導讀
物聯(lián)網因應各類不同場景，促使多種低功耗廣域網(LPWA)標準陸續(xù)興起，成本、低功耗和智慧化特性是諸多企業(yè)考慮因素，而在近年技術發(fā)展之下，ZETA也應運而生，提供企業(yè)更多元選擇。
隨著科技的快速發(fā)展，物聯(lián)網(IoT)的概念越來越清晰。它不僅僅是一個熱門技術，也是人類從信息化、自動化，邁向智慧化的必經之路。根據(jù)GSMA預測，2025年物聯(lián)網總連接數(shù)目將達到252億，市場規(guī)模達到1.1兆美元，一個兆級規(guī)模的市場即將開啟。
低功耗廣域網(LPWA)作為物聯(lián)網行業(yè)中最重要的技術之一，正以年復合成長率90%的驚人速度成長。根據(jù)Global Market Insights的相關研究報告顯示，到2027年LPWA市場規(guī)模將超過800億美元。
自從業(yè)界初步認識到LPWA價值開始，便伴隨著多種技術的演進與商業(yè)競賽。目前，該領域已形成了NB-IoT和LoRa這兩種主流通訊技術的市場態(tài)勢。不過，伴隨著物聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展，更加多樣化的場景不斷涌現(xiàn)，受限于網絡覆蓋、場景落地、成本控制、技術融合等多種因素，單靠NB-IoT和LoRa兩種技術并不能滿足所有的LPWA應用場景，市場須有更中低階、更低成本、覆蓋范圍更大，滿足更多廣泛物聯(lián)場景的LPWA技術出現(xiàn)；同時，這也給了新型LPWA技術生存發(fā)展和商業(yè)應用的機遇和空間。
市場上永遠都不乏創(chuàng)新者，ZETA作為中國研發(fā)的低功耗廣域網協(xié)議，正逐漸憑借市場及技術優(yōu)勢在眾LPWA技術中脫穎而出。
ZETA技術概述
ZETA是一種基于UNB低功耗廣域網技術協(xié)議標準，由廠商縱行科技自主研發(fā)。具有覆蓋范圍廣、服務成本低、能耗低等特點，滿足物聯(lián)網環(huán)境下的廣域范圍內數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、適用復雜環(huán)境的連接需求，可廣泛應用于物流、工業(yè)、建筑、農業(yè)、智慧城市等場景。
ZETA在同類型技術標準領域中具有領先的優(yōu)勢，是支持分布式組網、嵌入式端智能提供算法升級的LPWA通訊標準，也是被日本、新加坡等國家運營商應用的廣域物聯(lián)網技術。
為了解決低功耗、長距離、多樣化場景需要截然不同的性能指針等三大痛點，ZETA對傳統(tǒng)的LPWA技術進行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK調變技術，充分借鏡5G中創(chuàng)新性的基礎概念SCS，對物理層進行了優(yōu)化，使ZETA靈敏度可達-150dBm，支持120km/h的移動物體監(jiān)測，并能根據(jù)各種應用場景的不同速率要求進行自適應，拓寬了LPWA的應用場景。
作為新一代LPWA技術，ZETA于2020年推出了LPWAN 2.0泛在物聯(lián)，旨在透過技術持續(xù)演進實現(xiàn)更低成本、更低功耗、更智能的網絡(圖1)。
圖1 LPWAN 2.0技術愿景圖
ZETA網絡架構
ZETA網絡架構為典型的星狀(Star)拓撲，為了面向多種物聯(lián)網場景、多種不同需求，以及降低落地成本、難度，ZETA網絡除了支持典型的星狀拓撲，還創(chuàng)新性地實現(xiàn)了網狀(Mesh)架構。ZETA是支持Mesh自組網的LPWA技術，具備無須配置自動組網、斷點自愈、高強健性及穩(wěn)定等特點，并可選擇拓撲和通訊調度策略將功耗降到最低，實現(xiàn)在復雜環(huán)境中的遠距離可靠傳輸，可節(jié)省70%的物聯(lián)網網絡部署成本(圖2)。
圖2 ZETA網絡架構圖
ZETA網絡包含AP、智能路由器、終端、管理平臺，其中AP、終端、管理平臺為必選節(jié)點，智慧路由器為可選節(jié)點。
AP(Access Point)
ZETA自組網匯聚點，主要負責ZETA網絡數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)回傳至服務器(Server)，支持遠程全量升級、配置等功能。
智慧路由器
低功耗Mesh智慧路由節(jié)點，擁有專利智慧路由技術，可最多可支持4跳，有效增加單站覆蓋范圍，便捷補充訊號盲區(qū)、防止數(shù)據(jù)擁塞等功能。
終端MS(Module & Sensor)
數(shù)據(jù)傳輸模塊，外接傳感器整合感知終端。
ZETA Server & PaaS
ZETA Server負責管理ZETA網絡，如復雜多樣協(xié)議解析、網絡拓撲、當前電量、協(xié)議版本、遠程升級等功能，提供終端到平臺完整管道，打通客戶端到端IoT應用服務，縮短IoT實際應用落地周期。
ZETA協(xié)定特點
由于物聯(lián)網碎片化特性，ZETA技術設計了三套協(xié)議以應對復雜的應用場景需求。
ZETA-P
低時延，支持多達50Bytes的應用層數(shù)據(jù)傳輸，低功耗雙向通訊，支持遠程OTA，主要針對訊息流量不大的局域網絡應用。
ZETA-S
時頻多任務，網絡信道利用率得到提升，單網關理論上可支持接入約90,000+個設備，低功耗雙向通訊，支持遠程OTA，主要面向業(yè)務流量較大的城域網應用。
ZETA-G
協(xié)議精簡，成本極低，采用SDR技術，利用正交FSK+TBCC+重復等多種算法提升上傳靈敏度，有效增加覆蓋范圍。適合對成本敏感、有較大連接量的應用。
超窄頻通訊
ZETA協(xié)議使用超窄頻進行通訊，單信道占用帶寬僅3.8kHz，支持100/300/600bps的典型通訊速率，最大速率可支持到200kbps。整系統(tǒng)帶寬最多也不到120kHz，占用帶寬資源很少，可方便的應用于各國的免授權頻譜。
雙向通訊
ZETA標準(ZETA-G除外)，都具備上傳、下載雙向通訊特點。可獲取傳感器資料與上傳，也可以進行下載配置與查詢和控制等操作。
低功耗
ZETA協(xié)議針對物聯(lián)網應用的上傳為主、小數(shù)據(jù)量、可靠性要求不高、實時性要求不高等特點，進行了諸如LDC、ack下載、分時段下載、深度休眠、分時隙上傳等多種低功耗設計。
廣覆蓋
ZETA協(xié)議支持點對點通訊在視距情況超過10公里以上。利用多級智慧路由，又進一步擴展了覆蓋范圍。對于ZETA-G協(xié)議，采用SDR技術，利用正交FSK+TBCC+重復等多種算法提升上傳靈敏度，也有效增加了覆蓋范圍。
抗干擾
ZETA協(xié)議使用于非授權頻譜，干擾訊號較多。因此設計了跳頻和載波偵聽等功能來提升抗干擾性能。
ZETA物理層關鍵技術介紹
針對LPWA通訊速率低、難以覆蓋及監(jiān)測移動物體等問題，縱行科技最新研發(fā)Advanced M-FSK的調變方法，對ZETA無線通信的調變/解調處理的物理層進行了提升優(yōu)化，使ZETA能根據(jù)各種應用場景的不同速率要求進行自適應，同時能充分借鑒5G的先進接收機技術進而提升靈敏度，突破現(xiàn)有LPWA技術接收靈敏度上限，由此為新一代的LPWAN 2.0技術的演進提供了新的思路。
ZETA物理層的Advanced M-FSK調變方式，具有較為不同的特點，既具有Sigfox的窄帶通訊優(yōu)勢；又具備LoRa的擴展性；還可以利用5G技術在較小帶寬中傳輸相對較高的速率。
由此，ZETA突破了LPWA傳輸數(shù)據(jù)過小的局限，既能支持短影片監(jiān)控回傳以及工廠中大量的機電數(shù)據(jù)采集傳輸，也能支持物流場景的移動物體監(jiān)測，與LoRa等LPWA技術相比，具有更好的擴展性，可以接近百萬級別的速率，擴展了LPWA的應用場景(表1)。
M-FSK調變：時域為1的訊號在頻域上M個正交頻點上選擇一個頻點調變發(fā)送。如圖3所示，M=8，每個頻點每個符號可以調變3bit的信息。最小頻點間隔為2kHz，為了保持頻點的正交性，符號速率要小于最小頻點間隔。如圖3所示符號速率為600Hz。
圖3 M-FSK調變方式
可以直接獲得如下認識，調變信息只在相位上改變，不利用幅度調變信息，PAPR為零，保持低功耗特性；發(fā)送功率不變，帶寬增加，調變bit數(shù)增多(log2(M))；每個符號只在一個頻點上發(fā)送，具有窄頻通訊特點。
透過調變提升以下參數(shù)性能：.
