依據(jù)ABI研究,全球的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機到2023年將超過10億,這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實現(xiàn)。Sigfox認為萬物聯(lián)網(wǎng)的應用應僅需要傳送少量的數(shù)據(jù),其網(wǎng)絡小型訊息與低功耗的特性,適合應用在無需回傳大訊息量的情境。
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network,LPWAN)應用需求大增,其中一個明星技術(shù)Sigfox認為萬物互連的物聯(lián)網(wǎng)應用應僅需要傳送少量的數(shù)據(jù),其網(wǎng)絡“小型訊息”與“低功耗”的特性,適合應用在無需回傳大訊息量的情境。因此,Sigfox網(wǎng)絡適用于數(shù)據(jù)傳輸量較小、且有耗電考慮的情境。在整個物聯(lián)網(wǎng)應用的范躊里面,金字塔的底層才是Sigfox的目標(如圖1)。
圖1 物聯(lián)網(wǎng)應用類型與不同LPWAN技術(shù)目標市場
Sigfox技術(shù)原理
Sigfox將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸,以低價格、低消耗功率、簡單的設計達成全球范圍的服務。依據(jù)ABI研究,全球的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機到2023年將超過10億,這也是海量物聯(lián)網(wǎng)(Massive IoT)概念的實現(xiàn)。Sigfox采用Sub-1GHz非授權(quán)頻段頻段進行通訊,這種無線電波為運作頻率在1GHz以下的工業(yè)、科學和醫(yī)療專用頻段。
這些頻段大多無需許可證或費用,只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般小于1W),并且不要對其它頻段造成干擾即可。雖然Sigfox采用不需額外申請、支付相關(guān)費用的非授權(quán)頻譜,但是它卻采用蜂巢式(Cellular Style)網(wǎng)絡建置的架構(gòu),和NB-IoT一樣需要透過廠商架設基地臺提供通訊服務,它的特性是低布建成本與較高的訊號接收質(zhì)量。
超窄頻(Ultra-Narrow Band, UNB)技術(shù)
Sigfox的超窄頻技術(shù),采用200kHz(實際使用為192kHz)帶寬來傳遞訊息,每個訊息長度為100Hz,根據(jù)不同無線配置區(qū)的規(guī)范傳輸速度分為100bps(RCZ1/RCZ3)與600bps(RCZ2/RCZ4)兩種(圖2)。也因其超窄頻的技術(shù),可以在極低電力消耗下達到大范圍的訊號涵蓋。Sigfox特性就是長距離及低數(shù)據(jù)量傳輸,非常的符合物聯(lián)網(wǎng)的應用需求,且硬件裝置設計上比傳統(tǒng)的移動通訊網(wǎng)絡(2G/3G/4G)又更簡單、更省電、更便宜。
圖2 Sigfox超窄頻UNB傳輸模式
此外,Sigfox的超窄頻技術(shù)在頻譜上相較于其他通訊技術(shù)所占的帶寬明顯小上許多,亦即訊號之間不容易互相碰撞、干擾,且在相同帶寬上能同時傳送的訊息量也較多(圖3)。
圖3 Sigfox超窄頻技術(shù)接收數(shù)據(jù)相較一般無線技術(shù)多
隨機存取(Random Access)
Sigfox在確保傳輸有效性的情況下,會在三個不同時間(毫秒)內(nèi)于不同頻率發(fā)送三封訊息到終端設備附近的站臺,并依照不同的無線配置區(qū)而有不同的數(shù)據(jù)傳輸率(Data Rate)(RCZ1/3:100bps、RCZ2/4:600bps)(圖4),以RCZ2/RCZ4為例,從發(fā)送訊息到Sigfox云端(Cloud)需要0.36秒。
圖4 Sigfox隨機存取架構(gòu)示意
多重接收(Cooperative Reception)
而在接收基地站臺的部分,Sigfox采用多重傳送接收模式,確保傳出的訊息能夠被周遭三個以上不同的基地站臺收到(圖5),借助此方式確保裝置所傳送訊息接收的成功率。
圖5 Sigfox多重接收架構(gòu)示意
小型訊息(Small Messages)
