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 беспроводную телеграфию, которая полностью изменила способы обмена информацией между людьми того времени. Сегодня мы разработали множество новых сотовых технологий для беспроводной передачи больших объемов данных любому человеку, живущему даже в самом глубоком уголке Земли. Но в последнее время общаться между собой приходится не только людям. Машины и другие электронные устройства также начали обмениваться информацией друг с другом, чтобы создать подключенную сеть. Эти устройства в основном работают от батареи в удаленном месте, что позволяет им общаться на большие расстояния с минимально возможной мощностью. Это требование вызвало необходимость в новых коммуникационных технологиях, таких как ZigBee, LoRa, NB-IoT, Sigfox - все эти технологии являются прямыми конкурентами друг другу.

Что такое Sigfox – основы, архитектура и функции безопасности

Что такое технология Sigfox

Sigfox — это компания сотовой беспроводной связи дальнего действия , которая предлагает индивидуальные решения, в первую очередь, для приложений Интернета вещей (IoT) и M2M с низкой пропускной способностью, используя свои 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 с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK) для подключения к базовым станциям.

Сеть Sigfox была разработана для обеспечения эффективной связи при низком энергопотреблении. Низкое энергопотребление гарантирует длительную работу удаленных устройств при минимальной зарядке аккумулятора или обслуживании. Sigfox обеспечивает связь IoT на больших расстояниях, что позволяет осуществлять передачу с использованием минимального количества базовых станций. Сеть Sigfox использует подход сотового типа, позволяющий удаленным узлам использовать Интернет для связи с базовыми станциями. Это облегчает удаленное управление и сбор данных с узлов Sigfox на обширной географической территории при наличии подключения к Интернету.

Особенности Sigfox

Хотя Sigfox был представлен еще в 2009 году, популярность он приобрел лишь недавно. Сегодня, с появлением Интернета вещей, Sigfox широко используется в качестве стандарта связи для подключения маломощных устройств, таких как интеллектуальные счетчики электроэнергии, умные часы и т. д. Давайте посмотрим на особенности Sigfox, которые выгодно отличают ее от других подобных технологий.

Высокая пропускная способность сети

Sigfox обладает высокой пропускной способностью, что позволяет масштабировать ее до миллиардов объектов благодаря сверхузкой полосе модуляции, которая обеспечивает устойчивость к помехам. Инфраструктура Sigfox использует произвольный доступ, который обеспечивает частотное и временное разнообразие. Использование полосы пропускания восходящей и нисходящей линии связи обеспечивает согласованность независимо от используемого радиоканала.

Высокая энергоэффективность

Сеть Sigfox может похвастаться высокой энергоэффективностью благодаря полупроводникам с низким энергопотреблением, которые используются при производстве оборудования Sigfox. Эти полупроводники позволяют модулям Sigfox передавать данные при токе всего около 10–50 мА. Сетевая архитектура Sigfox не выполняет синхронизацию сообщений между устройствами и базовой станцией перед передачей данных, это означает, что сопряжение не требуется. Отсутствие сопряжения между устройствами и базовой станцией обеспечивает длительное время автономной работы и дает Sigfox преимущество перед другими технологиями. Sigfox потребляет всего несколько наноампер в режиме ожидания, этот уровень энергопотребления незначителен, что еще больше повышает эффективность.

Диаграмма энергопотребления устройств Sigfox

Большой радиус действия

Развертывание Sigfox охватывает большую географическую территорию с минимальным количеством базовых станций. Радиочастотный диапазон (RF) оценивается по скорости передачи данных для каждого выхода, большая дальность достигается при низкой скорости передачи данных. Внедрение базовых станций большого радиуса действия позволяет реализовать обширнуюсеть Sigfox с минимальными затратами. Большой дальности действия Sigfox способствует еще и то, что базовые станции имеют меньшую чувствительность, а объекты имеют низкую выходную мощность. В сельской местности сеть Sigfox покрывает средний радиус действия 30–50 км из-за минимальных помех. Однако в центрах городов, где много препятствий, радиус действия устройств Sigfox сокращается до 10 км.

