LPWAN Das Sigfox-Funkprotokoll

Mit der Veröffentlichung des Sigfox-Protokolls startet der LPWAN-Netzbetreiber Sigfox in eine neue Phase.
Mit der Veröffentlichung des Sigfox-Protokolls startet der LPWAN-Netzbetreiber Sigfox in eine neue Phase.

Um die Entwicklung und Herstellung Sigfox-fähiger Geräte zu unterstützen, hat Sigfox die Spezifikation seines Funkprotokolls veröffentlicht und freigegeben. Auf dieser Grundlage kann nun jeder ein Sigfox-Endgerät entwickeln.

Das Unternehmen Sigfox ist ein weltweit agierender LPWAN-Funknetzbetreiber (Low Power Wide Area Network) für IoT-Anwendungen mit niedriger Datenrate. Das Netzwerk des Unternehmens – das wegen seiner niedrigen Datenrate auch 0G-Netz genannt wird – nutzt ein Funkprotokoll, das ebenfalls den Namen Sigfox trägt.

Vom Geschäftsgeheimnis zur offenen Spezifikation

Bei der Entwicklung und Umsetzung von LPWAN-Anwendungen arbeitet Sigfox bereits seit Jahren mit zahlreichen Partnern zusammen, die selbstverständlich auch Zugang zu allen erforderlichen technischen Details und Spezifikationen des Sigfox-Protokolls erhalten haben. Hierzu gab das Unternehmen die Spezifikationen bisher jedoch nur auf Anfrage und nach Unterzeichnung einer Geheimhaltungsvereinbarung (NDA – Non Disclosure Agreement) weiter. Dadurch hatte Sigfox unter anderem die Möglichkeit, steuernd auf die Anzahl neuer Sigfox-Geräte einzuwirken, was vor allem in der Aufbauphase des Sigfox-Netzwerkes für Planungssicherheit sorgte.

Anlässlich des 8. Weltfunktages am 13. Februar 2019 hat Sigfox, dessen LPWA-Netzwerk inzwischen mehr als 60 Länder abdeckt, die Spezifikationen für Endgeräte frei veröffentlicht und damit die Phase der kontrollierten Informationsweitergabe beendet. Seit diesem Stichtag kann jeder Interessierte das knapp 40-seitige PDF-Dokument »Sigfox connected objects: Radio specifications (February 2019)« nach Bestätigung der Nutzungsbedingungen von der Sigfox-Internetsite abrufen.

Was steht in der Sigfox-Spezifikation?

Die Veröffentlichung der Sigfox-Spezifikation bezieht sich auf einen ganz bestimmten Teil des Sigfox-Netzwerkes. So fallen die durch Patente geschützten Sigfox-Basisstationen und die Sigfox-Infrastruktur – rot gestrichelter Bereich in Bild 1 – nicht darunter.

In der offengelegten Spezifikation geht es ausschließlich um den linken Bereich der Grafik, der die Kommunikation der Endgeräte mit den Sigfox-Basisstationen beschreibt.

Dies sind genau die Informationen, die ein Unternehmen benötigt, um Sigfox-Transceiver in eigene Geräte implementieren zu können oder um neue Sigfox-fähige Endgeräte zu entwerfen.

Der Funkbereich

Das Dokument zu den Sigfox-Funkspezifikationen ist in fünf Sektionen untereilt und wird um drei Anhänge ergänzt. Nach einer kurzen Einleitung (Sektion 1) folgt mit Sektion 2 »Radio Hardware Engineering« der erste umfassende Abschnitt des Dokuments. Hier sind alle grundlegenden Informationen zusammengefasst, die der Funktechniker für das Entwickeln des Funk-Transceivers eines Sigfox-Endgerätes benötigt.

Dabei wird zunächst auf die lizenzfreien Frequenzbänder eingegangen, deren Nutzung in verschiedenen Regionen an unterschiedliche Restriktionen geknüpft ist. In Europa beispielsweise gilt für Funkanlagen, die im Bereich von 865,0 bis 868,6 MHz übertragen, eine relative Frequenzbelegungsdauer (Tastgrad – engl. »Duty Cycle« oder »DC«) von maximal 1 % pro Stunde. Ein Sigfox-Endgerät, das für Übertragungen zur Basisstation (Uplink) den 200 kHz breiten Korridor zwischen 868,030 und 868,230 MHz nutzt, darf seinen spezifischen Übertragungskanal nicht länger als 36 s pro Stunde belegen. Dieser Kanal hat lediglich eine Bandbreite von 100 Hz und seine Frequenz wird per Frequenzsprungverfahren variiert. Diese in der Norm ETSI 300 220 festgelegte Frequenznutzung gilt für europäische Länder, jedoch nicht in Nordamerika oder Asien.

Ein Sigfox-Endgerät muss somit – je nach Einsatzort – mit unterschiedlichen Frequenznutzungsverfahren kompatibel sein (Bild 2). In der Spezifikation werden die entsprechenden Funkkonfigurationen eines Sigfox-Endgerätes als »Regional Profiles« bezeichnet.

Des Weiteren finden sich in diesem Kapitel Angaben zu den verschiedenen Frequenzbereichen für Uploads- und Downloads (RC1 bis RC6, Tabelle) im Ultra-Narrow-Band, zur Frequenzdrift und zur Symbolrate, also den pro Zeiteinheit übertragenen Symbolen.

Unter Punkt 2.4 geht das Spezifikationsdokument dann ausführlich auf die Sendecharakteristiken (Tx Characteristics) wie Sendeleistung, Uplink-Modulation oder Tx-Spektrum und auf die Empfangscharakteristiken (Rx Characteristics) wie Empfindlichkeit oder Störresistenz eines Sigfox-Endgeräts ein.