BLOG - Sistemas Embarcados

Este blog tem como autores os participantes do projeto Smart Campus e alunos das disciplinas: Sistemas Embarcados(Engenharia de Controle e Automação) e Plataformas de prototipação para Internet das Coisas (Especialização Lato Sensu em Internet das Coisas). O objetivo é a divulgação de trabalhos em desenvolvimento no campus que envolvam a utilização de conceitos de sistemas embarcados, internet das coisas, telemetria e outras tecnologias para a resolução de problemas da indústria, meio ambiente, cidades inteligentes, fazendas inteligentes, ....
Coordenação: Prof. Marcos Chaves

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Sigfox

Definição

 

               A SigFox foi desenvolvida por uma empresa francesa, que leva o mesmo nome, com o intuito de conectar todos os objetos do mundo físico ao universo digital. A SigFox trata-se de uma rede global dedicada à Internet das Coisas (IoT), baseada em baixo consumo de energia, longo alcance e dados que oferecem um serviço de conectividade de ponta a ponta.

 

Princípios da tecnologia

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).

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 entre 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.

 

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.

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”. 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.

Figura 3 – Mensagem recebida por múltiplas estações base 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. 

Tabela 1 – Exemplos de mensagens

 

 

Mensagem Tamanho da mensagem
Coodenada 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 1 byte - 0 a 255Km/h
Stats do Objeto 1 bit
Keep Alive 0 bytes

 

Principais características da rede Sigfox

Visão geral da arquitetura de rede:

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

Figura 4 – Arquitetura da rede Sigfox

Visão geral da arquitetura de rede

      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.  A camada Sigfox Support System 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. 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.

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.

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:

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

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:

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

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. 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.

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). 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:

Figura 10 – Capacidades anti-jamming provida pela UNB

Segurança

         Com base em sua experiência 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, infraestrutura de rede e serviços baseados na nuvem:

Figura 11 – Segurança por padrão

Referências Bibliográficas

EMBARCADOS. Uma visão técnica da Rede SigFox. Disponível em: https://www.embarcados.com.br/uma-visão-tecnica-da-rede-sigfox/. Acesso em: 15 jun. 2022.

SIGFOX. Nossa História. Disponível em: https://www.sigfox.com/en/sigfox-story. Acesso em: 15 jun. 2022.

[ID:118] Autor:Leonardo Bozza - Criado em: 2022-06-29 15:00:25 - [ Compartilhar ]