O Protocolo Sigfox

Sigfox é uma solução de baixo custo, confiável, de baixa potência de transmissão para conectar sensores e dispositivos, principalmente visando o mundo de IoT e a nova Indústria 4.0. O protocolo Sigfox concentra-se em:

  • grande autonomia com baixo consumo de energia, permitindo anos de vida útil da bateria;
  • simplicidade na configuração, solicitação de conexão ou sinalização;
  • baixo custo de hardware utilizado nos dispositivos para uma rede, onde se pode otimizar sistemas para serem o mais rentável possível;
  • utiliza pequenas mensagens e apenas pequenas notificações;
  • graças ao seu baixo custo e facilidade de configuração, pode-se também usar o Sigfox como uma solução secundária para qualquer outro tipo de rede, como por exemplo Wi-Fi, Bluetooth, GPRS etc.

A rede Sigfox possui uma arquitetura horizontal, conforme figura 1, composta por duas camadas principais.

 

Arquitetura da rede Sigfox
Figura 1 – Arquitetura da rede Sigfox

 

A primeira camada é a de equipamento de rede, que consiste essencialmente de estações bases (e outros elementos como, por exemplo, antenas) encarregadas de receber mensagens de dispositivos e transferi-las para os Sistemas de Suporte da Sigfox.

O Sigfox Support System é a segunda camada que constitui a rede principal encarregada de processar as mensagens e envia-las por meio de chamadas de retorno para o sistema do cliente. Esta camada fornece também o ponto de entrada para os diferentes atores do eco-sistema (Sigfox, operadores Sigfox, canais e clientes finais) para interagir com o sistema através de interfaces web ou APIs. Esta camada também inclui módulos e recursos que são essenciais para garantir a implantação, operação e monitoramento da rede, como o Business Support System para pedidos e faturamento, o Radio Planning, a implantação da rede e o monitoramento para garantir o bom funcionamento da rede. Além disso, esta camada inclui repositório e ferramentas para analisar os dados coletados ou gerados pela rede.

 

Entendendo a tecnologia Sigfox

 

Rede de serviços Sigfox

Figura 2 – Rede de serviços Sigfox

 

Algumas empresas na Europa, EUA, ou mesmo no Brasil, já estão criando uma rede para comunicação com Sigfox. Se um cliente tem um dispositivo que se comunica usando outras redes, o dispositivo pode já ser compatível com Sigfox, conforme requisitos da rede. Se não, será possível construir, certificar e conectar este dispositivo.

Seguem algumas etapas para se inscrever em uma rede Sigfox.

  • A rede Sigfox é global e gerida por operadores Sigfox locais (SO).
  • A contratação de um SO concede-lhe acesso:
    • à rede pública Sigfox;
    • à nuvem Sigfox, onde você pode ver e gerenciar todos os seus dispositivos na rede;
    • à plataforma de suporte Sigfox, disponível 24/7 para fácil solução de problemas enquanto se desenvolve um produto.

 

Visão geral da rede

A rede Sigfox funciona com mensagens leves (12 bytes, excluindo-se os cabeçalhos de carga). O ciclo de vida de uma mensagem Sigfox é sempre o mesmo:

  • um dispositivo “acorda” e emite uma mensagem usando sua antena de rádio;
  • várias estações base Sigfox na área recebem a mensagem;
  • estações base enviam a mensagem para a nuvem Sigfox;
  • a nuvem Sigfox envia a mensagem para a plataforma backend do cliente.

 

Rede de mensagens Sigfox
Figura 3 – Rede de mensagens Sigfox

 

O que é uma estação base Sigfox?

As estações de base são antenas Sigfox locais, encarregadas de receber mensagens de dispositivos emissores e encaminhá-las para a nuvem Sigfox. Elas são implantadas no campo pelos operadores locais (SO).

São compostas por três elementos principais:

  • uma antena, para receber mensagens pelo ar, geralmente implantada em pontos altos ou torres;
  • um LNA ou LNAC (amplificador de baixo ruído), para amplificar o sinal e o filtrar o ruído;
  • um ponto de acesso, que recebe as mensagens e as envia para a nuvem Sigfox.

Uma vez conectadas, se tornam parte de uma rede pública e começam a ouvir todas as mensagens Sigfox enviadas por dispositivos na vizinhança.

 

Cobertura

Sigfox é uma rede pública, o que significa que os dispositivos vão depender da infraestrutura implantada pelo operador local para se comunicar. A cobertura pública completa pode ser encontrada em: https://www.sigfox.com/en/coverage.

Os operadores também desenvolveram diversas gamas de soluções para cobrir todas as necessidades de uso, tais como:

  • conectividade como um serviço (CAAS) – se o seu negócio está localizado em um país onde está implantado Sigfox, mas sua área ainda não está coberta, pode-se alugar estações base Sigfox, hospedar seu próprio ponto de acesso e estender a rede Sigfox de uma forma simples, flexível e econômica;
  • SDR dongle – se é um fabricante de dispositivos localizados em uma área onde Sigfox ainda não está presente, pode-se comprar um dongle Sigfox SDR, que permite emular localmente uma rede Sigfox para testar e integrar os dispositivos.

As faixas de frequências utilizada no padrão Sigfox são apresentadas na figura 4, ou seja, utilizam-se frequências na faixa de MHz de forma que a área de cobertura seja bem significativa para o envio de mensagens de baixa capacidade, na faixa de bps. Neste caso, é possível alcançar, em campo aberto, algumas dezenas de quilômetros por estação rádio base. Imaginem as perspectivas de novos negócios que podem ser criadas tanto no campo como na cidade.

 

Faixas de frequências do Sigfox
Figura 4 – Faixas de frequências do Sigfox

 

O Sigfox está usando 192 kHz da banda disponível publicamente para trocar mensagens no ar. A modulação é a banda Ultra-Narrow, onde cada mensagem tem 100 Hz de largura e é transferida com uma taxa de dados de 100 ou 600 bits por segundo, dependendo da região. O acesso aleatório é um recurso importante para obter uma alta qualidade de serviço, uma vez que a transmissão não está sincronizada entre a rede e o dispositivo. O dispositivo emite uma mensagem em uma frequência aleatória e, em seguida, envia duas réplicas em diferentes frequências e tempo, que é chamado de “diversidade de tempo e frequência”, conforme a figura 5.

 

Salto em frequência com réplicas
Figura 5 – Salto em frequência com réplicas

 

Uma mensagem com uma carga útil de 12 bytes leva 2,08 s pelo ar com uma taxa de 100 bps. As estações base Sigfox monitoram o espectro completo de 192 kHz e procuram sinais UNB para demodular.

O princípio da recepção cooperativa é que um objeto não está ligado a uma estação base específica, ao contrário dos protocolos celulares, uma vez que a mensagem emitida é recebida por quaisquer estações base que estejam próximas e, em média, o número de estações base é 3 (três). Isso é chamado de “diversidade espacial”.

 

Recepção das mensagens por múltiplas estações base Sigfox
Figura 6 – Recepção das mensagens por múltiplas estações base Sigfox

 

Diversidade espacial associada à diversidade temporal e de frequência das repetições são os principais fatores por trás da alta qualidade de serviço da rede Sigfox.

 

Pequenas mensagens

Para resolver as restrições de custo e autonomia de objetos remotos, no Sigfox, projetou-se um protocolo de comunicação para pequenas mensagens. O tamanho da mensagem vai de 0 a 12 bytes. Uma carga útil de 12 bytes é suficiente para transferir dados do sensor, o status de um evento como um alerta, coordenadas de GPS ou até mesmo dados de aplicativos.

Listamos alguns exemplos de tamanho de carga útil na figura 7.

 

Tamanho de carga útil
Figura 7 – Tamanho de carga útil

 

O regulamento na Europa afirma que podemos ocupar a faixa pública 1% do tempo, o que se traduz em 6 mensagens de 12 bytes por hora ou 140 mensagens por dia. Para mensagens de downlink, o tamanho da carga é estático: 8 bytes, o que é suficiente para acionar uma ação, gerenciar um dispositivo ou definir parâmetros de aplicativo remotamente.

O ciclo de serviço para a estação base é de 10%, o que garante 4 mensagens de downlink por dispositivo por dia. Se houver recursos extras, o dispositivo poderá receber mais.

 

Conclusão

Iremos tratar em artigos futuros um pouco mais do Sigfox comparando com o Lora, já explanado em artigo anterior (veja aqui). Muitos equipamentos sensores e atuadores já estão saindo de fábrica preparados para trabalhar não só com o Lora, mas também com o Sigfox, o que permite novas funções e controles para automação predial, cidades inteligentes ou mesmo para controles diversos na agropecuária, o que vem ao encontro da Indústria 4.0. O futuro já está aí e as oportunidades também.

 

Bibliografia

https://build.sigfox.com/steps/sigfox

 

Deixe uma resposta

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *