通信

低成本/功耗/数据负载 Sigfox抢海量物联网利基应用

字号+ 作者:杨纯福 来源:2cm 2018-09-10 22:51

依据ABI研究,全球的物联网联机到2023年将超过10亿,这也是海量物联网概念的实现。Sigfox认为万物联网的应用应仅需要传送少量的数据,其网络小型讯息与低功耗的特性,适合应用在无需回传大讯息量的情境。




图片来源:http://www.engie.be/en/belgium-now-fully-covered-by-engie-s-iot-network/

 


依据ABI研究,全球的物联网联机到2023年将超过10亿,这也是海量物联网(Massive IoT)概念的实现。Sigfox认为万物联网的应用应仅需要传送少量的数据,其网络小型讯息与低功耗的特性,适合应用在无需回传大讯息量的情境。
 
物联网的发展让低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)应用需求大增,其中一个明星技术Sigfox认为万物互连的物联网应用应仅需要传送少量的数据,其网络“小型讯息”与“低功耗”的特性,适合应用在无需回传大讯息量的情境。因此,Sigfox网络适用于数据传输量较小、且有耗电考虑的情境。在整个物联网应用的范踌里面,金字塔的底层才是Sigfox的目标(如图1)。

 

图1 物联网应用类型与不同LPWAN技术目标市场
 
 
Sigfox技术原理
 
Sigfox将物联网数据传输,以低价格、低消耗功率、简单的设计达成全球范围的服务。依据ABI研究,全球的物联网联机到2023年将超过10亿,这也是海量物联网(Massive IoT)概念的实现。
 
Sigfox采用Sub-1GHz非授权频段频段进行通讯,这种无线电波为运作频率在1GHz以下的工业、科学和医疗专用频段。这些频段大多无需许可证或费用,只需要遵守一定的发射功率(一般小于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。虽然Sigfox采用不需额外申请、支付相关费用的非授权频谱,但是它却采用蜂巢式(Cellular Style)网络建置的架构,和NB-IoT一样需要透过厂商架设基地台提供通讯服务,它的特性是低布建成本与较高的讯号接收质量。
 
超窄频(Ultra-Narrow Band, UNB)技术
 
Sigfox的超窄频技术,采用200kHz(实际使用为192kHz)带宽来传递讯息,每个讯息长度为100Hz,根据不同无线配置区的规范传输速度分为100bps(RCZ1/RCZ3)与600bps(RCZ2/RCZ4)两种(图2)。也因其超窄频的技术,可以在极低电力消耗下达到大范围的讯号涵盖。Sigfox特性就是长距离及低数据量传输,非常的符合物联网的应用需求,且硬件装置设计上比传统的移动通讯网络(2G/3G/4G)又更简单、更省电、更便宜。
 
图2 Sigfox超窄频UNB传输模式
 
此外,Sigfox的超窄频技术在频谱上相较于其他通讯技术所占的带宽明显小上许多,亦即讯号之间不容易互相碰撞、干扰,且在相同带宽上能同时传送的讯息量也较多(图3)。
 

图3 Sigfox超窄频技术接收数据相较一般无线技术多
 
随机存取(Random Access)
 
Sigfox在确保传输有效性的情况下,会在三个不同时间(毫秒)内于不同频率发送三封讯息到终端设备附近的站台,并依照不同的无线配置区而有不同的数据传输率(Data Rate)(RCZ1/3:100bps、RCZ2/4:600bps)(图4),以RCZ2/RCZ4为例,从发送讯息到Sigfox云端(Cloud)需要0.36秒。
 
 
图4 Sigfox随机存取架构示意
 
多重接收(Cooperative Reception)
 

而在接收基地站台的部分,Sigfox采用多重传送接收模式,确保传出的讯息能够被周遭三个以上不同的基地站台收到(图5),借助此方式确保装置所传送讯息接收的成功率。
 
 
图5 Sigfox多重接收架构示意
 
小型讯息(Small Messages)
 
为达到低成本、低耗能的目标,Sigfox设计出了专为物联网小型讯息应用的通讯协议,此小型讯息可传载0到12bytes的资料。而12bytes的数据可以包含哪些内容?若以GPS经纬度坐标来说只需要6bytes,而温度以及加速度等信息也仅需要2bytes,而若应用只需要做on/off的切换的话也只需要1/8bytes,若更简单的应用如只需要确认设备是否还在运作与否的话也只需要传回heartbeat信息且不占用任何数据量(图6)。
 
 
图6 小型讯息所需要的数据量
 
双向传送(Bi-directional)
 
由于Sigfox技术是以物为主的技术,故下行(Downlink)讯息的启动必须由装置/传感器触发,且由装置传送后会产生20秒钟的延迟,而接收端最多会等待25秒以接收相关讯息。
 
Sigfox网络特性解析
 
扁平化网络架构
 
Sigfox扁平化的网络架构是将网络的资本及维运支出极小化的关键,降低总营运成本,Sigfox的网络架构于图7可见,由设备端到基地站、基地站到Sigfox云端(Cloud)至应用端的IT平台。
 

图7 Sigfox扁平化网络架构
 
其中,设备端可分为上行(Uplink)与下行(Downlink)两种模式,以设备端作为触发,提供双向数据传输模式,依欧盟欧洲电信标准协会(ETSI)规范上行传送单日不可超过140次,单一讯息数据传输量最大为12bytes、下行传送单日不可超过四次,单次数据传输量最大为8bytes。而回传的数据都会透过站台回传到Sigfox云端后台(Backend)中储存。User可再透过Sigfox云端后台设定将数据传回至应用平台进一步作为开发应用。
 
从传输层面,设备端到站台会透过一组经由Sigfox认证过的Private Key进行传输,而从站台到Sigfox云端方面则会透过VPN联机。最后,Sigfox云端到外部的应用平台则是透过HTTPS的通讯协议,以确保数据传送的安全性。
 
从网络架构图可知,Sigfox所提供的服务并非仅有网络联机,客户可以直接连结云端服务,Sigfox的云端系统整合服务,能够降低用户开发程序、存取数据的复杂度,用户只需在计算机上利用Sigfox云端服务平台,就能联机至物联网装置。这么一来,企业便无须担心网络与数据储存空间等基础设施的建构,可以更专注于IoT服务的开发。
 
轻量化通讯协议
 
Sigfox与一般通讯规范的不同在于其为物联网装置优化而设计的通讯协议,由于一般通讯协议是为了传输大量数据而设计,在传输过程中需要较多协议附加数据(Header),因此协议中的附加数据会较大,这种情况对于物联网装置来说相当吃亏,由于每次只传输数据的数据量都很小,如果无法缩小协议附加数据的容量,就代表通讯流量中有很大比例浪费在传送协议的附加数据,而非真正的用户数据。
 
Sigfox通讯协议传送较少的协议附加数据,能省下更多流量。由于Sigfox的小型讯息(Small Message)特性,使得终端设备得以消耗较低的电能即可传送讯息,因此终端设备的电池使用寿命亦能得到延长进而达到省电的目标(图8)。
 
 

图8 Sigfox轻量化通讯协议
 
无线配置区(Radio Configuration Zone, RCZ)
 
Sigfox目前在全球共划分为四个无线配置区(Radio Zone),不同无线配置区域之频率也不相同,如下所示:
 
RCZ1:欧洲、中东(阿曼、伊朗)与南非、突尼西亚、阿拉伯联合大公国。
 
RCZ2:美洲(美国、墨西哥、巴西)。
 
RCZ3:日本。
 
RCZ4:纽西兰、澳洲、新加坡、台湾地区、香港地区、哥伦比亚、阿根廷、哥斯达黎加、泰国、马来西亚、厄瓜多尔、巴拿马、萨尔瓦多等地。
 
Sigfox应用
 
Sigfox技术应用的四大特性就是:低功耗的联机装置、全球的联网服务、简易的使用模式及低总运营成本。
 
由于Sigfox的小型讯息特性,使得终端设备得以消耗较低的电能即可传送讯息,因此终端设备的电池使用寿命亦能得到延长进而达到省电用途,以Sigfox自行推出的多合一装置Sensit为例,集合了六种传感器(温度、湿度、亮度、加速度计、磁力仪、磁簧开关)与一个智能按钮,其使用期限可高达一年。
 
Sigfox也分别在西班牙与美国等多个不同场域部署了智慧停车解决方案,而由在台湾的实测也发现Sigfox的停车传感器电池寿命远比其他通讯技术来得久。
 
此外,借助全球物联网通讯服务的特性,终端设备只要绑定一个服务合约即可在涵盖Sigfox物联网网络的国家中可使用,无须支付漫游费用,而现行Sigfox物联网网络已经部署在全球46个国家。其中较著名的应用有2018年4月发表的Louis Vuitton Echo以及米其林(Michelin)的跨洲际海运货物的流量追踪解决方案。
 
Louis Vuitton Echo的大小约为110×15×20mm,当你把它放在箱内专属的绑带下面后,装置本身不占据太多的空间。而在续航力方面,每次充电只要一小时,便可维持六个月的使用时间。做为LV Horizon旅行箱的配件,Echo能借助内建的光线传感器,在箱内侦测行李是否被人打开。除此之外它还支持Sigfox的Monarch移动定位服务(Echo有三年的免费使用期),让用户可以在全球各主要机场透过LV Pass软件快速了解自己行李的状态。
 
Monarch移动定位服务于2017年9月在世界物联网博览会上亮相,是Sigfox推出的一项全新服务,通过自动识别和对应当地射频标准,使追踪设备能够在世界各地无缝运行。全球电信营运标准依照地理区域划分为三区,Monarch的使用将突破限制,为物流和供应链、消费市场以及航运、飞机和铁路产业的自动化维护开启了新兴的应用模式。资产追踪(物流产业)是巨量物联网中最重要的垂直产业,然而Monarch的诞生代表着重大的突破。在未来几年数百万的商机中,这个项目代表第一个实际商转的重要里程碑。Sigfox的价值定位是目前唯一让这样的商业模式可行的技术:全球同一网络、低成本、低耗能又简单使用的结合。
 
而米其林借助Sigfox France和Argon Consulting所共同开发的物联网的解决方案,也是运用Sigfox技术来追踪跨洲际海运货物的流量,另外,Sigfox使用的频段无需许可证或授权等费用,因此在终端设备的制造上也无需额外支付任何权利金,可大幅降低终端设备的制造成本,而这些终端设备的Sigfox物联网连接费用也相对低廉,可让万物联网的目标加速达成。










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