¿Qué es Sigfox?

SigFox representa una variante de comunicación inalámbrica con un enfoque celular de largo alcance y bajo consumo de energía, diseñada específicamente para brindar conectividad a una amplia gama de dispositivos, como sensores remotos y actuadores, en el contexto de la comunicación M2M (máquina a máquina) e IoT (Internet de las cosas).

La tecnología inalámbrica SigFox ha sido meticulosamente concebida para minimizar el consumo de energía en todas las comunicaciones, permitiendo así que los dispositivos remotos operen durante períodos prolongados con baterías sin necesidad de reemplazos o mantenimiento frecuente.

Adicionalmente, esta plataforma permite la comunicación M2M e IoT a distancias considerables, gracias a un diseño que optimiza la cobertura con un número reducido de estaciones base.

Mediante un enfoque de tipo celular, los nodos remotos de SigFox pueden establecer conexiones con estaciones base conectadas a Internet, lo que habilita el control remoto y la recopilación de datos desde prácticamente cualquier ubicación con acceso a la web. De esta manera, SigFox se convierte en una solución de conectividad de bajo ancho de banda con amplia cobertura, y todo esto a un costo sumamente competitivo, lo que resulta beneficioso para diversas aplicaciones en el ámbito de la comunicación M2M e IoT.

En otras palabras, Sigfox es una red de IoT pensada para tener un bajo consumo y ser independiente de los despliegues de telefonía.

Entre las soluciones y compañías que ofrecen soluciones de conectividad alternativas a las clásicas GSM/3G/4G, destacamos SigFox.

               Fuente: Wikimedia Commons https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en 

Introducción a Sigfox como plataforma de comunicación inalámbrica de bajo consumo

Sigfox, una empresa francesa establecida en 2009 por dos ingenieros apasionados por la investigación de señales, se destaca como pionera en el ámbito de la Internet de las Cosas (IoT). 

Esta innovadora compañía ofrece soluciones para el ámbito de la Comunicación Máquina a Máquina (M2M) a través de su plataforma de conectividad, diseñada específicamente para soportar comunicaciones de baja velocidad. 

Sigfox revoluciona la forma en que se transmite la información, con un enfoque constante en la reducción del consumo de energía y los costos asociados a los dispositivos conectados. 

En colaboración con operadores locales en cada país (como Abertis en España, que ahora opera bajo el nombre de Cellnex), Sigfox ha desplegado una extensa red de largo alcance y baja velocidad que facilita la comunicación de datos entre dispositivos sin depender de teléfonos móviles ni estar vinculada a la cobertura y disponibilidad de redes móviles convencionales.

Es un servicio de banda estrecha que utiliza medios de trasmisión de radio estándar. La cantidad de datos que se envía a través de los sistemas Sigfox es reducida (12 bytes) y de forma pausada (300 baudios). No obstante, es una solución rentable, fiable y de bajo consumo para conectar diversos dispositivos y sensores, mostrándose como una tecnología viable para el desarrollo de comunicaciones M2M.

De esta forma, Sigfox se convierte en una excelente herramienta no sólo para las comunicaciones M2M, sino para ofrecer soluciones a proyectos loT (Internet de las Cosas). Además, es una alternativa a la red Wifi, puesto que, ofrece una cobertura bastante amplia en zonas remotas, soportando una gran cantidad de dispositivos y sensores de manera simultánea.

Si estás buscando soluciones para las comunicaciones M2M (machine to machine) usando redes inalámbricas de bajo consumo, Sigfox puede ser la solución a ese proyecto.

Sigfox es el servicio perfecto para monitorizar sensores y dispositivos electrónicos. Seguramente estarás pensando que lo normal para ello sería emplear una tarjeta SIM, sin embargo, si la cantidad de datos es baja y con poca frecuencia, esta herramienta puede resultarte muy rentable.

Podemos ver un mapa de cobertura en su página web: https://www.sigfox.com/en/coverage

Cobertura de Sigfox en Europa

​La intercomunicación entre dispositivos conectados se materializa gracias a la tecnología de radio de banda ultraestrecha empleada. Esta tecnología se caracteriza por su eficiencia energética y el uso de bandas de frecuencia sin necesidad de licencias, que están disponibles en todo el mundo, incluyendo las conocidas como bandas ISM. Sin embargo, esta elección conlleva ciertas restricciones, siendo una de las limitaciones más notables el "duty cycle" que limita el tiempo durante el cual puede ocupar el canal. Un aspecto relevante a considerar es el límite de "140 mensajes diarios por dispositivo" que Sigfox impone.

¿Qué proporciona Sigfox?

SigFox proporciona un operador de red de estilo celular que ofrece una solución a medida para el Internet de las Cosas (IoT) de bajo rendimiento y aplicaciones M2M. 
Para una gran cantidad de aplicaciones, desde medidores inteligentes hasta nodos de control que necesitan conectividad a largo plazo, la única opción hasta hace poco era usar una conexión celular. Esta opción tiene varias desventajas porque los sistemas de telefonía celular se centran en la voz y en las altas velocidades de datos. No son adecuados para conexiones de baja velocidad de datos, ya que la interfaz de radio es compleja y esto añade costo y consumo de energía - demasiado para la mayoría de las aplicaciones M2M / IoT. La red SigFox tiene como objetivo proporcionar conectividad para una variedad de aplicaciones y usuarios. No está dirigida a un área, sino a ser de uso general para una variedad de diferentes tipos de usuarios. El rendimiento de la red Sigfox se caracteriza por lo siguiente:

• Hasta 140 mensajes por objeto y día.
• El tamaño de la carga útil de cada mensaje es de 12 bytes.
• Rendimiento inalámbrico de hasta 100 bits por segundo.

¿Cómo funciona Sigfox?

Sigfox funciona en las bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) del espectro radioeléctrico, que son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. 

El uso de estas bandas de frecuencia está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicaciones tengan cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de protección contra interferencias, como técnicas de ensanchado de espectro.

Desde un punto de vista técnico, como hemos visto, Sigfox depende de otra red distinta, basada en 868Mhz.

Cada nodo puede cubrir un área de cobertura bastante grande. Además empresas que necesiten mejorar la cobertura en su área pueden instalar un equipo repetidor. 

Esquema de funcionamiento de Sigfox

Tiene un sistema en la nube donde desde la interfaz web es posible dar de alta los equipos, que funcionan por un ID único en vez de autenticación por tarjeta SIM como los móviles u otros dispositivos IoT basados en GPRS.

También ofrece una red con buena calidad de servicio garantizada y efectiva para bajo volumen de datos, pero que puede soportar muchos dispositivos simultáneos como por ejemplo un despliegue de sensores.
 
Podemos desarrollar nuestra propia APP y conectarla a la API de Sigfox para recibir la información de los sensores y dispositivos.
 
También es posible recibir mensajes en sentido contrario, desde la red hacia el dispositivo, pero hay que tener en cuenta que no son síncronos, no se asegura la disponibilidad y que están bastante limitados. Si te interesa este aspecto hay documentación adicional en la web de Sigfox: 
https://support.sigfox.com/docs/downlink-information
 
Comentaba un lector sobre la velocidad que puede alcanzar Sigfox y el tamaño máximo de paquete. Realmente, como estamos limitados a 140 paquetes por día por tema de usos de la red (duty cycle en una banda ISM) y cada paquete tiene 12 bytes, la velocidad de transmisión no afecta demasiado, pero por definirla podríamos decir que es bastante lenta, desde 0,3 a 50kbps.

Su funcionamiento es muy parecido a las redes de la telefonía móvil, puesto que la red Sigfox funciona gracias a operadores locales ubicados en distintos países con estaciones receptoras y transmisoras.

La red pública utilizada para el intercambio de datos emplea frecuencias sin licencia, por ejemplo, en EEUU es la banda ISM de 915 MHz, en Europa emplean una banda más estrecha de 868 MHz y en el resto de países tienen alguna otra versión de esta banda.

¿Cuáles son los inconvenientes de Sigfox?

• No está desplegado en todas partes, por lo que no funcionará en un gran número de casos de uso en la actualidad.
• La comunicación se dirige mejor desde el punto final a la estación base.
• Tiene funcionalidad bidireccional, pero su capacidad desde la estación base hasta el punto final es limitada.
• La movilidad es difícil con los dispositivos Sigfox.

Áreas de aplicación de la red SigFox 

Aunque Sigfox presenta ciertas restricciones, su versatilidad permite encontrar aplicaciones en una amplia variedad de áreas y sectores. Por ejemplo, su utilidad se manifiesta en áreas como la automatización del hogar (domótica), la gestión inteligente de redes eléctricas (Smart Grid), transporte, logística, ciudades inteligentes y sistemas de alarmas. El servicio se destaca por su confiabilidad y sus tarifas de conectividad son más económicas en comparación con otras redes, lo que representa un ahorro sustancial a gran escala. Además, resulta adecuado para entornos de supervisión y trazabilidad logística, como los sistemas Scada.

Un emblemático caso de éxito se evidencia en enero de 2018, cuando se suscribió un contrato de 300 millones de euros con Senioradom, una empresa especializada en servicios de teleasistencia para personas mayores con sede en Francia. Inicialmente, este despliegue se llevó a cabo en la ciudad de Chengdu, China, con planes de expandir la solución a otras 20 ciudades chinas.

Otra historia de éxito involucra el uso de la red Sigfox en España por parte de Securitas Direct para sus sistemas de alarmas, evitando así el uso de la red de telefonía tan saturada y fácil de inhibir y de sufrir interferencias. La ventaja de utilizar saltos de frecuencia en la red Sigfox reside en su mayor complejidad para ser inhibida, lo que la convierte en una opción más segura para sistemas de seguridad.

La red y la tecnología SigFox están dirigidas a las áreas de aplicación de bajo costo de máquina a máquina (M2M) donde se requiere una cobertura de área amplia. 

Hay un número de aplicaciones que necesitan esta forma de tecnología de comunicaciones inalámbricas de bajo costo. Las áreas en las que se puede utilizar la red SigFox incluyen:

• Hogar y bienes de consumo.
• Las comunicaciones relacionadas con la energía, en particular la medición inteligente.
• La atención sanitaria, en particular las aplicaciones mHealth que están empezando a desarrollarse.
• Transporte (esto puede incluir la gestión del automóvil).
• Monitoreo y control remoto.
• La venta al por menor, incluyendo el punto de venta, la actualización de los estantes, etc.
• Seguridad.

¿Para qué sirve la red Sigfox?

Es una tecnología que se adapta muy bien a cualquier aplicación que requiera enviar ráfagas de datos pequeños y con poca frecuencia, pudiendo ser útil en diversos sectores y áreas, por ejemplo:

• En el área de la domótica.
• Sistemas de alarma.
• Monitoreo de ubicación.
• Sistemas de medición.
• Smart Grid.
• Sector de transporte.
• Detección de vibraciones.
• Monitoreo de temperatura.
• En el área agrícola.
• Logística, entre otras áreas.

Asimismo, el servicio Sigfox cuenta con una plataforma web en la nube disponible las 24 horas del día, que accede a dar de alta a tus dispositivos, permitiendo a las empresas diseñar sus propias APP y conectarlas a la API de Sigfox con la finalidad de recibir información de sus equipos.

Por otro lado, los dispositivos que emplean esta tecnología, por lo general, se encuentran en un modo de espera, consumiendo una mínima cantidad de energía, alargando la vida útil de las baterías (la cual puede llegar hasta los 10 años).

Usos de Sigfox en IOT

La monitorización de la temperatura, la detección de vibraciones o impactos, el envío de ubicaciones y la activación con un simple botón son ejemplos de aplicaciones que pueden implementarse en la red Sigfox. Estos dispositivos tienen la capacidad de transmitir pequeños paquetes de información hasta un máximo de 140 veces al día, como se mencionó anteriormente.

Un rasgo distintivo de los dispositivos conectados a Sigfox es su modo de espera casi constante, lo que resulta en un consumo de energía sumamente eficiente. Esta característica representa una ventaja significativa, ya que estos dispositivos no requieren estar conectados a la red eléctrica ni depender de baterías de gran capacidad. En consecuencia, un dispositivo IoT que utilice Sigfox junto con una batería adecuada podría tener una vida útil de hasta 10 años.

En esencia, el objetivo principal de Sigfox radica en facilitar la comunicación entre objetos inteligentes. Su capacidad de conectividad M2M permite que un dispositivo pueda acceder a los datos almacenados en otro dispositivo central, como una computadora, para agilizar la toma de decisiones.

Actualmente, la red Sigfox se emplea en diversas aplicaciones, tales como el control de vallas publicitarias, la gestión de sistemas de ventilación y calefacción en edificios, la supervisión de sistemas de alarmas y el rastreo o trazabilidad de activos.

Sigfox en soluciones rurales para la comunicación inalámbrica

La eficiencia energética (consumo reducido), la amplia cobertura en ubicaciones remotas y la eliminación de la necesidad de instalar un punto de acceso (gateway) como ocurre en otras alternativas, como Lora, convierten a Sigfox en una solución altamente favorable para entornos rurales.

GPS basado en Sigfox

Sigfox se erige como una tecnología excepcional para el seguimiento de la ubicación GPS de activos, gracias a su gran ahorro energético. En comparación con las tecnologías GSM/LTE, que a menudo ofrecen autonomía de horas o días, Sigfox extiende esa autonomía a semanas, meses e incluso años.

Sin embargo, es relevante mencionar la limitación que establece un máximo de 140 mensajes diarios. Distribuyendo estos mensajes a lo largo de las 24 horas, esto equivaldría a una actualización de la posición cada 10 minutos. En algunas circunstancias, esta frecuencia podría no ser suficiente, lo que nos lleva a explorar estrategias para obtener actualizaciones más frecuentes cuando sea necesario.

Asimismo, es importante destacar que podemos ahorrar tanto batería como mensajes cuando el activo no está en movimiento.

Red de acceso con radio SigFox

Considerando las velocidades de datos reducidas que caracterizan a las conexiones IoT, la red Sigfox se apoya en la tecnología de Banda Ultra Estrecha, conocida como UNB. Esta tecnología permite el uso de niveles extremadamente bajos de potencia de transmisión al tiempo que garantiza una sólida conexión de datos.

El enlace de radio en SigFox se apoya en bandas ISM de radio sin licencia. Las frecuencias precisas pueden variar según las regulaciones de cada país. Por ejemplo, en Europa se emplea la banda de 868MHz, en los Estados Unidos es de 915MHz y en Asia se utiliza la de 433MHz.

La densidad de las células de la red Sigfox se basa en un rango promedio de aproximadamente 30-50 km en áreas rurales. En entornos urbanos, donde las obstrucciones y el ruido suelen ser mayores, este rango puede reducirse a entre 3 y 10 km.

Es relevante mencionar que las distancias pueden ser significativamente mayores para nodos ubicados en exteriores. Sigfox sostiene que los mensajes en línea de vista (sin obstrucciones entre antenas receptoras y transmisoras) podrían recorrer distancias superiores a 1000 km, aunque es más común que las distancias sean menores que tal cifra.

La topología general de la red SigFox ha sido diseñada estratégicamente para ofrecer una infraestructura escalable de alta capacidad. Además, se destaca por su bajo consumo de energía y por su implementación sencilla, basándose en una estructura celular en forma de estrella que facilita su despliegue.

Funcionamiento de Sigfox

El funcionamiento de Sigfox se basa en la utilización de bandas de frecuencia sumamente estrechas, con características diferenciadas para los enlaces ascendentes y descendentes:

- Enlace ascendente: El ancho de banda en el enlace ascendente es de tan solo 100 Hz en Europa, aunque en los Estados Unidos se permite un ancho de 600 Hz. Emplea un esquema de modulación denominado DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying), o modulación por desplazamiento de fase binaria diferencial. En Europa, las frecuencias disponibles para el enlace ascendente se encuentran entre 868,00 y 868,60 MHz, con una potencia máxima limitada a 25 mW. Además, la Unión Europea ha impuesto una restricción en el ciclo de trabajo máximo, limitando el tiempo de transmisión promedio al 1% para asegurar un uso equitativo del espectro entre todos los usuarios de sistemas similares de comunicación.

- Enlace descendente: El enlace descendente utiliza un canal con un ancho de banda de 1,5 kHz y emplea la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana como formato de modulación. Esto permite alcanzar una velocidad de datos de 600 bps. La banda de frecuencias asignada para el enlace descendente se ubica entre 869,40 y 869,65 MHz. En este caso, la potencia de salida está limitada a un máximo de 500 mW, con un ciclo de trabajo del 10%. Nuevamente, esta limitación es impuesta por las regulaciones de la Unión Europea.

Las restricciones en el ciclo de trabajo impactan en todas las aplicaciones del tipo IoT/M2M que emplean la banda de 868 MHz, lo que limita la transmisión de datos en Sigfox. Esto se traduce en que la longitud máxima de un paquete SigFox es de 24 bytes, de los cuales un máximo de 12 bytes se destinan a datos de carga útil. En consecuencia, con una velocidad de datos de 100 bps, cada transmisión de paquetes toma alrededor de 2 segundos.

Cabe destacar que cada transmisión de un dispositivo SigFox se compone de tres paquetes transmitidos en tres frecuencias diferentes, seleccionadas de una secuencia pseudoaleatoria. Esta transmisión múltiple se utiliza para garantizar la integridad de los datos recibidos. Inicialmente, las primeras versiones de Sigfox solo admitían transmisiones en el enlace ascendente, pero posteriormente el sistema evolucionó para admitir la comunicación bidireccional, a pesar de la importante asimetría en los enlaces ascendentes y descendentes, como se detalla anteriormente.

En lo que respecta al protocolo del sistema, la comunicación en el enlace descendente, es decir, la recepción de datos desde las estaciones base hacia los dispositivos finales, solo puede ocurrir después de una comunicación en el enlace ascendente.

Adicionalmente, el número de mensajes que se pueden enviar cada día está limitado, lo que hace que el sistema sea particularmente adecuado para aplicaciones que requieren baja velocidad de datos en nodos de monitoreo remoto, entre otros. Aunque no se establecen acuses de recibo, la confiabilidad de la comunicación ascendente se logra mediante la diversidad de tiempo y frecuencia, así como la duplicación de las transmisiones.

Dado que Sigfox representa un estándar propietario, los límites en el número de mensajes permitidos diariamente varían según el plan seleccionado.

Sigfox se caracteriza como una tecnología de red de área extensa de baja potencia (LPWAN, por sus siglas en inglés), específicamente concebida para habilitar la conectividad de dispositivos IoT (Internet de las cosas). 
Su diseño está focalizado en la reducción de los costos de conectividad y el consumo energético necesario para enlazar sensores IoT con la nube. La tecnología subyacente en Sigfox utiliza un sistema de tipo celular que posibilita que los dispositivos remotos se conecten mediante tecnología de banda estrecha (Ultra Narrow Band o UNB en inglés).

Se encuentra disponible a través de reconocidos proveedores de chips y módulos en el mercado, tales como Silicon Labs, Texas Instrument, Intel, Telecom Design, y ETSI, entre otros. Estos proveedores brindan apoyo y facilidades para la integración de sus equipos en la red Sigfox. La visión de Sigfox se centra en estandarizar sus soluciones para la comunicación en el IoT, fomentando así la interoperabilidad entre equipos de diversos fabricantes. Además de este respaldo, Sigfox ofrece la posibilidad de certificar dispositivos con la marca "SigFox Ready."

Este proceso de certificación tiene como objetivo clasificar los dispositivos según la calidad de la cobertura y el alcance de radio al que pueden acceder, dividiéndolos en categorías que van de 0 a 3, donde 0 representa la mejor calidad de radio y 3 la calidad más baja. Una vez que los dispositivos son fabricados y certificados, se abre la puerta al desarrollo de aplicaciones que pueden reemplazar soluciones existentes si el uso de Sigfox resulta más conveniente en diversas áreas de estudio. Alternativamente, se pueden concebir aplicaciones completamente nuevas e innovadoras para introducir en el mercado.

La red Sigfox proporciona conectividad económica y eficiente para IoT

Las redes de banda ancha como 5G (o 2G, 3G, 4G) pueden enviar rápidamente grandes cantidades de datos para aplicaciones de transmisión. 

La red Sigfox es una red de área amplia de bajo consumo (LPWAN) que ofrece una conectividad eficiente para el Internet de las Cosas (IoT).

A diferencia de las redes de banda ancha como el 5G, que están diseñadas para transmitir grandes cantidades de datos, la red Sigfox se adapta a dispositivos de IoT que transmiten pequeños bits de datos y no requieren operar en directo.

La red Sigfox (0G) permite a las empresas conectar dispositivos de IoT a un costo mucho más bajo que las redes de banda ancha convencionales.

Esta tecnología es especialmente útil en la Industria 4.0, como la cadena de suministro, IoT industrial (IIoT) y ciudades inteligentes.

En el sistema Sigfox, los dispositivos de IoT envían datos a través de la red a una estación base, que luego los transmite a la nube. Desde allí, los mensajes se envían a las aplicaciones del cliente, brindando una conectividad eficiente para el IoT.

La red Sigfox ha ganado popularidad en aplicaciones de seguimiento de activos debido a su bajo costo y fácil implementación. La red ofrece un rápido retorno de la inversión para estas aplicaciones.

Aunque existen otras opciones de conectividad LPWAN, como LoRa, Sigfox destaca por su capacidad de conectividad donde los requisitos de datos son pequeños y los paquetes de datos se transmiten con poca frecuencia.

Empresas como Safecube han logrado expandir su negocio a nivel mundial gracias a la red Sigfox para ofrecer aplicaciones de seguimiento y localización en la cadena de suministro.
La amplia cobertura global de la red y su capacidad para operar en distintas  regiones a la vez, han permitido a Safecube dar a los remitentes acceso directo y en directo a datos sobre ubicación y el estado de envíos.