為達到低成本、低耗能的目標,Sigfox設計出了專為物聯(lián)網(wǎng)小型訊息應用的通訊協(xié)議,此小型訊息可傳載0到12bytes的資料。而12bytes的數(shù)據(jù)可以包含哪些內(nèi)容?若以GPS經(jīng)緯度坐標來說只需要6bytes,而溫度以及加速度等信息也僅需要2bytes,而若應用只需要做on/off的切換的話也只需要1/8bytes,若更簡單的應用如只需要確認設備是否還在運作與否的話也只需要傳回heartbeat信息且不占用任何數(shù)據(jù)量(圖6)。
圖6 小型訊息所需要的數(shù)據(jù)量
雙向傳送(Bi-directional)
由于Sigfox技術(shù)是以物為主的技術(shù),故下行(Downlink)訊息的啟動必須由裝置/傳感器觸發(fā),且由裝置傳送后會產(chǎn)生20秒鐘的延遲,而接收端最多會等待25秒以接收相關(guān)訊息。
Sigfox網(wǎng)絡特性解析
扁平化網(wǎng)絡架構(gòu)Sigfox扁平化的網(wǎng)絡架構(gòu)是將網(wǎng)絡的資本及維運支出極小化的關(guān)鍵,降低總營運成本,Sigfox的網(wǎng)絡架構(gòu)于圖7可見,由設備端到基地站、基地站到Sigfox云端(Cloud)至應用端的IT平臺。
圖7 Sigfox扁平化網(wǎng)絡架構(gòu)
其中,設備端可分為上行(Uplink)與下行(Downlink)兩種模式,以設備端作為觸發(fā),提供雙向數(shù)據(jù)傳輸模式,依歐盟歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)規(guī)范上行傳送單日不可超過140次,單一訊息數(shù)據(jù)傳輸量最大為12bytes、下行傳送單日不可超過四次,單次數(shù)據(jù)傳輸量最大為8bytes。而回傳的數(shù)據(jù)都會透過站臺回傳到Sigfox云端后臺(Backend)中儲存。User可再透過Sigfox云端后臺設定將數(shù)據(jù)傳回至應用平臺進一步作為開發(fā)應用。
從傳輸層面,設備端到站臺會透過一組經(jīng)由Sigfox認證過的Private Key進行傳輸,而從站臺到Sigfox云端方面則會透過VPN聯(lián)機。最后,Sigfox云端到外部的應用平臺則是透過HTTPS的通訊協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)傳送的安全性。從網(wǎng)絡架構(gòu)圖可知,Sigfox所提供的服務并非僅有網(wǎng)絡聯(lián)機,客戶可以直接連結(jié)云端服務,Sigfox的云端系統(tǒng)整合服務,能夠降低用戶開發(fā)程序、存取數(shù)據(jù)的復雜度,用戶只需在計算機上利用Sigfox云端服務平臺,就能聯(lián)機至物聯(lián)網(wǎng)裝置。這么一來,企業(yè)便無須擔心網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)儲存空間等基礎(chǔ)設施的建構(gòu),可以更專注于IoT服務的開發(fā)。
輕量化通訊協(xié)議
Sigfox與一般通訊規(guī)范的不同在于其為物聯(lián)網(wǎng)裝置優(yōu)化而設計的通訊協(xié)議,由于一般通訊協(xié)議是為了傳輸大量數(shù)據(jù)而設計,在傳輸過程中需要較多協(xié)議附加數(shù)據(jù)(Header),因此協(xié)議中的附加數(shù)據(jù)會較大,這種情況對于物聯(lián)網(wǎng)裝置來說相當吃虧,由于每次只傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量都很小,如果無法縮小協(xié)議附加數(shù)據(jù)的容量,就代表通訊流量中有很大比例浪費在傳送協(xié)議的附加數(shù)據(jù),而非真正的用戶數(shù)據(jù)。Sigfox通訊協(xié)議傳送較少的協(xié)議附加數(shù)據(jù),能省下更多流量。由于Sigfox的小型訊息(Small Message)特性,使得終端設備得以消耗較低的電能即可傳送訊息,因此終端設備的電池使用壽命亦能得到延長進而達到省電的目標(圖8)。
圖8 Sigfox輕量化通訊協(xié)議
無線配置區(qū)(Radio Configuration Zone, RCZ)
Sigfox目前在全球共劃分為四個無線配置區(qū)(Radio Zone),不同無線配置區(qū)域之頻率也不相同,如下所示:RCZ1:歐洲、中東(阿曼、伊朗)與南非、突尼西亞、阿拉伯聯(lián)合大公國。RCZ2:美洲(美國、墨西哥、巴西)。RCZ3:日本。RCZ4:紐西蘭、澳洲、新加坡、***地區(qū)、香港地區(qū)、哥倫比亞、阿根廷、哥斯達黎加、泰國、馬來西亞、厄瓜多爾、巴拿馬、薩爾瓦多等地。
Sigfox應用
Sigfox技術(shù)應用的四大特性就是:低功耗的聯(lián)機裝置、全球的聯(lián)網(wǎng)服務、簡易的使用模式及低總運營成本。由于Sigfox的小型訊息特性,使得終端設備得以消耗較低的電能即可傳送訊息,因此終端設備的電池使用壽命亦能得到延長進而達到省電用途,以Sigfox自行推出的多合一裝置Sensit為例,集合了六種傳感器(溫度、濕度、亮度、加速度計、磁力儀、磁簧開關(guān))與一個智能按鈕,其使用期限可高達一年。Sigfox也分別在西班牙與美國等多個不同場域部署了智慧停車解決方案,而由在***的實測也發(fā)現(xiàn)Sigfox的停車傳感器電池壽命遠比其他通訊技術(shù)來得久。
此外,借助全球物聯(lián)網(wǎng)通訊服務的特性,終端設備只要綁定一個服務合約即可在涵蓋Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的國家中可使用,無須支付漫游費用,而現(xiàn)行Sigfox物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡已經(jīng)部署在全球46個國家。其中較著名的應用有2018年4月發(fā)表的Louis Vuitton Echo以及米其林(Michelin)的跨洲際海運貨物的流量追蹤解決方案。
Louis Vuitton Echo的大小約為110×15×20mm,當你把它放在箱內(nèi)專屬的綁帶下面后,裝置本身不占據(jù)太多的空間。而在續(xù)航力方面,每次充電只要一小時,便可維持六個月的使用時間。做為LV Horizon旅行箱的配件,Echo能借助內(nèi)建的光線傳感器,在箱內(nèi)偵測行李是否被人打開。除此之外它還支持Sigfox的Monarch移動定位服務(Echo有三年的免費使用期),讓用戶可以在全球各主要機場透過LV Pass軟件快速了解自己行李的狀態(tài)。
Monarch移動定位服務于2017年9月在世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會上亮相,是Sigfox推出的一項全新服務,通過自動識別和對應當?shù)?a target="_blank">射頻標準,使追蹤設備能夠在世界各地無縫運行。全球電信營運標準依照地理區(qū)域劃分為三區(qū),Monarch的使用將突破限制,為物流和供應鏈、消費市場以及航運、飛機和鐵路產(chǎn)業(yè)的自動化維護開啟了新興的應用模式。資產(chǎn)追蹤(物流產(chǎn)業(yè))是巨量物聯(lián)網(wǎng)中最重要的垂直產(chǎn)業(yè),然而Monarch的誕生代表著重大的突破。在未來幾年數(shù)百萬的商機中,這個項目代表第一個實際商轉(zhuǎn)的重要里程碑。Sigfox的價值定位是目前唯一讓這樣的商業(yè)模式可行的技術(shù):全球同一網(wǎng)絡、低成本、低耗能又簡單使用的結(jié)合。
而米其林借助Sigfox France和Argon Consulting所共同開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)的解決方案,也是運用Sigfox技術(shù)來追蹤跨洲際海運貨物的流量,另外,Sigfox使用的頻段無需許可證或授權(quán)等費用,因此在終端設備的制造上也無需額外支付任何權(quán)利金,可大幅降低終端設備的制造成本,而這些終端設備的Sigfox物聯(lián)網(wǎng)連接費用也相對低廉,可讓萬物聯(lián)網(wǎng)的目標加速達成。
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原文標題:低成本/功耗/數(shù)據(jù)負載 Sigfox搶海量物聯(lián)網(wǎng)利基應用
文章出處:【微信號:iotmag,微信公眾號:iotmag】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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