物聯網因應各類不同場景，促使多(duo)(duo)種低(di)功耗廣域網(wang)(LPWA)標準(zhun)陸續(xu)興起，成本、低(di)功耗和智慧化特性是諸多(duo)(duo)企(qi)(qi)業考(kao)慮(lv)因素，而在近(jin)年技術發展之(zhi)下，ZETA也應運而生，提供企(qi)(qi)業更(geng)多(duo)(duo)元選擇。
隨著科(ke)技的(de)(de)快(kuai)速發展，物聯網(IoT)的(de)(de)概念越來越清晰(xi)。它不僅(jin)僅(jin)是一個熱門技術，也是人類從信(xin)息(xi)化、自動化，邁向智慧化的(de)(de)必經之路。根據GSMA預測，2025年物聯網總連(lian)接數(shu)目將達到252億，市場規(gui)模(mo)達到1.1兆美元，一個兆級規(gui)模(mo)的(de)(de)市場即將開啟。
低功耗廣域(yu)網(LPWA)作為物聯網行(xing)業中最重要的(de)技術之一，正(zheng)以年復合成(cheng)長率90%的(de)驚(jing)人速度成(cheng)長。根據Global Market Insights的(de)相關研究報告顯示，到2027年LPWA市場規模將(jiang)超(chao)過800億美元。
自(zi)從業界初(chu)步認識(shi)到LPWA價值開始，便伴隨著(zhu)多(duo)(duo)種技(ji)術的(de)演進與商業競(jing)賽。目前(qian)，該領域已(yi)形(xing)成了NB-IoT和LoRa這(zhe)兩種主流通訊技(ji)術的(de)市場(chang)(chang)(chang)態(tai)勢。不(bu)過，伴隨著(zhu)物聯網產業的(de)發(fa)展，更(geng)(geng)加多(duo)(duo)樣化(hua)的(de)場(chang)(chang)(chang)景不(bu)斷涌現，受限于網絡(luo)覆蓋、場(chang)(chang)(chang)景落地、成本(ben)控(kong)制、技(ji)術融合(he)等多(duo)(duo)種因素(su)，單(dan)靠NB-IoT和LoRa兩種技(ji)術并不(bu)能滿(man)足所(suo)有的(de)LPWA應用(yong)場(chang)(chang)(chang)景，市場(chang)(chang)(chang)須有更(geng)(geng)中(zhong)低(di)階、更(geng)(geng)低(di)成本(ben)、覆蓋范圍更(geng)(geng)大，滿(man)足更(geng)(geng)多(duo)(duo)廣泛物聯場(chang)(chang)(chang)景的(de)LPWA技(ji)術出現；同時，這(zhe)也給了新型LPWA技(ji)術生存發(fa)展和商業應用(yong)的(de)機遇和空間。
市(shi)場上永(yong)遠都不乏創新者，ZETA作為中國研發的低(di)功耗廣域(yu)網(wang)協議(yi)，正逐漸憑借市(shi)場及技術優(you)勢在(zai)眾(zhong)LPWA技術中脫(tuo)穎而出(chu)。
ZETA技術概述
ZETA是一種基于UNB低功耗廣域網技術協議標準，由廠商縱行科技自主研發。具有覆蓋范圍廣、服務成本低、能耗低等特點，滿足物聯網環境下的廣域范圍內數據交換頻率低、連接成本低、適用復雜環境的連接需求，可廣泛應用于物流、工業、建筑、農業、智慧城市等場景。
ZETA在同類型技(ji)術標(biao)準領域中(zhong)具有領先的優勢，是支(zhi)持分布(bu)式(shi)組網、嵌入(ru)式(shi)端智能提供(gong)算法升級(ji)的LPWA通訊標(biao)準，也(ye)是被日本、新加坡(po)等國(guo)家運營(ying)商應用的廣域物聯網技(ji)術。
為了(le)(le)解決低功耗(hao)、長距(ju)離、多樣化(hua)場(chang)景(jing)需要(yao)截然不同(tong)的性能指針等三(san)大痛(tong)點，ZETA對傳(chuan)統的LPWA技(ji)(ji)術進行(xing)(xing)了(le)(le)革新，提出(chu)了(le)(le)最新的Advanced M-FSK調變技(ji)(ji)術，充分借鏡5G中創新性的基礎概念SCS，對物理層進行(xing)(xing)了(le)(le)優化(hua)，使ZETA靈敏(min)度可(ke)達-150dBm，支持(chi)120km/h的移動物體監測，并能根據各種應(ying)用場(chang)景(jing)的不同(tong)速(su)率要(yao)求進行(xing)(xing)自(zi)適應(ying)，拓寬(kuan)了(le)(le)LPWA的應(ying)用場(chang)景(jing)。
作(zuo)為新一代LPWA技術，ZETA于2020年推(tui)出了LPWAN 2.0泛在物聯，旨在透過技術持續演進實現更低成本、更低功耗、更智(zhi)能的網絡(圖(tu)1)。
圖1 LPWAN 2.0技(ji)術愿景圖
ZETA網絡架構
ZETA網(wang)絡(luo)架構為典型(xing)的星(xing)狀(zhuang)(Star)拓撲(pu)，為了(le)面向多種(zhong)物(wu)聯網(wang)場(chang)景、多種(zhong)不同需求，以及降(jiang)低落地成本(ben)、難度(du)，ZETA網(wang)絡(luo)除了(le)支持(chi)典型(xing)的星(xing)狀(zhuang)拓撲(pu)，還(huan)創新(xin)性地實(shi)現了(le)網(wang)狀(zhuang)(Mesh)架構。ZETA是(shi)支持(chi)Mesh自組(zu)網(wang)的LPWA技術(shu)，具備(bei)無須(xu)配置自動組(zu)網(wang)、斷點自愈、高(gao)強(qiang)健性及穩定(ding)等特點，并(bing)可選(xuan)擇拓撲(pu)和通訊調度(du)策略(lve)將(jiang)功耗降(jiang)到最低，實(shi)現在(zai)復雜環境中的遠距離(li)可靠傳輸(shu)，可節省(sheng)70%的物(wu)聯網(wang)網(wang)絡(luo)部署(shu)成本(ben)(圖2)。
圖2 ZETA網絡架構(gou)圖
ZETA網絡(luo)包含AP、智(zhi)能路由器(qi)(qi)、終端、管(guan)理平(ping)臺(tai)(tai)，其中AP、終端、管(guan)理平(ping)臺(tai)(tai)為必選節(jie)(jie)點，智(zhi)慧路由器(qi)(qi)為可選節(jie)(jie)點。
AP(Access Point)
ZETA自組(zu)網匯聚(ju)點，主(zhu)要(yao)負責ZETA網絡數(shu)(shu)據采(cai)集，以及數(shu)(shu)據回傳至服務(wu)器(Server)，支持遠程全量升級、配(pei)置等功能(neng)。
智慧路由器
低功耗Mesh智慧(hui)(hui)路由(you)節點，擁(yong)有專(zhuan)利智慧(hui)(hui)路由(you)技術，可(ke)最多可(ke)支持4跳，有效(xiao)增加單站覆蓋范圍，便捷補充訊號盲區、防(fang)止(zhi)數據擁(yong)塞等功能。
終端MS(Module & Sensor)
數(shu)據傳(chuan)輸(shu)模塊，外接(jie)傳(chuan)感器整合(he)感知終端。
ZETA Server & PaaS
ZETA Server負責管(guan)理ZETA網(wang)絡，如復雜多(duo)樣(yang)協(xie)議(yi)解析、網(wang)絡拓(tuo)撲、當(dang)前電量、協(xie)議(yi)版本、遠(yuan)程升級等功(gong)能(neng)，提(ti)供(gong)終端到平臺完整(zheng)管(guan)道(dao)，打通(tong)客戶(hu)端到端IoT應(ying)用服務，縮(suo)短IoT實際應(ying)用落(luo)地周(zhou)期(qi)。
ZETA協定特點
由于物聯(lian)網碎片(pian)化特性(xing)，ZETA技術設計(ji)了三套協議以應(ying)對復雜(za)的應(ying)用場景需求。
ZETA-P
低(di)(di)時延，支持多達50Bytes的應用層數(shu)據(ju)傳(chuan)輸，低(di)(di)功耗雙(shuang)向通訊，支持遠(yuan)程OTA，主要針對訊息流(liu)量不大的局域網絡應用。
ZETA-S
時(shi)頻(pin)多(duo)任務，網絡信道(dao)利用率(lv)得(de)到提(ti)升(sheng)，單網關理(li)論上(shang)可(ke)支持接入約90,000+個設備，低功耗雙向通訊，支持遠程OTA，主要面向業務流量較大的城域(yu)網應(ying)用。
ZETA-G
協議精簡(jian)，成本極低，采(cai)用SDR技術，利(li)用正(zheng)交FSK+TBCC+重復等多(duo)種算法提升上(shang)傳靈敏度，有效增加覆蓋范圍。適(shi)合對成本敏感、有較大連接量的(de)應(ying)用。
超窄頻通訊
ZETA協議使用(yong)超窄頻進行通訊，單信道占用(yong)帶寬僅3.8kHz，支(zhi)持100/300/600bps的典型(xing)通訊速率，最(zui)大速率可(ke)支(zhi)持到200kbps。整系統帶寬最(zui)多也不(bu)到120kHz，占用(yong)帶寬資(zi)源很少，可(ke)方便的應用(yong)于各(ge)國的免授權頻譜。
雙向通訊
ZETA標準(zhun)(ZETA-G除外)，都具備上(shang)傳(chuan)、下載(zai)雙向通(tong)訊特點。可(ke)獲(huo)取傳(chuan)感(gan)器資料與(yu)上(shang)傳(chuan)，也(ye)可(ke)以(yi)進(jin)行下載(zai)配置與(yu)查詢和(he)控(kong)制(zhi)等操作。
低功耗
ZETA協議針對物聯網應用的上(shang)傳(chuan)為主、小數(shu)據量、可靠性要求不高(gao)、實(shi)時(shi)(shi)(shi)性要求不高(gao)等(deng)特點，進行了諸如LDC、ack下載、分(fen)時(shi)(shi)(shi)段(duan)下載、深度(du)休眠、分(fen)時(shi)(shi)(shi)隙上(shang)傳(chuan)等(deng)多種低功耗設計。
廣覆蓋
ZETA協議支持(chi)點對點通(tong)訊(xun)在視距情況超過(guo)10公(gong)里以上。利用(yong)多級智慧路由，又(you)進一(yi)步(bu)擴展了覆蓋(gai)范圍。對于ZETA-G協議，采用(yong)SDR技術，利用(yong)正(zheng)交FSK+TBCC+重復等多種算法提升上傳靈敏度，也有(you)效增加了覆蓋(gai)范圍。
抗干擾
ZETA協議使用于非(fei)授(shou)權頻譜(pu)，干擾(rao)(rao)訊號(hao)較多。因此設計了跳頻和載(zai)波(bo)偵聽等功能來提升抗(kang)干擾(rao)(rao)性(xing)能。
ZETA物理層關鍵技術介紹
針對LPWA通訊速(su)(su)率低、難(nan)以覆蓋及監測(ce)移動(dong)物(wu)體(ti)等問題，縱行(xing)(xing)科技(ji)(ji)最新研發Advanced M-FSK的(de)(de)調變(bian)(bian)方(fang)法，對ZETA無線(xian)通信的(de)(de)調變(bian)(bian)/解(jie)調處理的(de)(de)物(wu)理層進(jin)行(xing)(xing)了(le)提(ti)(ti)(ti)升(sheng)(sheng)優(you)化，使ZETA能(neng)根據(ju)各種應用場景的(de)(de)不同速(su)(su)率要求進(jin)行(xing)(xing)自(zi)適應，同時(shi)能(neng)充分借鑒5G的(de)(de)先(xian)進(jin)接收機技(ji)(ji)術進(jin)而提(ti)(ti)(ti)升(sheng)(sheng)靈敏度(du)，突破現有LPWA技(ji)(ji)術接收靈敏度(du)上限(xian)，由此為新一代的(de)(de)LPWAN 2.0技(ji)(ji)術的(de)(de)演進(jin)提(ti)(ti)(ti)供(gong)了(le)新的(de)(de)思路。
ZETA物理層(ceng)的(de)Advanced M-FSK調變(bian)方式，具(ju)有較為不(bu)同的(de)特點(dian)，既(ji)具(ju)有Sigfox的(de)窄(zhai)帶通訊優勢；又具(ju)備LoRa的(de)擴展性；還可以利(li)用5G技(ji)術在較小帶寬中傳輸相(xiang)對(dui)較高的(de)速(su)率。
由(you)此，ZETA突破了(le)LPWA傳輸數據(ju)過(guo)小的(de)局限，既能(neng)支(zhi)持短影片(pian)監控回傳以(yi)及工廠中大量的(de)機電數據(ju)采集傳輸，也能(neng)支(zhi)持物流場景的(de)移動(dong)物體監測，與LoRa等LPWA技(ji)術相比(bi)，具有(you)更好(hao)的(de)擴(kuo)展性，可以(yi)接(jie)近百萬級(ji)別的(de)速率，擴(kuo)展了(le)LPWA的(de)應用(yong)場景(表1)。
M-FSK調(diao)變(bian)(bian)：時域(yu)為1的訊號在(zai)頻(pin)域(yu)上(shang)(shang)M個(ge)正交頻(pin)點上(shang)(shang)選擇一個(ge)頻(pin)點調(diao)變(bian)(bian)發送(song)。如(ru)圖(tu)3所示，M=8，每(mei)個(ge)頻(pin)點每(mei)個(ge)符號可以調(diao)變(bian)(bian)3bit的信息。最小(xiao)頻(pin)點間隔為2kHz，為了保持頻(pin)點的正交性，符號速(su)率要小(xiao)于最小(xiao)頻(pin)點間隔。如(ru)圖(tu)3所示符號速(su)率為600Hz。
圖3 M-FSK調變方式
可以直(zhi)接獲得如下認識，調(diao)變信息只(zhi)(zhi)在(zai)相位(wei)上改變，不(bu)利用幅度(du)調(diao)變信息，PAPR為零，保(bao)持(chi)低功(gong)耗特(te)性；發(fa)(fa)送(song)功(gong)率不(bu)變，帶寬增加，調(diao)變bit數增多(duo)(log2(M))；每個符號(hao)只(zhi)(zhi)在(zai)一個頻(pin)點(dian)上發(fa)(fa)送(song)，具有窄頻(pin)通訊特(te)點(dian)。
透(tou)過調變提升以下參數性(xing)能：.
1. 最大化利用發射功(gong)率，保證LPWA通訊不出現(xian)瞬(shun)時高功(gong)率的同時，使功(gong)耗能量效率最大化(即PAPR)。
2. 提(ti)升接(jie)收機的靈(ling)敏度(du)，增(zeng)強覆蓋距(ju)離(li)。如果提(ti)升接(jie)收機6dB靈(ling)敏度(du)即4倍(bei)，覆蓋距(ju)離(li)可以增(zeng)強一倍(bei)。
3. 滿足不同(tong)行(xing)業(ye)的(de)(de)特定數(shu)據監測需求。比如，隨著物(wu)流行(xing)業(ye)的(de)(de)蓬勃發展，物(wu)聯網(wang)技術不僅僅要(yao)支撐大(da)量(liang)(liang)的(de)(de)靜態傳感(gan)器接(jie)入(ru)，同(tong)時(shi)也需要(yao)大(da)量(liang)(liang)支持移動包裹的(de)(de)接(jie)入(ru)，即(ji)支持都卜勒和多徑無線復雜(za)環境的(de)(de)物(wu)體接(jie)入(ru)。
進而達到以下應用目標：
1. 靈(ling)(ling)敏度可達(da)-150dBm，進而(er)增(zeng)加幾倍(bei)的(de)(de)(de)覆蓋距離。與其他LPWA技術相比：相同(tong)(tong)的(de)(de)(de)速(su)率(lv)下，具(ju)有更低的(de)(de)(de)靈(ling)(ling)敏度。在同(tong)(tong)樣(yang)靈(ling)(ling)敏度下，具(ju)有更高的(de)(de)(de)速(su)率(lv)。透過內(nei)外(wai)場測試，100bps的(de)(de)(de)數據速(su)率(lv)，靈(ling)(ling)敏度可以到(dao)-144.7dBm。30bps的(de)(de)(de)速(su)率(lv)，則可以到(dao)-149.2dBm靈(ling)(ling)敏度。
2. 支持(chi)120km/h的(de)移(yi)(yi)動物(wu)體監測，進而實現高速移(yi)(yi)動物(wu)體的(de)數據(ju)采集及實時監測，拓(tuo)展LPWA技術在物(wu)流流轉場景的(de)應用(yong)(圖(tu)4)。
圖(tu)4 ZETA與LoRa可應(ying)用速率區(qu)間對比圖(tu)
協定安全
縱行科(ke)技針對物聯網環境，制定(ding)完整的物聯網安(an)全(quan)體制。從存取驗證、數據加密(mi)、ZETA Server管理(li)、使用者(zhe)終端(duan)管理(li)以及服務器數據庫安(an)全(quan)管理(li)等多層次實現網絡安(an)全(quan)保(bao)障。
1. 入網驗證
設備接(jie)(jie)入時(shi)，為避免非ZETA終(zhong)端接(jie)(jie)入網絡，需進行存取(qu)驗證，首先是由設備根據隨機數Nonce以及密鑰(yao)KI計算(suan)生(sheng)成Auth值，然后把nonce和Auth一起發送給NS平臺，平臺根據相同(tong)的KI以及訊息(xi)中的nonce，加(jia)上同(tong)一個算(suan)法生(sheng)成Auth，再比較(jiao)Auth進行驗證。
2. 通訊加密算法
不同(tong)于因(yin)特網，物(wu)聯網數據(ju)量更少(shao)，對冗余、開銷更敏感，需要更精(jing)簡(jian)的加(jia)密(mi)(mi)(mi)算(suan)法對敏感數據(ju)進(jin)行加(jia)密(mi)(mi)(mi)。ZETA協議(yi)選用(yong)精(jing)簡(jian)加(jia)密(mi)(mi)(mi)算(suan)法Keeloq對訊息(xi)數據(ju)域(yu)進(jin)行加(jia)密(mi)(mi)(mi)，加(jia)密(mi)(mi)(mi)原理：用(yong)8byte密(mi)(mi)(mi)鑰(yao)加(jia)密(mi)(mi)(mi)n×4byte明(ming)(ming)文，進(jin)而得到n×4byte密(mi)(mi)(mi)碼(ma)或者用(yong)8byte密(mi)(mi)(mi)鑰(yao)解密(mi)(mi)(mi)n×4byte密(mi)(mi)(mi)碼(ma)，還原出(chu)原n×4byte明(ming)(ming)文。