Устойчивость к помехам

Sigfox использует Ultra Barrow Band (UNB) 192 кГц, 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 диапазоне (ISM), поскольку сигналы расширенного спектра подвергаются помехам со стороны сигналов UNB. В Европе восходящая полоса пропускания имеет полосу пропускания 100 Гц, а 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 передачи 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 в условиях помех. Однако низкое перекрытие шумов придает сверхузкому диапазону устойчивость. В результате, чтобы сообщение было передано, сигнал должен иметь превышать уровень помех не менее чем на 8 дБ.

Для обеспечения устойчивой связи сети Sigfox требуется уровень сигнала превышающий уровень помех не менее чем на 8 дБ

Сетевая архитектура Sigfox

Сетевая архитектура Sigfox горизонтальная и состоит из двух уровней. Первый уровень состоит из сетевого оборудования, в основном базовых станций и других элементов. Целью этого уровня является получение сообщений от устройств IoT и передача 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 посредством обратных вызовов в систему клиента. Этот уровень также обеспечивает точку входа различных участников, таких как Sigfox, конечные клиенты, операторы Sigfox и каналы, в экосистему с использованием веб-интерфейсов или API. На слое имеется хранилище и другие инструменты для анализа данных, собираемых сетью. Уровень также содержит модули и функции, которые поддерживают развертывание, эксплуатацию и мониторинг сети. Эти функции включают в себя систему поддержки бизнеса (BSS) для выставления счетов и размещения заказов, а также радиопланирование для поддержки развертывания и мониторинга сети. Общедоступный Интернет соединяет два уровня через безопасные VPN-соединения.

Сетевая архитектура Sigfox

Данные от устройств IoT передаются по воздуху на базовые станции, а затем проходят через транзитную сеть, использующую соединение DSL с резервным копированием 4G. Спутниковая связь используется в качестве резервной в тех местах, где недоступны DSL и 4G. Обработка сообщений также осуществляется посредством обратного соединения. Эти сообщения поступают в базовую сеть в большом количестве копий, но сохраняется только одна копия, к которой клиенты могут получить доступ через веб-интерфейс.

Безопасность и конфиденциальность Sigfox

Поскольку основной целью Sigfox является использование Интернета вещей, сеть была разработана для повышения безопасности за счет внедрения межсетевых экранов для защиты данных в движении и в состоянии покоя. Давайте посмотрим на различные функции безопасности, присутствующие в Sigfox.

Безопасность брандмауэра

Sigfox имеет встроенный брандмауэр, который ограничивает подключение или взаимодействие объектов IoT с использованием интернет-протокола. Для связи через Интернет объект отправляет радиосообщение, которое принимается доступными станциями доступа. Затем станция доступа передает сообщение в систему поддержки Sigfox, которая, в свою очередь, передает его в указанный пункт назначения. Система поддержки Sigfox также передает ответ объекту-отправителю через базовые станции. Таким образом, брандмауэр безопасности защищает объекты IoT от атак, связанных с Интернетом.

Безопасность данных

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

Применение технологии Sigfox

Технология Sigfox подходит для недорогих приложений M2M, которые работают в широкой зоне покрытия. Эти области включают в себя;

  • Люди, товары или другой тип отслеживания активов.
  • Интеллектуальные измерительные коммуникации в энергетическом секторе.
  • Коммуникация приложений мобильного здравоохранения.
  • Управление автомобильным сообщением в транспортной сфере.
  • Дистанционное управление и мониторинг.
  • Безопасность.

Производители модулей Sigfox

Компания 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 диапазон частот поддерживает выходную мощность +14 дБм, которую можно повысить до +20 дБм в случае областей с плохим сигналом. Более подробный список производителей модулей Sigfox представлен в следующей таблице.

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *