwerk verwendet das Ultra Narrow Band, um im ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) zu arbeitenda Spreizspektrumsignale durch UNB-Signale gestört werden. In Europa hat der Uplink eine Bandbreite von 100 Hz, während in den USA die Bandbreite 600 Hz überschreitet. Die Europäische Union hat die maximale Leistung auf 25 mW begrenzt. Der Downlink hat eine Kanalbandbreite von 1,5 kHz und einen Datenbereich von 600 Bit / s. Der Downlink begrenzt die maximale Ausgangsleistung weiter auf 500 mW. Die optimale Störfestigkeit erleichtert es Sigfox, im ISM-Band effektiv zu funktionieren. Dies ermöglicht die Übertragung auch bei Störsignalen. Die geringe Rauschüberlappung führt jedoch zu einer intrinsischen Robustheit des Ultra-Narrow-Bandes. Infolgedessen sollte das Signal für die Übertragung einer Nachricht mindestens 8 dB haben.

Sigfox-Netzwerkarchitektur

Die Sigfox-Netzwerkarchitektur ist horizontal und dünn und besteht aus zwei Schichten. Die erste Schicht besteht aus der Netzwerkausrüstung, hauptsächlich den Basisstationen, und anderen Elementen. Der Zweck dieser Schicht besteht darin, Nachrichten vom IoT-Gerät zu empfangen und an die Sigfox-Support-Systeme zu senden. Dieses Netzwerk verfügt über eine Ein-Hop-Sterntopologie, mit der die IoT-Geräte eine Verbindung zu einer beliebigen Basisstation in der Nähe herstellen können. Die zweite Schicht ist das Sigfox Support SystemHier werden Nachrichten von den Basisstationen verarbeitet und über Rückrufe an das Kundensystem gesendet. Diese Ebene bietet auch den Einstiegspunkt der verschiedenen Akteure wie Sigfox, Endkunden, Sigfox-Betreiber und Kanäle zum Ökosystem mithilfe von Webschnittstellen oder APIs. Die Schicht verfügt über ein Repository und andere Tools zum Analysieren der vom Netzwerk gesammelten Daten. Die Schicht enthält auch Module und Funktionen, die die Bereitstellung, den Betrieb und die Überwachung des Netzwerks unterstützen. Zu den Funktionen gehören das Business Support System (BSS) für die Abrechnung und Bestellung sowie Radio Planning für die Unterstützung der Netzwerkbereitstellung und -überwachung. Das öffentliche Internet verbindet die beiden Schichten über sichere VPN-Verbindungen.

Die Daten von den IoT-Geräten werden über die Luft an die Basisstationen gesendet und anschließend durch den Backhaul geleitet, der DSL-Konnektivität mit 4G-Backup verwendet. Die Satellitenverbindung wird als Backup an Orten verwendet, an denen DSL und 4G nicht verfügbar sind. Die Nachrichtenverarbeitung wird auch vom Backhaul übernommen. Diese Nachrichten kommen im Kernnetzwerk an, da so viele Replikate vorhanden sind, aber nur eine Kopie gespeichert ist, auf die Kunden über eine Webschnittstelle zugreifen können.

Sigfox Sicherheit und Datenschutz

Da der Hauptfokus von Sigfox auf der Verwendung mit IoT liegt, wurde das Netzwerk so konzipiert, dass die Sicherheit durch die Implementierung von Firewalls zur Sicherung von Daten in Bewegung und in Ruhe verbessert wird. Sie können diesen Artikel auch über IoT-Sicherheitsherausforderungen lesen, um eine bessere Vorstellung davon zu erhalten, wie Sie Ihre IoT-Geräte schützen können. Schauen wir uns nun die verschiedenen Sicherheitsfunktionen in Sigfox an.

Firewall-Sicherheit

Sigfox verfügt über eine integrierte Firewall, die IoT-Objekte daran hindert, über das Internetprotokoll eine Verbindung herzustellen oder zu kommunizieren. Um über das Internet zu kommunizieren, sendet ein Objekt eine Funknachricht, die von den verfügbaren Zugangsstationen empfangen wird. Die Zugangsstation leitet die Nachricht dann an das Sigfox-Support-System weiter, das sie wiederum an das angegebene Ziel sendet. Das Sigfox-Unterstützungssystem überträgt die Antwort auch über die Basisstationen an das Senderobjekt. Die Sicherheitsfirewall schützt die IoT-Objekte somit vor Angriffen im Zusammenhang mit dem Internet.

Datensicherheit

Die Sigfox-Architektur bietet einen Sicherheitsmechanismus, der eine sichere Datenauthentifizierung und Vermeidung von Wiederholungen garantiert. Es bietet auch einen zusätzlichen Abhörmechanismus. Die IoT-Kette von Sigfox umfasst gespeicherte Authentifizierungsschlüssel, die von Geräten und dem Kunden gespeichert werden. Dieser Schlüssel wird benötigt, um auf die vom Sigfox-System gespeicherten Daten zuzugreifen. Infolgedessen garantieren die Datenmechanismen von Sigfox die Sicherheit innerhalb des vielfältigen Ökosystems und der verschiedenen lokalen Vorschriften. Der Authentifizierungsschlüssel für jedes Gerät ist eindeutig. Dies bedeutet, dass eine Beeinträchtigung des Authentifizierungssicherheitsschlüssels eines Geräts die Sicherheit anderer Geräte nicht beeinträchtigt. Die Sicherheit eines Geräts liegt jedoch im Ermessen des Herstellers.

Anwendung von Sigfox

Die Sigfox-Technologie eignet sich für kostengünstige M2M-Anwendungen, die über eine große Reichweite arbeiten. Diese Bereiche umfassen;

• Personen, Waren oder andere Arten der Nachverfolgung von Vermögenswerten.
• Smart Metering- Kommunikation im Energiesektor.
• Kommunikation von mHealth-Anwendungen
• Management der Automobilkommunikation im Verkehrssektor
• Fernbedienung und Überwachung.
• Sicherheit.

Hersteller von Sigfox-Modulen

Murata gehört zu den führenden Herstellern von Sigfox-Mikrocontrollern. Die beliebten Sigfox-Module verwenden den STM32-basierten drahtlosen Mikrocontroller von ST Microcontrollers sowie den SX127 Samtech RFIC. Diese Mikrocontroller arbeiten in einem Frequenzbereich von 860-930 MHz. Dieser Frequenzbereich unterstützt eine Ausgangsleistung von +14 dBm, die bei schlechten Signalbereichen auf +20 dBm erhöht werden kann.

Modul	Hersteller
WSSFM10R1: RCZ1 (Europa, Mittlerer Osten, Afrika)	WiSOL Co. LTD
TD1207	TD Weiter
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Murata Manufacturing Co. LTD
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Sigfox Extension Board für Bosch XDK für Zone 2 & 4	InnoComm
S-Wing: Sigfox Extension Board für Bosch XDK für Zone 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm