Sigfox, una solución para para M2M y el IoT

¿Qué es Sigfox?

SigFox proporciona un sistema que tiene como objetivo proporcionar un largo alcance de baja potencia y velocidad de datos de conectividad para el Internet de las Cosas a una red de estaciones base.

SigFox es una forma de comunicación inalámbrica de estilo celular, de largo alcance, bajo consumo y baja tasa de datos que ha sido desarrollada para proporcionar conectividad inalámbrica a dispositivos como sensores remotos, actuadores y otros dispositivos M2M e IoT.

La interfaz inalámbrica SigFox ha sido desarrollada para permitir que cualquier comunicación que tenga lugar consuma una cantidad mínima de energía. De esta manera, los dispositivos remotos pueden funcionar con energía de la batería durante períodos muy prolongados sin necesidad de cambios de batería o mantenimiento.

Además de esto, las comunicaciones M2M e IO se comunicarán a largas distancias y el sistema SigFox ha sido diseñado para permitir que las transmisiones cubran largas distancias, permitiendo el uso de un número limitado de estaciones base.

Utilizando un enfoque de estilo celular, los nodos remotos del SigFox pueden comunicarse con las estaciones de base que tienen conexión a la Internet, permitiendo así el control remoto y la reunión de datos desde cualquier lugar con conexión a la Internet.

De esta manera, SigFox puede proporcionar una conexión de baja tasa de datos a cualquier lugar que esté cubierto por una red a un costo muy bajo para muchas aplicaciones M2M e IO.

Específicamente, SigFox instala antenas en torres (como una compañía de teléfonos celulares), y recibe transmisiones de datos de dispositivos como sensores de estacionamiento o medidores de agua. Los sistemas inalámbricos SigFox envían cantidades muy pequeñas de datos (12 bytes) muy lentamente (300 baudios) usando métodos estándar de transmisión por radio (tecleado por cambio de fase – DBPSK – subiendo y tecleado por cambio de frecuencia – GFSK – bajando). El largo alcance se logra como resultado de mensajes muy largos y muy lentos. La teoría de la información dice que cuanto más lento se transmite, más fácil es «escuchar» el mensaje.

Esta tecnología se adapta bien a cualquier aplicación que necesite enviar pequeñas e infrecuentes ráfagas de datos. Cosas como sistemas básicos de alarma, monitoreo de ubicación y medición simple son todos ejemplos de sistemas unidireccionales que podrían tener sentido para esta red. En estas redes, la señal se envía típicamente unas cuantas veces para «asegurar» que el mensaje pase. Si bien esto funciona, existen algunas limitaciones, como la menor duración de las baterías para las aplicaciones alimentadas por baterías, y la incapacidad de garantizar que un mensaje sea realmente recibido por la torre.

Otra forma de diseñar una red es bidireccional (como tu teléfono móvil). SigFox no ha desplegado ninguna red bidireccional, aunque se ha dicho que está trabajando en la tecnología. Si tienen éxito en el despliegue de una red bidireccional, esto permitirá una mayor variedad de aplicaciones en sus redes, aunque no tendrá un enlace simétrico debido a la tecnología subyacente que han elegido.

La red SigFox tiene por objeto proporcionar conectividad a una variedad de aplicaciones y usuarios. No está dirigida a un solo ámbito, sino a ser de uso general para una variedad de diferentes tipos de usuarios. El rendimiento de la red SIGFOX se caracteriza por lo siguiente:

• Hasta 140 mensajes por objeto y día
• El tamaño de la carga útil de cada mensaje es de 12 bytes
• Rendimiento inalámbrico de hasta 100 bits por segundo

Áreas de aplicación del SigFox M2M

La red y la tecnología SigFox están dirigidas a las áreas de aplicación de bajo costo de máquina a máquina donde se requiere una cobertura de área amplia. Hay un número de aplicaciones que necesitan esta forma de tecnología de comunicaciones inalámbricas de bajo costo. Las áreas en las que se puede utilizar la red SigFox incluyen:

• Hogar y bienes de consumo
• Las comunicaciones relacionadas con la energía, en particular la medición inteligente
• La atención sanitaria, en particular las aplicaciones mHealth que están empezando a desarrollarse
• Transporte – esto puede incluir la gestión del automóvil
• Monitoreo y control remoto
• La venta al por menor, incluyendo el punto de venta, la actualización de los estantes, etc.
• Seguridad

Red de acceso de radio SigFox

En vista de las bajas velocidades de datos utilizadas para las conexiones de IO, la red SIGFOX emplea tecnología de Banda Ultra Estrecha, UNB. Esto permite utilizar niveles muy bajos de potencia de transmisión y al mismo tiempo mantener una conexión de datos robusta.

El enlace de radio SigFox utiliza bandas de radio ISM sin licencia. Las frecuencias exactas pueden variar según las regulaciones nacionales, pero en Europa se utiliza la banda de 868MHz; en los Estados Unidos es de 915MHz y en Asia de 433MHz.

La densidad de las células de la red SigFox se basa en un rango promedio de unos 30-50km en las zonas rurales y en las zonas urbanas donde suele haber más obstrucciones y el ruido es mayor el rango puede reducirse a entre 3 y 10km. Las distancias pueden ser mucho mayores para los nodos exteriores donde SIGFOX afirma que los mensajes de línea de vista podrían viajar más de 1000km, aunque las cifras más usuales serán mucho menores que esto.

La topología general de la red SigFox ha sido diseñada para proporcionar una red escalable de alta capacidad, con un consumo de energía muy bajo, manteniendo al mismo tiempo una infraestructura celular basada en estrellas simple y fácil de desplegar.

El funcionamiento de SigFox se basa en el uso de anchos de banda muy estrechos. El enlace ascendente y el descendente tienen características diferentes:

• Enlace ascendente o Uplink: El ancho de banda del enlace ascendente es de sólo 100 Hz en el área europea y el esquema de modulación es DBPSK, incrustación por desplazamiento de fase binaria diferencial. En Europa la disponibilidad de frecuencia del enlace ascendente está limitada a frecuencias entre 868,00 y 868,60 MHz y la potencia máxima está limitada a 25 mW. Además, la Unión Europea ha limitado el ciclo de trabajo máximo a un tiempo de transmisión medio máximo del 1% para compartir equitativamente el uso del espectro entre todos los usuarios de éste y otros sistemas de comunicaciones similares.
• Enlace descendente o Downlink: Para el enlace descendente el ancho de banda del canal es de 1,5 kHz y se utiliza la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana como formato de modulación. Esto proporciona una velocidad de datos de 600 bps. La banda de frecuencias del enlace descendente se limita a las frecuencias comprendidas entre 869,40 y 869,65 MHz. En el caso del enlace descendente, la potencia de salida se limita a un máximo de 500mW con un ciclo de trabajo del 10%. Una vez más este ciclo de trabajo está limitado por las regulaciones de la UE.

Aunque las limitaciones del ciclo de trabajo afectan a todas las aplicaciones del tipo IoT / M2M que utilizan la banda de 868MHz, limita la transmisión de datos de Sigfox. Esto significa que la longitud máxima de un paquete SigFox es de 24 bytes, y de este, los datos de la carga útil pueden ocupar un máximo de 12 bytes. En consecuencia, se puede ver que con la velocidad de datos de 100 bps cada transmisión de paquetes toma alrededor de 2 segundos. Además, cada transmisión de un dispositivo SigFox consiste en tres paquetes transmitidos cada uno de ellos en tres frecuencias diferentes elegidas de una secuencia pseudoaleatoria. La transmisión múltiple de los datos es demandada para asegurar la integridad de los datos recibidos.

Las primeras versiones de SigFox sólo admitían transmisiones de enlace ascendente, pero más tarde el sistema evolucionó para admitir la comunicación bidireccional, a pesar de que existe una importante asimetría en el enlace, como se ve en los detalles del enlace ascendente y el descendente.

En cuanto al protocolo del sistema, la comunicación del enlace descendente, es decir, los datos de las estaciones de base a los dispositivos finales, sólo puede ocurrir después de una comunicación del enlace ascendente.

Además, el número de mensajes enviados cada día es limitado, lo que hace que el sistema sea ideal para nodos de vigilancia a distancia de baja velocidad de datos, etc. En vista de ello, no se establecen acuses de recibo, pero la fiabilidad de la comunicación ascendente se obtiene mediante el uso de la diversidad de tiempo y frecuencia, así como la duplicación de las transmisiones.

Como el SigFox es un estándar patentado, se permiten diferentes números de mensajes cada día según el plan que se haya seleccionado.

Parámetros del sistema Sigfox

Las cifras clave de la interfaz de radio Sigfox se resumen en la siguiente tabla:

Parámetros del sistema Sigfox
Parámetro	Figuras de Sigfox
Formato de la señal	Banda ultra estrecha, UNB
Modulación	Enlace descendente: GFSKUplink DBPSK
Ancho de banda del canal de bajada	100 / 600 Hz (Eu / USA)
Ancho de banda del canal de enlace ascendente	1,5 kHz
Tasa de datos de enlace ascendente	Eu: 100 bps USA 600 bps
Tasa de datos de enlace descendente	600 bps
Eficiencia (b/s.Hz)	0.05
Sensibilidad Doppler	Sin restricciones
Presupuesto del enlace	156dB

Arduino MKRFOX 1200 y Sigfox

Arduino MkrFox1200 suena como Arduino for Maker usando Sigfox. Este tablero es un producto oficial de Arduino, parecido a la serie Nano de Arduino (pero no compatible con los pines, más largo y más grande)

Está compuesto por un MCU SAM D21E (Microchip ARM Cortex M0) que opera a 48MHz. Incluye 256K de memoria flash y 32K de SRAM. Podemos considerar esto como un Arduino bajo esteroides.

La capa de radio Sigfox está compuesta por un ATA8520. Este es un módulo Microchip Sigfox basado en el AVR MCU. Este módulo se comunica con el módulo SAM D21E con un bus SPI. El módulo de radio está soportando la zona RCZ1 (Europa).

Este tablero se puede encontrar en muchos lugares de internet por un precio alrededor de 45 euros incluyendo una antena y 2 años de acceso a la red Sigfox.

Veamos en vídeo como usar Sigfox con Arduino MKR FOX1200: