Giới thiệu về công nghệ sigfox - khái niệm cơ bản, kiến ​​trúc và tính năng bảo mật

Cuộc chạy đua về công nghệ không dây bắt đầu từ rất lâu vào năm 1890 khi Marconi xây dựng đài phát thanh đầu tiên trên thế giới và giới thiệu điện báo không dây, công cụ này đã xác định lại hoàn toàn cách con người trao đổi thông tin hồi đó. Ngày nay, chúng ta đã tiên tiến với nhiều công nghệ di động mới để truyền một lượng lớn dữ liệu không dây tới bất kỳ ai sống ở ngay cả góc sâu nhất của Trái đất. Nhưng, gần đây không chỉ con người phải giao tiếp với nhau. Máy móc và các thiết bị điện tử khác cũng đã bắt đầu trao đổi thông tin giữa nhau để thiết lập một mạng kết nối. Các thiết bị này chủ yếu hoạt động bằng pin từ xa, buộc nó phải liên lạc trong khoảng cách xa với mức năng lượng tối thiểu có thể. Yêu cầu này đã thúc đẩy nhu cầu về các công nghệ truyền thông mới như ZigBee, LoRa, Sigfox, v.v. Chúng tôi đã thảo luận về LoRa là gì trong bài viết trước của chúng tôi và do đó trong bài viết này, chúng tôi sẽ tìm hiểu về một giao thức truyền thông không dây tương tự được gọi là Sigfox và ý nghĩa của nó trong công nghệ kết nối.

Công nghệ Sigfox là gì

Sigfox là một giao tiếp không dây di động tầm xa cung cấp các giải pháp tùy chỉnh chủ yếu cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) và M2M thông lượng thấp bằng cách tận dụng các dịch vụ kết nối IoT đầu cuối sử dụng các công nghệ đã được cấp bằng sáng chế. Giao thức mạng Sigfox có các trạm gốc được cấp bằng sáng chế được tích hợp với các radio được xác định bằng phần mềm. Các thiết bị cuối sử dụng điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK) để kết nối với các trạm gốc.

Mạng Sigfox đã được thiết kế để tạo điều kiện giao tiếp hiệu quả với mức tiêu thụ điện năng thấp. Mức tiêu thụ điện năng thấp đảm bảo rằng các thiết bị từ xa hoạt động lâu dài với mức sạc pin hoặc bảo trì tối thiểu. Sigfox cho phép giao tiếp IoT trên khoảng cách xa, giúp truyền tải với các trạm gốc tối thiểu. Mạng Sigfox sử dụng phương pháp tiếp cận kiểu di động để cho phép các nút ở xa sử dụng internet để giao tiếp với các trạm gốc. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển từ xa và thu thập dữ liệu từ các nút Sigfox trên một khu vực địa lý rộng miễn là có kết nối internet.

Các tính năng của Sigfox

Mặc dù Sigfox đã được giới thiệu vào năm 2009, nhưng phải đến gần đây nó mới trở nên phổ biến. Ngày nay với sự ra đời của IoT, Sigfox đang được sử dụng làm tiêu chuẩn giao tiếp để kết nối các thiết bị tiêu thụ điện năng thấp như đồng hồ đo điện thông minh, đồng hồ thông minh, v.v.

Dung lượng mạng cao

Sigfox có công suất lớn cho phép nó mở rộng quy mô lên đến hàng tỷ đối tượng, điều này là do điều chế băng tần siêu hẹp có khả năng chống nhiễu và phục hồi. Cơ sở hạ tầng Sigfox sử dụng truy cập ngẫu nhiên tạo điều kiện cho phân tập tần số và thời gian. Việc sử dụng băng thông đường lên và đường xuống cho phép nhất quán bất kể liên kết vô tuyến được sử dụng.

Hiệu quả năng lượng cao

Mạng Sigfox tự hào về hiệu suất năng lượng cao, nhờ các chất bán dẫn tiêu thụ điện năng thấp được sử dụng khi sản xuất phần cứng Sigfox. Những chất bán dẫn cho phép các module Sigfox để truyền dữ liệu với chỉ khoảng 10mA - 50mA của hiện tại. Kiến trúc mạng Sigfox không thực hiện đồng bộ hóa bản tin giữa các thiết bị và trạm gốc trước khi tiến hành truyền dữ liệu, điều này có nghĩa là không cần phân tích cú pháp. Việc thiếu ghép nối giữa các thiết bị và trạm gốc sẽ kéo dài thời lượng pin và mang lại lợi thế cho Sigfox so với các công nghệ khác. Sigfox chỉ tiêu thụ một vài nano ampe khi không hoạt động, tỷ lệ tiêu thụ điện năng này là không đáng kể, tiếp tục nâng cao hiệu quả.

Tầm xa

Việc triển khai Sigfox bao phủ một khu vực địa lý rộng lớn với số lượng trạm gốc tối thiểu. Dải tần số vô tuyến (RF) được ước tính bằng tốc độ dữ liệu có nghĩa là cho mọi đầu ra, phạm vi dài đạt được với tốc độ dữ liệu thấp. Việc triển khai các trạm gốc tầm xa cho phép triển khai mạng Sigfox trên phạm vi rộng với chi phí tối thiểu. Tầm xa của Sigfox cũng được hỗ trợ bởi thực tế là các trạm gốc có độ nhạy kém hơn và các đối tượng có công suất đầu ra thấp. Ở các vùng nông thôn, mạng Sigfox phủ sóng trung bình từ 30km - 50km do ít bị nhiễu. Tuy nhiên, ở các trung tâm thị trấn nơi có nhiều chướng ngại vật, phạm vi của Sigfox giảm xuống còn 10km.

Khả năng chống nhiễu

Sigfox sử dụng Băng tần Ultra Barrow (UNB) 192KHz tích hợp với sự đa dạng không gian của trạm gốc là +20 dB, tạo điều kiện cho các tính năng chống nhiễu độc đáo của nó. Mạng Sigfox sử dụng Băng tần siêu hẹp để hoạt động trong băng tần Công nghiệp, Khoa học và Y tế (ISM)vì tín hiệu trải phổ bị nhiễu bởi tín hiệu UNB. Ở Châu Âu, Uplink có băng thông 100Hz trong khi ở Mỹ, băng thông vượt quá 600Hz. Liên minh Châu Âu đã giới hạn công suất tối đa là 25mW. Đường xuống có băng thông kênh 1,5KHz và dải dữ liệu 600 bps. Đường xuống tiếp tục giới hạn công suất đầu ra tối đa là 500mW. Khả năng chống nhiễu tối ưu giúp Sigfox hoạt động hiệu quả trong băng tần ISM. Điều này cho phép nó truyền ngay cả dưới các tín hiệu gây nhiễu. Tuy nhiên, sự chồng chéo tiếng ồn thấp tạo ra độ chắc chắn nội tại cho dải tần Siêu hẹp. Do đó, để một tin nhắn được truyền đi, tín hiệu phải có ít nhất 8 dB.

Kiến trúc mạng Sigfox

Kiến trúc mạng Sigfox theo chiều ngang và mỏng, có 2 lớp. Lớp một bao gồm thiết bị mạng chủ yếu là các trạm gốc và các phần tử khác. Mục đích của lớp này là nhận thông báo từ quảng cáo thiết bị IoT, truyền chúng đến hệ thống Hỗ trợ Sigfox Mạng này có cấu trúc liên kết hình sao một bước cho phép các thiết bị IoT kết nối với bất kỳ trạm gốc nào gần nó. Lớp thứ hai là Hệ thống hỗ trợ Sigfoxnơi mà các tin nhắn từ các trạm gốc được xử lý và gửi qua các cuộc gọi lại đến hệ thống khách hàng. Lớp này cũng cung cấp điểm vào của các tác nhân khác nhau như Sigfox, khách hàng cuối, nhà khai thác Sigfox và các kênh đến hệ sinh thái sử dụng giao diện web hoặc API. Lớp có kho lưu trữ và các công cụ khác để phân tích dữ liệu được mạng thu thập. Lớp cũng chứa các mô-đun và tính năng hỗ trợ việc triển khai, vận hành và giám sát mạng. Các tính năng bao gồm Hệ thống hỗ trợ kinh doanh (BSS) để lập hóa đơn và đặt hàng, và Lập kế hoạch vô tuyến để hỗ trợ triển khai và giám sát mạng. Internet công cộng kết nối hai lớp qua các kết nối VPN an toàn.

