Sigfox – maailmanlaajuinen IoT-verkkoliittymä

Jari Isohanni

Kiinnostus teollisen internetin ja esineiden internetin (IoT) ratkaisuja kohtaan on kasvanut viime vuosina räjähdysmäisesti. Jokaisella toimialalla kerätään tietoa esineiden internetin avulla joko jatkojalostettavaksi mm. BigData-sovelluksiin tai perinteisiin tietojärjestelmiin päätöksenteon tueksi. Nekin jotka vielä empivät, hyppäävät ennen pitkään IoT-kelkkaan mukaan. Voidaan sanoa, että IoT ei enää ole tulevaisuuden näkymä, vaan se on vakiintunut nykytila.

Aiemmin haasteen laajamittaiselle tiedonkeruulle on asettanut etäällä sijaitsevien yksittäisten laitteiden tai laiteryhmien yhdistäminen osaksi internet-verkkoa. Perinteiset monimutkaiset, kalliit ja virtaa syövät sensoriverkot ovat olleet ongelmallisia useissa käyttökohteissa. Ongelmia on ratkottu joko luomalla erillinen suppean alueen verkko tai välittämällä viestejä laitteelta laitteelle niin, että viesti jossain vaiheessa saavuttaa lopullisen määränpäänsä. Näissä ratkaisuissa laitteiden muodostama verkko on voinut kattaa hyvin rajallisen alueen, ja verkko on vaatinut ainakin osittain ulkoista virransyöttöä joko verkkovirrasta tai virrankeräimiltä.

Uudet IoT-verkot

Nyt vapaiden taajuuksien tekniikoiden kehityttyä, alalle on tullut uusia toimijoita ja tapoja toteuttaa laajoja verkkoliittymiä. Edellä mainittuja edustavat mm. ranskalainen Sigfox omalla tekniikallaan ja suomalainen Digita LoRa-tekniikalla.  Molemmissa, LPWAN (low power wide area network) -radioteknologian piiriin kuuluvissa tekniikoissa ominaista on pitkä kantama (kymmeniä/satoja kilometrejä), edulliset päätelaiteradiot sekä pieni virrankulutus. LPWAN-verkoissa toimivan päätelaitteen patterin elinikä voi olla jopa viisitoista vuotta. Sigfox ja LoRa-tekniikoilla IoT-laitteiden tueksi ei tarvitse pystyttää laajaa infrastruktuuria tai luoda monimutkaisia algoritmeja viestin välittämisen aikaansaamiseksi. Tämä mahdollistaa nopean ja halvan sensoriverkon pystyttämisen. Hinnoittelultaan näihin verkkoihin on edullista liittyä ja niiden laitekohtaiset vuosimaksut voivat jäädä jopa yhteen euroon.

Sigfox pyrkii maailmanvalloitukseen

Sigfox on ranskalainen startup-yritys, joka pyrkii omalla tekniikallaan valloittamaan IoT-laitteiden verkkomarkkinat. Perustamisensa jälkeen yritys on kerännyt satojen miljoonien eurojen rahoituksen maailmanlaajuisen IoT-verkon rakentamiseen. Sigfoxin luoma tekniikka perustuu matalataajuuksisten radioaaltojen ja erittäin kapean kaistanleveyden käyttöön (UNB, ultra-narrow band). Matalataajuuksiset radioaallot voivat kulkea ilmassa pitkän matkan ja niiden esteiden läpäisykyky on erittäin hyvä. Itse tekniikka ei ole uutta, sillä jo ensimmäisen maailmansodan aikaan sukellusveneet hyödynsivät samankaltaista tekniikkaa. Taajuusalueena Sigfox käyttää ISM-aluetta, joka on maailmanlaajuinen radiokaista teolliseen, tieteelliseen ja lääketieteelliseen käyttöön. Kapeakaistainen lähetys keskittää kaiken lähetystehon pienelle alueelle, jolloin lähetyksen signaali kuuluu mahdollisten häiriöiden seasta. Sigfox-tekniikassa viesti lähetetään käyttäen kolmea eri kanavaa, näin varmistetaan viestin perille meno. ISM-taajuusalueen käyttö ei vaadi lisenssejä, mutta laitekohtainen liikennemäärä on pidettävä pienenä. Euroopassa ISM-taajuusalue on 868 megahertsiä, vastaavasti esim. USA:ssa ja Aasiassa Sigfox toimii eri taajuusalueella.

Sensoreille optimoitu verkko

Sigfox-tekniikkassa päätelaite lähettää viestejä harvoin ja lyhyen aikaa, näin saavutetaan jopa viidentoista vuoden patterin kesto. Käytännön sovelluksissa kesto on kuitenkin 1-5 vuoden välillä. Teknologia poikkeaa reilusti esimerkiksi GSM- tai 3/4G-tekniikoista, joissa laitteiden virrankulutus on satakertainen. Molemmat verkot ovat suunnattuja eri käyttötarkoituksiin, matkapuhelinverkot välittävät paljon tietoa nopeasti ja IoT-verkot vähän tietoa hitaasti. Sigfox-radiosignaalin kantama on pitkä, aavalla merellä jopa tuhat kilometriä, tavallisesti yksi tukiasema voi kattaa 10-50 kilometriä. Sigfox-verkossa ei ole roaming-ominaisuutta, eli laite voi siirtyä rajattomasti eri tukiasemien välillä, vaikka ne olisivatkin toisen operaattorin hallussa. Operaattorin veloittama vuosimaksu laitetta kohden vaihtelee noin 1 ja 20 euron välillä, ja tällä summalla saa siis käyttöön koko maailmanlaajuisen verkon. Tarkempi hinnoittelu on riippuvainen laitetoimittajasta, operaattorista ja käytettävien laitteiden määrästä.

Sigfox-arkkitehtuuri. Kuva Jari Isohanni.

 

 

Koska Sigfox-laite on pieni virrankulutukseltaan, edullinen sekä omaa pitkän kantaman, seuraa hyödyistä tietyt rajoitteet: pieni siirtoteho ja nopeus. Yksi lähetetty viesti voi sisältää enintään 12 tavua tietoa ja lähetysnopeus on 100 bittiä sekunnissa. Verkkoon kytketty laite saa lähettää liukuvassa 24 tunnin aikaikkunassa enintään 140 viestiä. Sigfox-tekniikkaa ei olekaan kehitetty reaaliaikaisen tiedon välittämiseen, vaan se on suunnattu mittaustiedon seuraamiseen ja tapahtumapohjaiseen kommunikointiin. Vaikka viestien sisältämän tiedon koko on rajoitettu vain 12 tavuun, nokkelilla koodaustavoilla viestiin saadaan mahtumaan esim. mittaus- ja paikannustietoja. Vastaavasti tukiasemilta Sigfox-laitteelle voidaan lähettää neljä viestiä 24 tunnin aikaikkunassa, tietoturvasyiden vuoksi tämä yhteys tulee kuitenkin avata Sigfox-laitteelta. Nämä laitteelle lähetettävät viestit ovat pieniä (8 tavua), niiden tarkoituksena on muuttaa laitteen asetuksia.

Sigfox-tekniikkaan pohjaavat laitteet ovat omiaan erilaisen mittaustiedon keräämisessä. Kun tietoa lähetetään harvoin tai muutoksen tapahtuessa, voidaan patterin kestoa optimoida pitkällekin aikajaksolle. Esimerkkejä erilaisista käyttötapauksista ovat mm. vesimittareiden luenta, lämpötila- ja kosteusmittaus, vuotojen havainnointi, jätesäiliöiden pinnan korkeuden mittaus sekä hälytys-, tilaus- ja palvelunapit.

Sigfox-verkon hyödyntäminen Centrian projekteissa

Tällä hetkellä Sigfox-verkon kuuluvuusalueella asuu noin 500 miljoonaa ihmistä ja se toimii 30 maassa. Suomessa verkkoa on rakennettu isoimpien kaupunkien alueelle, kevään aikana n. 80% suomalaisista asuu Sigfoxin kuuluvuusalueella. Verkko toimii mm. Helsingissä, Tampereella, Turussa, Jyväskylässä ja Vaasassa. Uusimpien tulokkaiden joukossa on Kokkola, missä Centrian BILINE-hankkeessa Kokkolan satamaan on asennettu Keski-Pohjanmaan ensimmäinen Sigfox-tukiasema. Tukiasema on pystytetty yhteistyössä Suomen Sigfox-operaattorin Connected Finlandin kanssa. Connected Finland on kerännyt toimintaansa miljoonien pääomarahoituksen ja pyrkii sen turvin samaan Suomeen kattavan Sigfox-peiton.

Kokkolan sataman tukiasema pystyy viestimään laitteisiin noin kymmenen kilometrin etäisyydellä tukiasemasta. Centrian BILINE-hankkeessa verkkoa tullaan hyödyntämään teollisuuden turvallisuuden parantamiseen liittyvissä sovelluksissa, käyttökohteina mm. ympäristötiedon kerääminen satama-alueelta. Lisäksi Centrian tutkimus- ja tuotekehitysorganisaatiossa on meneillään useita hankkeita, joissa Kokkolan Sigfox-verkkoa tullaan hyödyntämään mittaustiedon keräämisessä.

Kuvassa Centrialla käytettyjä Sigfox-laitteita, vasemmalta ranskalainen ultraäänianturi, Sens’it-laite ympäristötiedon keruuseen ja suomalaisen Xortec-yrityksen valmistama vuotovahti. Kuva Jari Isohanni.

Tulevaisuudessa IoT-laitteissa ja niiden verkkotekniikoissa tullaan näkemään kehitystä, mutta tässä vaiheessa voidaan sanoa, että Sigfox on löytänyt oman markkinarakonsa huipputeknisessä ja tiukasti kilpailulla alalla. Nähtäväksi jää vakiinnuttaako Sigfox-tekniikka asemansa ja pystyykö se vastamaan jatkuvasti kehittyvän IoT-maailman haasteisiin, niin teknisesti kuin kaupallisestikin, vai ajaako jokin muu tekniikka sen ohi.

Jari Isohanni
Projektisuunnittelija
Centria tutkimus ja kehitys
jari.isohanni@centria.fi
040 669 0690

@JariIsohanni

@Jari Isohanni

 

Facebooktwittergoogle_pluslinkedinmail