Explicando Sigfox

Thomas Michaslki -

Sigfox é uma tecnologia de Rede de Longo Alcance de Baixa Potência (LPWAN) especialmente projetada para a Internet das Coisas. Dispositivos conectados via SigFox consomem pouca energia e operam em longas distâncias, em comparação com os protocolos de conexão Wi-Fi e Bluetooth, que consomem mais energia e funcionam melhor em curtas distâncias. A cronologia de uma aplicação SigFox segue estes três passos básicos:

  1. Numerosos objetos (dispositivos) conectados à Internet enviam dados através da rede SigFox para uma estação base SigFox (gateway).
  2. A estação base detecta, demodula e envia as mensagens para a nuvem SigFox através de 3 canais, pelo menos a cada 10 minutos.
  3. A nuvem SigFox então envia essas mensagens para diversos servidores de clientes e plataformas IoT , com base na aplicação do cliente.

Tecnicamente, a rede SigFox difere de outras redes LPWAN nos métodos de envio de dados e nas diretrizes elétricas que regem a quantidade, a velocidade e a duração dos dados transmitidos. A SigFox é mais utilizada em aplicações de baixo consumo de energia pequenas quantidades de dados, com pouca frequência, em longas distâncias . Ideal para ambientes agrícolas e gerenciamento de ativos em grandes áreas.

Como funciona o Sigfox?

A rede SigFox consiste nos seguintes elementos :

  • Objetos (dispositivos)
  • Estações base (gateway)
  • Nuvem (internet)

O diagrama abaixo ilustra os principais elementos da transmissão de dados via SigFox:

DPSK é um método usado por estações base (gateway) para converter um sinal, depurá-lo e encaminhá-lo para a nuvem para processamento.

A transmissão de dados SigFox pode ser melhor compreendida da seguinte forma: Objetos (dispositivos) são conectados à internet usando a rede SigFox. O objeto pode ser um sensor de temperatura, umidade e/ou saturação (etc.) localizado a até 1.000 metros de uma estação base ( gateway ). O SigFox utiliza modulação por deslocamento de fase (DPSK) para comunicação do dispositivo com a nuvem, ou "uplink", e modulação por deslocamento de frequência (FSK) para comunicação da nuvem com o dispositivo, ou "downlink".

O que é DPSK?

DPSK é um método usado por estações base ( gateway ) para converter um sinal, depurá -lo e convertê-lo de volta para ser enviado à nuvem. Quando um sinal viaja de um dispositivo para uma estação base, ele inevitavelmente encontra interferência do ambiente (como chuva ou florestas densas). A interferência é universal; qualquer sinal de qualquer rede de internet será prejudicado e parecerá ligeiramente diferente ao chegar ao seu destino. O SigFox atenua esse problema utilizando DPSK. O papel do DPSK é garantir que o sinal que sai da estação base seja exatamente o mesmo sinal que saiu do dispositivo. O hardware da estação base realiza isso alterando a fase do sinal para detectar e eliminar as interferências. O hardware SigFox nas estações base realiza isso da seguinte forma:

  1. O objeto envia dados para a estação base na forma de bits digitais. Um pulso "alto" ocorre quando há um 1, e um pulso "baixo" ocorre quando há um 0. Aqui está um fluxo de bits digitais de entrada: 1 1 0 0 0 1 1 0:

  1. Esse fluxo de bits é então convertido em uma diferente de 1s e 0s ao passar pelo circuito demodulador. A nova sequência não é arbitrária, mas sim cuidadosamente calculada usando hardware sofisticado. O objetivo dessa conversão é preparar o sinal para análise elétrica. Sempre que o estado do sinal de entrada passa de alto para baixo (1 para 0), o hardware desloca a fase do sinal. Deslocar a fase de um sinal significa simplesmente impor um intervalo de tempo entre o caminho original e o novo caminho do sinal. Uma vez que a fase é deslocada, o sinal ficará atrasado ou adiantado em relação ao caminho original.

  1. Quanto mais um sinal na estação base sofre defasagem de fase, mais expostos ficam seus defeitos. Analogamente, quanto mais frequentemente uma pessoa ferida visita o hospital, mais radiografias os médicos solicitam para melhor compreender e corrigir a lesão. Quando um sinal é "danificado" pelo ambiente, a lesão não é perceptível até que o sinal sofra defasagem de fase e passe pelo circuito de "raio-X", que analisa essas defasagens, descobre onde existem os defeitos e, subsequentemente, "limpa" os dados para transmissão. Em resumo, o hardware da estação base desloca a fase para "radiografar" os dados e diagnosticar quais interferências/defeitos existem e como corrigi-los.
  2. Na sequência, o circuito de hardware converte o sinal original de volta à sua sequência base, mas sem as distorções.

Quando a nuvem recebe um sinal de uplink da estação base, ela responde com um sinal de downlink para o dispositivo. Os sinais de downlink utilizam a modulação por deslocamento de frequência (FSK).

O que é Modulação por Deslocamento de Frequência (FSK)?

A modulação por deslocamento de frequência (FSK) é semelhante à modulação por deslocamento de fase diferencial (DPSK) no sentido de que ambos os processos convertem o sinal de entrada, analisam/detectam as imperfeições, eliminam-nas e convertem os dados de volta ao sinal original. No entanto, em vez de deslocar e analisar a fase, a FSK desloca e analisa a frequência. Assim como os deslocamentos de fase na DPSK, os deslocamentos de frequência na FSK expõem as imperfeições do sinal, permitindo que circuitos sofisticados as depurem. A questão que se coloca agora é: por que a SigFox utiliza DPSK para transmissão de uplink e FSK para downlink?

  1. O DPSK é mais eficiente em termos de largura de banda do que o FSK, portanto, possui menos frequências e canais disponíveis para transmitir o sinal.
  2. Menos “espaço” para transmitir o sinal = menor taxa de dados e capacidade de processamento
  3. Taxa de dados mais baixa = receptor mais sensível (como uma estação base) ao sinal
  4. Maior sensibilidade = maior alcance possível. Ou seja, os dados dos dispositivos sensores podem ser detectados a uma distância maior.
  5. Os sinais de uplink normalmente encontram mais interferência do que os sinais de downlink, portanto, ter uma largura de banda estreita em DPSK significa que a potência fica mais concentrada, resultando em maior robustez à interferência
  6. Como a interferência não é uma preocupação tão grande no downlink, os sinais de downlink se concentram em alcançar o maior número possível de aplicações da maneira mais eficiente. Em FSK, mais largura de banda = mais espaço para enviar um sinal = mais aplicações alcançáveis

Conclusão

A tecnologia utilizada pela SIGFOX proporciona uma rede de comunicação de longo alcance, baixo consumo de energia e baixa taxa de transferência, com excelente proteção contra interferências ambientais, permitindo que os dados cheguem a diversas aplicações de forma eficaz. A SIGFOX ainda está na fase inicial de adoção de soluções de conectividade; no entanto, já existem milhões de dispositivos conectados em todo o mundo com a tecnologia SIGFOX, comprovando seu potencial para oferecer uma solução com boa relação custo-benefício em diversos mercados e setores. Para mais opções de conectividade no IoT , confira algumas considerações sobre LoRaWAN protocolos sem fio populares em todo o mundo.