SIGFOX – princip, struktura, protokol, použití

SIGFOX je užitečný komunikační bezdrátový systém pro energeticky nenáročný přenos malého množství dat. Je tak ideální pro aplikace, kde se dříve využíval například systém SMS zpráv, tedy aplikace hlášení alarmových stavů, zasílání občasných naměřených hodnot i základních příkazů řízení. Pojďme se blíže podívat na princip funkce, architekturu sítě a přenosový protokol.

K čemu je vhodná SIGFOX komunikace?
SIGFOX je bezdrátová komunikační síť s dlouhým dosahem až mnoha kilometrů pro zajištění občasného přenosu malého množství informací z měřících zařízení a senzorů. Obecně patří mezi tzv. nízkopříkonové LPWAN sítě pro systém IoT (Internet of Things). Typickými oblastmi stovek aplikací sítě SigFox v Evropě jsou odečty vody, elektřiny, plynu, parkovací senzory, Industry 4.0, SmartCity, zabezpečovací zařízení, logistika, sledování teplot při transportu a uskladnění, péče o seniory, měření srážek a průtoků na záplavových tocích apod. Pomocí sítě SIGFOX mohou být věci, senzory a zařízení nezávislá na elektřině, vydržet na bateriích až patnáct let a komunikovat s velmi vysokou spolehlivostí i bezpečností. Zároveň cena modemů i komunikace v řádech desítek korun usnadňuje masové nasazení mnoha zařízení. Jednoduché programátorské rozhraní umožňuje nad daty postavit aplikace, či je integrovat do podnikových systémů v řádu hodin či dnů. Síť SigFox tak doplňuje stávající širokopásmové mobilní systémy určené pro potřeby datově náročných chytrých telefonů a dalších mobilních přístrojů.

Celoplošná síť pro SigFox je již vybudována ve Francii, Španělsku a v UK. Třeba ve Francii je již více než 1000 základnových stanic. Jako příklad jsou uváděny požární hydranty, které mají v sobě zabudovanou podporu technologie SigFox, a každý den hlásí tlak vody, který nesmí klesnout pod určitou hranici. Díky lithiové baterii prý vydrží fungovat až 10 let. Jiným příkladem mají být inteligentní systémy parkování, kde každé parkovací místo aktivně hlásí, zda je či není obsazeno (resp. že u něj došlo ke změně). Další oblastí, kde technologie a síť SigFox nachází využití, je zabezpečení objektů, kde je v případě potřeby nutné jednou za dlouhý čas odeslat určitou zprávu o stavu systému nebo narušení prostoru. V tomto směru se řešení SigFox ujalo například ve Španělsku. Další velkou oblastí může být nejrůznější telemetrie, jak například odečty vodoměrů, plynoměrů a podobných měřidel, která jednou za čas sama odešlou informaci o svém stavu. Podobně pro všelijaké senzory informující o překročení limitů teploty a vlhkosti (například ve sklenících, sušárnách, v květináčích, v půdě na polích atd.), stavu výšky hladiny vody ve studních a nádržích, překročení pevnosti / zatížení / tlaku konstrukcí mostů, silnic, překročení exhalací emisí, detekce kouře apod.

SigFox základnové stanice pak operátoři obvykle instalují na standardní mobilní vysílače, což umožňuje ekonomicky nenákladné vybudování sítě.

SIGFOX rádiový přenos a modulace
SIGFOX technologie pracuje v bezlicenčním ISM pásmu 868 MHz (906MHz v USA), v němž běží nelicencované krátkodosahové technologie, například část domácích meteostanic, ovládání vrat garáže, ale třeba i wMbus, technologie bezdrátového propojení měřidel. To souvisí s potřebou opravdu významně minimalizovat náklady. Protože v tomto pásmu neběží ani bluetooth, ani WiFi, ani energomonitor, není těmito bezdrátovými technologiemi ovlivňována (rušena).

K přenosu SigFox komunikace se využívá tzv. UNB (Ultra Narrow Band) pásmo pro vysílání jen krátkého pulsu dat s vysílacím výkonem omezeným na 100 mW a modulací pracující v 200kHz veřejném pásmu. Každá přenášená zpráva v době přenosu zabírá šířku pásma 100 Hz a je přenášena rychlostí 100 nebo 600 bitů/s (v závislosti na regionu). Toto řešení zajišťuje dlouhý dosah a velkou odolnost proti rušení. Vysílaná zpráva využívá tzv. DBPSK modulaci, které stačí pro rychlost přenosu 1 bit/s jen frekvenční pásmo 1 Hz. Tedy při deklarované přenosové rychlosti SigFox komunikace 100bitů/s se využívá již zmíněné šířka frekvenčního pásma 100 Hz. Nízká přenosová rychlost (bitrate) a úzké koncentrované přenosové pásmo DBPSK modulace tedy přináší velmi efektivní využití přenosového spektra, je velmi snadné ho implementovat a přijímač může demodulovat signály velmi blízko hladině šumu.

Zde uvedený příklad spektrální analýzy ukazuje vysílání 210 UNB SigFox signálů, které však reprezentují jen 4% rádiového pásma. Velký rozdíl v porovnání s klasickým GFSK signály, kde 13 GFSK signálů pokrývá hned 210 kHz široké pásmo, což reprezentuje 40% celé šířky pásma. Proto také SIGFOX komunikace umožňuje v rámci SIGFOX sítě dosáhnout vysoké přenosové kapacity.

Citlivost SigFox přijímače se pak reguluje podle přenosové rychlosti. Může být -142 dBm při bitrate 100 bitů/s (bps) nebo – 134dBm při druhé povolené variantě rychlosti 600 bitů/s (bps). Při přenosové rychlosti 100 bitů/s v ideálních podmínkách pak zařízení emituje až 16,15 dBm EIRP a při přijímací stanici s anténou se ziskem 5,15 a citlivosti přijímače -142 dBm pak teoretický spojovací součet dosahuje 163,3 dB.

SIGFOX architektura sítě a adresování stanic
Samotná síť pro technologii SigFox je založena na topologii hvězda (star) a je budována na buňkovém principu: má své základnové stanice a buňky, které pokrývají určité oblasti. Milióny objektů vysílají svoje zprávy do SigFox sítě, jestliže radiový signál je v dosahu základové stanice. Každý jednotlivá stanice využívá místní SigFox operátory, kteří následně obdržené zprávy posílají do SigFox cloudu již přes TCP/IP internetovou komunikací. Tyto základové stanice detekují, demodulují zprávu právě pouze pro SigFox cloud. Ten následně zprávy přetřídí a pošle obvykle pro TCP/IP internetu do zákaznických zařízení a IT platforem.

Data v SigFoxu nemají žádnou konkrétně definovanou vnitřní strukturu a je jen na odesílateli a příjemci, co a jak si do prostoru dat vloží a jak to budou na druhé straně interpretovat. Ona “druhá strana“ přijímá (a případně i odesílá) data ze SigFox cloudu, který vytváří provozovatel SigFox sítě, a dostává se k nim prostřednictvím softwarového rozhraní (API) ze své aplikace nebo systému. Příkladem mohou být senzory, které při zaznamenání nějaké významné změny o tom odešlou informaci do sítě. Následně lze tyto změny číst pomocí mobilní aplikace na PC či HMI nebo jiném systému, která se k nim dostává prostřednictvím příslušného API.

Pokud jde o adresování, nepoužívají se žádné nastavitelné adresy (jako např. IP adresy), ani žádné SIM karty apod. Jednotlivá koncová zařízení jsou identifikována interními identifikátory, které si lze představit jako jakási sériová čísla. Samotné zařízení, resp. jeho modul s podporou SigFox, je vybaveno certifikátem s takovýmto kódem, kterým se zařízení identifikuje. Lze to tedy připodobnit k MAC adrese každého ethernetového zařízení. Takový způsob adresování v zásadě nijak principiálně neomezuje počet zařízení, která síť může obsluhovat. Reálným omezením (pro základnové stanice) jsou zřejmě až podmínky všeobecného oprávnění, které určitým způsobem (skrze tzv. klíčovací poměr) ovlivňují to, jak dlouho smí stanice aktivně vysílat – čímž je shora omezen i počet zpráv, které mohou přes základnovou stanici projít.

SIGFOX přenosový protokol
SigFox byl vytvořen záměrně jako lehký protokol pro přenos malých zpráv. Méně dat znamená menší spotřebu energie a tedy delší životnost napájecí baterie. Celkový přenosový rámec tvoří pouze 26 bajtů, kde volitelně 0 až 12 bajtů je určeno pro užitečná data (anglicky tzv. Payload). Zpětný kanál, který již poslední verze SigFoxu umožňuje, je pak datově omezený na 0 až 8 bajtů užitečných dat s časovým omezením na 4 zprávy denně. Například v porovnání s ním má jen záhlaví komunikačního rámce IP stacku 40 bajtů a to i v případě, že také by se přenášelo jen 12 bajtů užitečných dat. Zde je vidět, že pro přenos velmi malého množství dat je například TCP/IP protokol velmi „neekonomický“, protože čím více dat se vysílá, tím více energie je pro přenos potřeba.

Charakteristickým rysem sítí přenosové sítě pro internet věcí je relativně malá přenosová rychlost 100 bitů/sec, která je však pro tento účel plně postačující. 12 bajtů užitečných dat (plus určitá režie) se tak přenáší přes 2 sekundy. Tato malá rychlost je více než převážena jednoduchým a robustním zařízením a levnějším provozem oproti klasickému přenosu dat po mobilní síti GSM. To je také současně základ dlouhé výdrže obou technologií v provozu na baterii. Následně se předpokládá vysílání jen několikrát denně, zatímco ve zbývajícím čase zařízení se sítí nekomunikuje. SigFox je omezen denně na 140 vysílacích 12-bajtových a 4 zpětné potvrzovací 8-bajtové zprávy, tedy cca jednou za deset minut a dá se to přirovnat k cca 10 SMS zprávám za den. Zatímco na sběr dat ze stacionárních objektů, například automatů a jiných strojů, to může plně stačit, například na funkci energomonitoru, kde se odesílají data přibližně každou minutu, to již nestačí.

Velikost odesílané zprávy s 12 bajty dat může tak v praxi například reprezentovat například 2 GPS souřadnice s přesností na 3 m, 6 hodnot naměřené teploty senzorů s rozsahem -100°/+200° a s přesností 0.004°, 12 měření radaru rychlosti s rozsahem až do 255 km/h, záznam až 96 dvoustavových signálů (např. typu den/noc, horký/studený, zapnuto/vypnuto, nízký / nedostatečný stav energie atd.). Zpětný 8-bajtový kanál by pak měl být obecně dostatečný například příkaz změny rozsahu senzoru, změny frekvence zasílání zpráv, zapnutí/vypnutí některé funkce apod. Tímto způsobem lze například i na dálku například aktivovat některý dočasně vypnutý datově „výkonnější“ způsob komunikace (např. GSM nebo WiFi) pro zajištění jaké datově náročnější vzdálené operace, jako například přehrání / update softwaru.

Standardní komunikační OSI model SigFox komunikace lze rozdělit na:

  • Rádiovou vrstvu (RF layer) – slouží k řízení frekvence a úrovně vysílacího výkonu.
  • Fyzickou vrstvu (PHY layer) – slouží k vložení (při vysílání) nebo vyjmutí (při příjmu) tzv. preambule definující adresu cílové stanice / jednotky).
  • Síťová vrstva (MAC layer) – vytváří komunikační rámec pro vysílání nebo „dekóduje“ rámec po příjmu (ID adresu, synchronizaci rámce, kontrola chyb FCS)
  • Aplikační vrstva (Application layer) – vkládá užitečná data definovaná konkrétním softwarem aplikace.

Ze struktury OSI modelu pak vychází samotná struktura odchozího rámce (Upload Frame) i příchozího rámce (Download Frame) každé SigFox jednotky.

SIGFOX režim spotřeby
Technologie SigFox pracuje na příjmu obdobně jako třída A technologie LoRa, tedy zařízení si samo vybírá, kdy chce poslouchat. Typicky jen krátce poté, co samo něco odešle, aby mohlo přijmout potvrzení či reakci. Takže je možné do zařízení něco (data či příkaz) odeslat, ale kdy se požadavek vykoná, pak záleží na rozhodnutí samotného zařízení, které se musí samo probudit. Výhodou, která z toho vyplývá, je skutečně velmi nízká spotřeba koncových zařízení, kdy na jednu baterii prý dokáží fungovat až několik let.

Typické elektrické hodnoty v režimu vysílání je spotřeba cca 30 mA při vysílacím výkonu +14.5dBm, zatímco ve většinu času v tzv. „Off režimu“ je spotřeba jen několik nanoampér (nA). To vše při napájení z knoflíkové baterie 1,9-3,6V.

Celková výdrž je samozřejmě dána kapacitou baterie / akumulátoru, frekvencí vysílání a i počet bajtů přenášených dat. Čím menší počet vysílání a čím méně dat (například jen 4 bajty místo max. povolených 12 bajtů), tím menší je spotřeba a tím delší výdrž. Samozřejmě v praxi však nenapájíme jen samotnou SigFox komunikační část, ale i nějakou snímací (senzorickou) část, takže celková výdrž systému je vysoce individuální hodnota lišící se u každé aplikace.

Závěr
Komunikace SIGFOX je jistě do budoucna zajímavý způsob komunikace / přenosu dat v časově velmi pomalých procesech nebo v plně automatizovaných aplikacích s malou četností zasílání informačních zpráv (tzn. že měřící zařízení pracuje zcela samostatně – např. elektroměr – a pouze jednou za den pošle výsledek procesu nebo případně bude okamžitě informovat o aktuální poruše atd.). V tomto směru tak prakticky nahrazuje dříve velmi populární zasílání informací nebo řízení pomocí SMS zpráv.

Nejde tak o přímého konkurenta ani rychlých průmyslových sběrnic, ani lokální rychlé WLAN bezdrátové komunikace, ani středně rychlé LTE komunikace. Jde o doplněk k nim, který doposud na trhu rozhodně chyběl. Konkurentem jsou mu však podobné komunikační technologie, jako například LoRa, které využívají podobných základní systém, i když trošku s odlišnými parametry z pohledu množství přenášených dat, dosahu a příkonu. SIGFOX byl vyvinutý hlavně pro maximální úsporu energie, a proto poskytuje také nejmenší datovou přenosovou kapacitu.

Zdroj


Odkazy:

1 komentář: „SIGFOX – princip, struktura, protokol, použití

Komentáře nejsou povoleny.