Sigfox erklärt

Sigfox ist eine LPWAN-Technologie (Low Power Wide Area Network), die speziell für das Internet der Dinge entwickelt wurde. Geräte, die über Sigfox verbunden sind, verbrauchen im Vergleich zu WLAN- und Bluetooth-Verbindungen, die mehr , wenig Strom und können über große Entfernungen . Der Ablauf einer Sigfox-Anwendung umfasst drei grundlegende Schritte:

1. Zahlreiche Objekte (Geräte), die mit dem Internet verbunden sind, senden Daten über das SigFox-Netzwerk an eine SigFox-Basisstation (gateway).
2. Die Basisstation erkennt, demoduliert und meldet die Nachrichten dann mindestens alle 10 Minuten über 3 Kanäle an die SigFox-Cloud.
3. Die SigFox-Cloud leitet diese Nachrichten dann an zahlreiche Kundenserver und IoT Plattformen weiter, basierend auf der Anwendung des Kunden.

Technisch unterscheidet sich das SigFox-Netzwerk von anderen LPWAN-Netzwerken durch die Art der Datenübertragung und die elektrischen Richtlinien, die Menge, Geschwindigkeit und Dauer der übertragenen Daten regeln. SigFox eignet sich besonders für mit geringem Stromverbrauch selten kleine Datenmengen über große Entfernungen senden müssen . Ideal für die Landwirtschaft und die Anlagenverwaltung über weite Strecken.

Wie funktioniert Sigfox?

Das SigFox-Netzwerk besteht aus folgenden Elementen :

• Objekte (Geräte)
• Basisstationen (gateway)
• Cloud (Internet)

Das folgende Diagramm veranschaulicht die Schlüsselelemente der Datenübertragung via SigFox:

DPSK ist eine Methode, die von Basisstationen (gateway) verwendet wird, um ein Signal umzuwandeln, zu debuggen und zur Verarbeitung an die Cloud weiterzuleiten.

Die SigFox-Datenübertragung lässt sich folgendermaßen veranschaulichen: Objekte (Geräte) werden über das SigFox-Netzwerk mit dem Internet verbunden. Bei den Objekten können beispielsweise Temperatur-, Feuchtigkeits- und/oder Sättigungssensoren (usw.) in einem Umkreis von 1000 Metern um eine Basisstation ( gateway ) vorhanden sein. SigFox nutzt Phasenumtastung (DPSK) für die Kommunikation zwischen Gerät und Cloud (Uplink) und Frequenzumtastung (FSK) für die Kommunikation zwischen Cloud und Gerät (Downlink).

Was ist DPSK?

DPSK ist ein Verfahren, das von Basisstationen ( gateway ) verwendet wird, um ein Signal zu konvertieren zu analysieren und es anschließend wieder in die Cloud zu senden. Auf dem Weg von einem Endgerät zu einer Basisstation ist ein Signal unweigerlich Störungen durch die Umgebung ausgesetzt (z. B. Regen oder dichte Wälder). Störungen sind allgegenwärtig; jedes Signal aus jedem Internetnetzwerk wird beeinträchtigt und verändert, wenn es sein Ziel erreicht. SigFox behebt dieses Problem durch den Einsatz von DPSK. DPSK stellt sicher, dass das Signal, das die Basisstation verlässt, exakt dem Signal entspricht, das das Endgerät verlassen hat. Die Hardware der Basisstation erreicht dies durch Phasenverschiebung des Signals, um Störungen zu erkennen und zu eliminieren. Die SigFox-Hardware in den Basisstationen erreicht dies durch:

1. Das Objekt sendet Daten in Form von digitalen Bits an die Basisstation. Ein „High“-Impuls tritt auf, wenn eine 1 empfangen wird, und ein „Low“-Impuls, wenn eine 0 empfangen wird. Hier ist ein Beispiel für einen digitalen Eingangsbitstrom: 1 1 0 0 0 1 1 0:

1. Dieser Bitstrom wird beim Durchlauf durch die Demodulatorschaltung in eine andere Folge von Einsen und Nullen umgewandelt. Die neue Folge ist nicht willkürlich, sondern wird mithilfe komplexer Hardware präzise berechnet. Diese Umwandlung dient der Vorbereitung des Signals für die elektrische Analyse. Immer wenn der Zustand des Eingangssignals von hoch auf niedrig (1 auf 0) wechselt, verschiebt die Hardware die Phase des Signals. Eine Phasenverschiebung bedeutet, eine Zeitlücke zwischen dem ursprünglichen und dem neuen Signalweg zu erzeugen. Nach der Phasenverschiebung eilt das Signal entweder voraus oder eilt der ursprünglichen Phase voraus.

1. Je stärker ein Signal an der Basisstation phasenverschoben wird, desto deutlicher werden seine Störungen sichtbar. Ähnlich verhält es sich mit einem Verletzten: Je häufiger er ins Krankenhaus kommt, desto mehr Röntgenaufnahmen werden angefertigt, um die Verletzung besser zu verstehen und zu behandeln. Wird ein Signal durch die Umgebung beeinträchtigt, ist dies erst erkennbar, wenn das Signal phasenverschoben wird und die „Röntgen“-Schaltung durchläuft. Diese analysiert die Phasenverschiebungen, erkennt die Störungen und bereinigt die Daten anschließend für die Übertragung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hardware der Basisstation die Phase verschiebt, um die Daten quasi zu „röntgen“, um Störungen zu diagnostizieren und deren Behebung zu ermöglichen.
2. Im Anschluss an diese Phase wandelt die Hardware-Schaltung das ursprüngliche Signal wieder in seine Basissequenz um, jedoch ohne die Beeinträchtigungen.

Wenn die Cloud ein Uplink-Signal von der Basisstation empfängt, antwortet sie mit einem Downlink-Signal an das Endgerät. Downlink-Signale nutzen Frequenzumtastung (FSK).

Was ist Frequenzumtastung?

Frequenzumtastung (FSK) ähnelt der differentiellen Phasenumtastung (DPSK) insofern, als beide Verfahren das Eingangssignal wandeln, Störungen analysieren und beseitigen und die Daten anschließend wieder in das ursprüngliche Signal umwandeln. Im Gegensatz zur Phasenumtastung, bei der FSK die Frequenz verschiebt und analysiert, werden bei FSK jedoch die Phasenverschiebungen und die Frequenzverschiebungen analysiert. Genau wie die Phasenverschiebungen bei DPSK decken die Frequenzverschiebungen bei FSK die Signalstörungen auf, die dann mithilfe komplexer Schaltungen behoben werden können. Die entscheidende Frage ist nun: Warum verwendet SigFox DPSK für die Uplink- und FSK für die Downlink-Übertragung?

1. DPSK ist bandbreiteneffizienter als FSK, daher stehen weniger Frequenzen und Kanäle zur Übertragung des Signals zur Verfügung.
2. Weniger „Raum“ zur Signalübertragung = niedrigere Datenrate und geringerer Durchsatz
3. Niedrigere Datenrate = empfindlicherer Empfänger (z. B. eine Basisstation) des Signals
4. Höhere Empfindlichkeit = größere erreichbare Reichweite. Das heißt, Daten von Sensoren können aus größerer Entfernung erfasst werden.
5. Uplink-Signale sind typischerweise stärkeren Störungen ausgesetzt als Downlink-Signale. Daher führt eine geringe Bandbreite bei DPSK zu einer stärkeren Leistungskonzentration und somit zu einer höheren Robustheit gegenüber Störungen
6. Da Interferenzen im Downlink weniger problematisch sind, liegt der Fokus der Downlink-Signale stärker darauf, möglichst viele Anwendungen effizient zu erreichen. Bei FSK bedeutet mehr Bandbreite mehr Senderaum und somit mehr erreichbare Anwendungen

Abschluss

Die von SIGFOX verwendete Technologie ermöglicht ein Kommunikationsnetzwerk mit großer Reichweite, niedrigem Stromverbrauch und geringem Datendurchsatz. Dank ihres hervorragenden Schutzes vor Umwelteinflüssen erreichen Daten so effektiv zahlreiche Anwendungen. SIGFOX befindet sich im Bereich der Konnektivitätslösungen noch in der frühen Anwenderphase. Dennoch sind bereits Millionen von Geräten weltweit mit der SIGFOX-Technologie vernetzt, was ihr Potenzial für eine kostengünstige Lösung in verschiedenen Märkten und Branchen unterstreicht. Weitere Informationen zu Konnektivitätsoptionen im IoT Bereich finden Sie in unseren Ausführungen zu LoRaWAN oder in diesem hervorragenden Artikel über gängige Funkprotokolle weltweit.