Uma visão técnica da Rede Sigfox

Sigfox

A Sigfox está trazendo a primeira rede global de IoT para conectar bilhões de dispositivos que transmitem dados, sem a necessidade de estabelecer e manter conexões de rede. Essa abordagem única no mundo de conexão sem fio, onde não há sobrecarga de sinalização, apresentando um protocolo compacto e otimizado. A tecnologia Sigfox oferece uma solução de comunicação baseada em software, onde toda a complexidade da rede e da computação é gerenciada em nuvem e não nos dispositivos. Tudo isso em conjunto, reduz drasticamente o consumo de energia e os custos dos dispositivos conectados.

Nesse artigo vamos exibir uma visão técnica da tecnologia Sigfox, exibindo os detalhes do seu funcionamento, tecnologias e recursos que fazem dela uma excelente opção de conectividade para IoT.

Princípios da tecnologia

Neste capítulo vamos apresentar os princípios da tecnologia Sigfox demonstrando seu posicionamento e as vantagens competitivas.

Ultra-Narrow Band (UNB) 

A rede Sigfox usa a técnica de  Ultra Narrow Band para a transmissão de mensagens. Esta técnica usa canais de 100Hz de largura de banda nas regiões ETSI e ARIB (Europa, Japão), e de 600Hz na região FCC (Américas, Oceania).

Nas regiões ETSI as mensagens são transferidas a 100bps e nas Regiões FCC a 600bps.

A rede Sigfox é baseada em Ultra-Narrow Band
Figura 1 – A rede Sigfox é baseada em Ultra-Narrow Band

A tecnologia Ultra Narrow Band se caracteriza por um uso ótimo da potência disponível, o que permite que os dispositivos Sigfox se comuniquem por longas distâncias de forma confiável, mesmo em canais com interferências e ruídos.

A faixa de frequência utilizada depende da região. Na Europa, por exemplo, é usada a faixa ente 868 e 868,2 MHz. Já no resto do mundo é usada a faixa entre 902 e 928 MHz, havendo restrições de acordo com a regulamentação local.

O vídeo a seguir apresenta os detalhes da comunicação:

Acesso Aletório ao Canal / Diversidade 

O acesso aleatório é um recurso fundamental para alcançar uma alta qualidade de serviço, a transmissão não está sincronizada entre a rede e o dispositivo. O dispositivo envia a mensagem em uma frequência aleatória e em seguida envia 2 réplicas em diferentes frequências e tempo, criando diversidade de tempo e frequência.  Esta diversidade aumenta muito a resistência do sistema a interferências pois uma mesma mensagem tenta vários “caminhos” – frequências e tempos diferentes para garantir a recepção bem-sucedida da mensagem.

Salto de frequência nas repetições (ETSI)
Figura 2 –  Salto de frequência nas repetições (ETSI)

Recepção cooperativa

Na recepção cooperativa um objeto não está vinculado a uma estação base específica, ao contrário dos protocolos celulares. A mensagem emitida é recebida por uma estação base próxima e, em média, o número de estações base é de 3. Isso é chamado de “diversidade espacial”.

Mensagem recebida por múltiplas estações base Sigfox
Figura 3 – Mensagem recebida por múltiplas estações base Sigfox

Diversidade espacial, juntamente com a diversidade de tempo e frequência das repetições, são os principais fatores por trás da alta qualidade de serviço da rede Sigfox.

Mensagens Pequenas

Para atender as restrições de autonomia de bateria e custo dos objetos conectados,  o protocolo  Sigfox é otimizado para mensagens pequenas. O tamanho da mensagem vai de 0 a 12 bytes. Embora a princípio isto pareça pouco, com uma mensagem de até 12 bytes é o suficiente para a maioria das aplicações de IoT para objetos simples. Com 132 Bytes é possível enviar informações de sensores, eventos, coordenadas de GPS e dados da aplicação. A tabela a seguir exibe alguns exemplos de mensagens:

Tabela 1 – Exemplos de mensagens

Mensagem

Tamanho da Mensagem

Coordenada GPS

6 byte complete, muito menos se delta da última posição completa

Temperatura

10 bits (de -40 a +105 com 0,1C de precisão)

Velocidade

1byte – 0 a 255 Km/h

Status do objeto

1 bit

Keep Alive

0 bytes!

O vídeo a seguir exibe os detalhes das mensagens:

Principais características da rede Sigfox

Esta seção aborda as principais características da rede Sigfox em termos de arquitetura e performances.

Visão geral da arquitetura de rede

A rede Sigfox possui uma arquitetura horizontal e estreita, composta por 2 camadas principais:

Arquitetura da rede Sigfox
Figura 4 – Arquitetura da rede Sigfox

A camada Network Equipment consiste essencialmente em estações base responsáveis pelo recebimento das mensagens enviadas pelos dispositivos e envio das mesmas para a camada Sigfox Support Systems.

A camada Sigfox Support System constitui a rede principal sendo encarregada de processar as mensagens e enviá-las através de callbacks para o sistema do cliente. Esta camada fornece também o ponto de entrada para os diferentes atores do ecossistema (operadores Sigfox, Sigfox canais e clientes finais) para interagir com o sistema através de interfaces de atendimento na web ou APIs. Ela também inclui módulos e recursos que são essenciais para garantir a implantação, operação e o monitoramento da rede, como o sistema de suporte empresarial para pedidos e cobranças, e suporte de rádio para garantir o bom funcionamento da rede.

A comunicação entre as camadas é feita através da Internet por uma conexão VPN.

Arquitetura de rede plana

A arquitetura plana da rede Sigfox é a chave para reduzir os custos de investimentos e operacional. O Software Defined Radio (SDR) Sigfox ajuda a reduzir os custos das estações base e a aumentar sua flexibilidade. Esta flexibilidade de um rádio definido por software reduz substancialmente o custo total de operação, garantindo que um único HW seja capaz de operar no mundo inteiro.

Nesta arquitetura a operadora Sigfox – no Brasil a WND – entrega aos seus parceiros as camadas de rede intermediárias prontas para uso. Cabe ao desenvolvedor a criação da aplicação na nuvem e a escolha ou criação dos dispositivos que pretende usar. Não há necessidade de se preocupar com a compra de gateways, sua instalação e manutenção planejamento de RF, contratação e estabelecimento de backhaul, criação de um servidor para receber mensagens em tempo real, etc. Todos estes elementos são providos pela operadora Sigfox, no Brasil a WND.

Arquitetura plana
Figura 5 – Arquitetura plana

Alta capacidade de rede

A rede Sigfox possui uma alta capacidade de rede permitindo a escala de bilhões de objetos conectados. Essa capacidade de rede são resultados dos seguintes fatores:

  • A modulação ultra-narrow band tem o benefício de eficiência no espectro e resistente a interferências, enquanto toda a energia é concentrada em uma largura banda muito pequena;
  • Diversidade de tempo e frequência, introduzida pelo acesso aleatório;
  • Diversidade espacial devido às células de rede sobrepostas.
Combinação de especificações Sigfox resulta em uma alta capacidade da rede
Figura 6 – Combinação de especificações Sigfox resulta em uma alta capacidade da rede

Outra vantagem é que a capacidade é a mesma independentemente do link de rádio, enquanto outras redes têm uma capacidade decrescente à medida que a qualidade do link de rádio piora:

Capacidade de manutenção independentemente da qualidade do link de rádio
Figura 7  – Capacidade de manutenção independentemente da qualidade do link de rádio

Veja o vídeo explicando como a alta capacidade de rede é possível:

Alta eficiência energética

A alta eficiência energética permitida pela tecnologia Sigfox permite que os parceiros produzam chips que consomem de 10 mA a 50 mA durante a transmissão. Esse valor vai depender do chip utilizado. A figura a seguir exibe o consumo em durante a comunicação e tempo inativo:

Baixíssimo consumo aumenta o tempo de bateria (região FCC)
Figura 8 – Baixíssimo consumo aumenta o tempo de bateria (região FCC)

Como não é necessário sincronização ou controle de acesso ao meio, não há mensagens de sincronização sendo trocadas entre o dispositivo e a estação base antes de transmitir os dados. Sendo uma grande vantagem em comparação com outras tecnologias que incluem todas essas etapas adicionais, impactando no consumo. Além disso, o consumo quando o dispositivo está em modo inativo é muito baixo, na ordem de nano amperes.

Longo alcance

Uma das principais vantagens competitivas da tecnologia Sigfox está na grande cobertura possível e com um número relativamente pequeno de estações base. Esta vantagem deriva de:

  • O “link budget” muito bom da tecnologia Sigfox. O link budget é a soma da sensibilidade da estação base, da potência de saída do dispositivo e ganhos de antena. Ele indica quanto o sinal pode ser atenuado e ainda assim se ter uma recepção perfeita. Na tecnologia Sigfox o link budget é de 158dB, da mesma ordem de LTE e NB-IOT;
  • A Taxa de dados propositalmente limitada a menos que 600bps aumenta a sensibilidade do receptor e a chance de uma recepção adequada;
  • Boa cobertura indoor, devido ao uso de banda sub-GHz.
Link Budget Sigfox (região FCC)
Figura 9 – Link Budget Sigfox (região FCC)

Resiliência a interferências

A tecnologia Sigfox apresenta capacidades anti-jamming únicas, devido à robustez intrínseca da UNB, juntamente com a diversidade espacial das estações de base (+20 dB).

Devido às razões técnicas mencionadas acima, a UNB é extremamente robusta em um ambiente com outros sinais, incluindo sinais de espectro espalhado. Ultra Narrow Band é, portanto, a melhor escolha para operar na banda pública industrial, científica e médica (ISM).

A melhor prova da alta resiliência aos interferentes é a capacidade de transmitir apesar da presença de sinais de interferência. A modulação de banda ultra-estreita tem uma certa robustez intrínseca porque a sobreposição com o ruído é muito baixa. Para que uma mensagem seja recebida, o sinal deve ser pelo menos 8 dB acima do nível de ruído, conforme exibido na figura a seguir:

Capacidades anti-jamming provida pela UNB
Figura 10 – Capacidades anti-jamming provida pela UNB

O video a seguir exibe um resumo dos benefícios da tecnologia Sigfox:

Segurança

Com base em sua expertise e suas parcerias, a Sigfox aplicou a segurança por princípios de design em todas as etapas de definição do seu protocolo e no desenvolvimento de sua infra-estrutura.

Isso abrange a cadeia IoT completa, incluindo dispositivos, infra-estrutura de rede e serviços baseados na nuvem:

Segurança por padrão
Figura 11 – Segurança por padrão

O video a seguir apresenta como a rede Sigfox implementa a segurança por padrão:

Ferramentas de cobertura de serviços

Este capítulo apresenta os diferentes recursos fornecidos aos parceiros para avaliar a cobertura do serviço Sigfox.

Acesso público à cobertura

Um link para um mapa de cobertura pode ser acessado através do site Sigfox:

www.sigfox.com/coverage

Mapa de Cobertura Sigfox
Figura 12 – Mapa de Cobertura Sigfox

Esse mapa é constantemente atualizado.

Mapa de serviço

Um mapa de serviço está disponível no portal OSS para operadores e canais para seus territórios.

Um mapa de serviço integrado ao portal OSS
Figura 13 – Um mapa de serviço integrado ao portal OSS

Funciona como um mapa de calor que fornece informações de cobertura em tempo real. O usuário seleciona a classe de uplink do produto e a margem de radiolink desejada para obter o mapa de serviço Sigfox correspondente a uma aplicação:

API de cobertura global

Uma nova API está sendo desenvolvida e será ficará disponível para todos os usuários do portal OSS (Operadores e Clientes).

O objetivo é fornecer a qualidade de cobertura de todas as operadoras públicas Sigfox em todo o mundo, sendo adaptado a qualquer tipo de aplicação.

O POST request é feito com latitude e longitude {lat, long} ou com um endereço postal específico. A saída é simplesmente a margem de sinal das melhores células de serviço.

API de cobertura global para avaliar a cobertura da rede em diferentes locais
Figura 14 – API de cobertura global para avaliar a cobertura da rede em diferentes locais

A rede Sigfox no Brasil

A rede Sigfox já está estabelecida em 32 países e está disponível no Brasil. Ela é fornecida em nosso país, pela WND, uma operadora com sede no Reino Unido e operações em toda a América Latina (http://wndbrasil.com/).

Para mais detalhes sobre a rede Sigfox, assista o webinar gravado com José Almeida, Diretor de Dispositivos e Ecossistema da WND, disponível no página de parceiros da Sigfox

(*Esse post foi patrocinado WND Brasil) 

Website | Veja + conteúdo

A WND Brasil é a operadora Sigfox no Brasil e está implantando a primeira rede dedicada à Internet das Coisas no país usando essa tecnologia.

Conectar o que ainda não foi conectado é o nosso foco.

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