1. 最大化利用發(fā)射功率，保證LPWA通訊不出現(xiàn)瞬時高功率的同時，使功耗能量效率最大化(即PAPR)。
2. 提升接收機的靈敏度，增強覆蓋距離。如果提升接收機6dB靈敏度即4倍，覆蓋距離可以增強一倍。
3. 滿足不同行業(yè)的特定數(shù)據(jù)監(jiān)測需求。比如，隨著物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網技術不僅僅要支撐大量的靜態(tài)傳感器接入，同時也需要大量支持移動包裹的接入，即支持都卜勒和多徑無線復雜環(huán)境的物體接入。
進而達到以下應用目標：
1. 靈敏度可達-150dBm，進而增加幾倍的覆蓋距離。與其他LPWA技術相比：相同的速率下，具有更低的靈敏度。在同樣靈敏度下，具有更高的速率。透過內外場測試，100bps的數(shù)據(jù)速率，靈敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率，則可以到-149.2dBm靈敏度。
2. 支持120km/h的移動物體監(jiān)測，進而實現(xiàn)高速移動物體的數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)測，拓展LPWA技術在物流流轉場景的應用(圖4)。
圖4 ZETA與LoRa可應用速率區(qū)間對比圖
協(xié)定安全
縱行科技針對物聯(lián)網環(huán)境，制定完整的物聯(lián)網安全體制。從存取驗證、數(shù)據(jù)加密、ZETA Server管理、使用者終端管理以及服務器數(shù)據(jù)庫安全管理等多層次實現(xiàn)網絡安全保障。
1. 入網驗證
設備接入時，為避免非ZETA終端接入網絡，需進行存取驗證，首先是由設備根據(jù)隨機數(shù)Nonce以及密鑰KI計算生成Auth值，然后把nonce和Auth一起發(fā)送給NS平臺，平臺根據(jù)相同的KI以及訊息中的nonce，加上同一個算法生成Auth，再比較Auth進行驗證。
2. 通訊加密算法
不同于因特網，物聯(lián)網數(shù)據(jù)量更少，對冗余、開銷更敏感，需要更精簡的加密算法對敏感數(shù)據(jù)進行加密。ZETA協(xié)議選用精簡加密算法Keeloq對訊息數(shù)據(jù)域進行加密，加密原理：用8byte密鑰加密n×4byte明文，進而得到n×4byte密碼或者用8byte密鑰解密n×4byte密碼，還原出原n×4byte明文。
3. 驗證及數(shù)據(jù)加密
驗證過程：網關利用bsid和隨機數(shù)count，以及事先存儲于網關內部的密鑰KI，透過SHA256算法生成驗證摘要。然后把驗證摘要和count，以KI為密鑰，利用AES128算法進行加密，傳輸給平臺，平臺接收后用相同算法解密，并校驗驗證摘要。校驗透過后，回復登入成功給網關。網關會使用RS1024生成密鑰對，將公鑰發(fā)送給云端平臺，云端平臺隨機生成128bits數(shù)據(jù)通訊密鑰，用公鑰加密后發(fā)給網關。網關利用私鑰解密后得到數(shù)據(jù)通訊密鑰。后續(xù)與云端平臺通訊就用該密鑰，利用AES128進行加密通訊。
LPWA技術對比
主流的LPWA技術有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等，在網絡支持通訊方式、速率、帶寬、覆蓋能力、時延及小區(qū)容量方面均有一定的差異(表2)。
此外，ZETA穿透性更強、覆蓋更廣、功耗更低，可以對LPWA領域的技術LoRa、NB-IoT，以及2G、物流領域的RFID、工業(yè)領域的Zigbee、Wi-Fi、藍牙等進行技術替代。目前，ZETA在規(guī)模資產管理、通路沖突等場景是LPWA技術唯一可行方案，并在工業(yè)泛在物聯(lián)網領域實現(xiàn)更低成本、更高性能替代；同時，透過IP經營模式，聯(lián)合多家芯片合作伙伴，將技術高速拓展至包括物流供應鏈、鋼鐵、水泥、化工等領域。
對于各行各業(yè)來說，進行數(shù)字化轉型升級，需要建設覆蓋區(qū)域乃至更大范圍的新型基礎設施，物聯(lián)網技術是其中重要的一環(huán)。ZETA作為新一代物聯(lián)網通訊技術，能有力推動智慧城市、智慧小區(qū)等各個領域的信息基礎設施建設，建構城市智能化終端實施網絡。
與此同時，ZETA仍在不斷更新迭代運算產品技術，透過組建ZETA生態(tài)聯(lián)盟，建立ZETA技術標準，擴大ZETA應用生態(tài)圈，已經實現(xiàn)了從底層技術、芯片、模塊、產品終端到應用場景的全鏈路自主可控，能夠確保供應鏈體系穩(wěn)定、安全。目前，ZETA聯(lián)盟會員已超300名，遍及全球20+國家和地區(qū)。
雖然，目前LPWA市場形成了NB-IoT和LoRa占據(jù)主流的市場格局，但是這一格局并不穩(wěn)固，主流技術市場占有率會因為其他LPWA技術的商用有所下滑。而ZETA能以一個相對小眾的技術，在NB-IoT及LoRa兩大LPWA技術夾縫中生存，一方面聚焦于自身技術指標的扎實與領先，另一方面選擇了一條面向垂直產業(yè)應用發(fā)展的道路，對市場有更清晰的認識和更務實的定位。值得關注的是，ZETA在商業(yè)運營模式及生態(tài)建設方面，走出了自己的特色，值得其他LPWA技術借鑒。
轉載來源：新通訊
物聯(lián)網智庫