Dữ liệu từ các thiết bị IoT được gửi qua đường hàng không đến các trạm gốc, sau đó sẽ đi qua backhaul sử dụng kết nối DSL với bản sao lưu 4G. Kết nối vệ tinh được sử dụng để dự phòng ở những nơi không có sẵn DSL và 4G. Quá trình xử lý tin nhắn cũng được xử lý bởi backhaul, những tin nhắn này đến mạng lõi như nhiều bản sao nhưng chỉ có một bản sao được lưu trữ mà khách hàng có thể truy cập thông qua giao diện web.

Bảo mật và quyền riêng tư của Sigfox

Vì trọng tâm chính của Sigfox là được sử dụng với IoT, mạng đã được thiết kế để tăng cường bảo mật bằng cách triển khai tường lửa để bảo mật dữ liệu trong chuyển động và ở trạng thái nghỉ. Bạn cũng có thể đọc bài viết này về các thách thức Bảo mật IoT để hiểu rõ hơn về cách bảo mật các thiết bị IoT của bạn. Bây giờ chúng ta hãy xem xét các tính năng bảo mật khác nhau trong Sigfox.

Bảo mật tường lửa

Sigfox có một tường lửa sẵn có để hạn chế các đối tượng IoT kết nối hoặc giao tiếp bằng giao thức internet. Để giao tiếp qua internet, một đối tượng sẽ gửi một tin nhắn vô tuyến được thu bởi các trạm truy cập có sẵn. Trạm truy cập sau đó chuyển tiếp thông báo tới hệ thống hỗ trợ Sigfox để chuyển nó đến đích được chỉ định. Hệ thống hỗ trợ Sigfox cũng truyền phản hồi đến đối tượng người gửi thông qua các trạm gốc. Do đó, tường lửa bảo mật bảo vệ các đối tượng IoT khỏi các cuộc tấn công liên quan đến internet.

Bảo mật dữ liệu

Kiến trúc Sigfox cung cấp cơ chế bảo mật đảm bảo xác thực dữ liệu an toàn và tránh phát lại; nó cũng cung cấp thêm một cơ chế chống nghe trộm. Chuỗi IoT của Sigfox liên quan đến các khóa xác thực được lưu trữ bởi các thiết bị và khách hàng, khóa này sẽ được yêu cầu để truy cập vào dữ liệu được Hệ thống Sigfox lưu trữ. Do đó, các cơ chế dữ liệu của Sigfox đảm bảo tính bảo mật trong hệ sinh thái đa dạng và các quy định địa phương khác nhau. Khóa xác thực cho mọi thiết bị là duy nhất có nghĩa là sự xâm phạm của khóa bảo mật xác thực của thiết bị không ảnh hưởng đến bảo mật của các thiết bị khác. Tuy nhiên, bảo mật của bất kỳ thiết bị nào là do nhà sản xuất quyết định.

Ứng dụng của Sigfox

Công nghệ Sigfox phù hợp với ứng dụng M2M chi phí thấp hoạt động trên phạm vi phủ sóng rộng. Các lĩnh vực này bao gồm;

• Người, Hàng hóa hoặc loại theo dõi Tài sản khác.
• Giao tiếp đo lường thông minh trong lĩnh vực năng lượng.
• Giao tiếp của các ứng dụng mHealth
• Quản lý truyền thông ô tô trong lĩnh vực giao thông vận tải
• Điều khiển và giám sát từ xa.
• Bảo vệ.

Các nhà sản xuất mô-đun Sigfox

Murata là một trong những nhà sản xuất vi điều khiển Sigfox hàng đầu. Các mô-đun Sigfox phổ biến sử dụng vi điều khiển không dây dựa trên STM32 của ST Microcontrollers và cả SX127 Samtech RFIC. Các vi điều khiển này hoạt động ở dải tần từ 860-930 MHz. Dải tần số này hỗ trợ công suất đầu ra +14 dBm có thể được nâng cao lên +20 dBm trong trường hợp tín hiệu kém.

Mô-đun	nhà chế tạo
WSSFM10R1: RCZ1 (Châu Âu, Trung Đông, Châu Phi)	Công ty TNHH WiSOL
TD1207	TD Tiếp theo
SN10-11	InnoComm
ABZ Sigfox RC1	Công ty TNHH Sản xuất Murata
SiPy 14dB	Pycom
S-Wing: Bảng mở rộng Sigfox dành cho Bosch XDK cho Vùng 2 & 4	InnoComm
S-Wing: Bảng mở rộng Sigfox dành cho Bosch XDK cho Vùng 3	InnoComm
SN10-12	InnoComm
SN10-22	InnoComm