3. 驗證及數據加密
驗證過(guo)程：網關(guan)(guan)利用(yong)(yong)(yong)(yong)bsid和隨機數count，以及事(shi)先存儲于網關(guan)(guan)內部的(de)密鑰(yao)(yao)KI，透過(guo)SHA256算(suan)法(fa)生(sheng)(sheng)成驗證摘(zhai)要。然后(hou)(hou)把驗證摘(zhai)要和count，以KI為密鑰(yao)(yao)，利用(yong)(yong)(yong)(yong)AES128算(suan)法(fa)進行加(jia)密，傳輸給(gei)平臺(tai)(tai)，平臺(tai)(tai)接收后(hou)(hou)用(yong)(yong)(yong)(yong)相同算(suan)法(fa)解密，并校驗驗證摘(zhai)要。校驗透過(guo)后(hou)(hou)，回復登(deng)入(ru)成功給(gei)網關(guan)(guan)。網關(guan)(guan)會使用(yong)(yong)(yong)(yong)RS1024生(sheng)(sheng)成密鑰(yao)(yao)對，將公(gong)鑰(yao)(yao)發送給(gei)云(yun)(yun)端(duan)平臺(tai)(tai)，云(yun)(yun)端(duan)平臺(tai)(tai)隨機生(sheng)(sheng)成128bits數據(ju)通訊密鑰(yao)(yao)，用(yong)(yong)(yong)(yong)公(gong)鑰(yao)(yao)加(jia)密后(hou)(hou)發給(gei)網關(guan)(guan)。網關(guan)(guan)利用(yong)(yong)(yong)(yong)私(si)鑰(yao)(yao)解密后(hou)(hou)得到數據(ju)通訊密鑰(yao)(yao)。后(hou)(hou)續與云(yun)(yun)端(duan)平臺(tai)(tai)通訊就用(yong)(yong)(yong)(yong)該密鑰(yao)(yao)，利用(yong)(yong)(yong)(yong)AES128進行加(jia)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(fang)式、速率、帶(dai)寬、覆蓋(gai)能力(li)、時延及小區容(rong)量方(fang)面(mian)均有一(yi)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、工業領域的Zigbee、Wi-Fi、藍牙等進行技術替代。目前，ZETA在規模資產管理、通路沖突等場景是LPWA技術唯一可行方案，并在工業泛在物聯網領域實現更低成本、更高性能替代；同時，透過IP經營模式，聯合多家芯片合(he)作伙伴，將技術高(gao)速拓展(zhan)至包(bao)括(kuo)物流(liu)供應(ying)鏈(lian)、鋼鐵、水泥(ni)、化工等(deng)領域(yu)。
對于各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)來(lai)說(shuo)，進行(xing)數字化(hua)(hua)轉型升級，需要建設覆蓋區(qu)域乃至更大范圍的新型基(ji)礎設施(shi)，物(wu)(wu)聯(lian)網技術是其中重要的一環。ZETA作為新一代物(wu)(wu)聯(lian)網通訊(xun)技術，能有力推動智慧城市、智慧小區(qu)等各(ge)個領域的信息基(ji)礎設施(shi)建設，建構(gou)城市智能化(hua)(hua)終端實施(shi)網絡。
與(yu)此同時，ZETA仍(reng)在不斷(duan)更新迭代運算產品技(ji)術，透(tou)過組建(jian)ZETA生態聯盟，建(jian)立ZETA技(ji)術標準，擴大ZETA應(ying)(ying)用生態圈，已(yi)經實現了從底層(ceng)技(ji)術、芯(xin)片(pian)、模(mo)塊、產品終端到應(ying)(ying)用場(chang)景的全(quan)(quan)鏈路自(zi)主可控，能夠確保供應(ying)(ying)鏈體(ti)系穩定、安全(quan)(quan)。目前，ZETA聯盟會員已(yi)超300名，遍及全(quan)(quan)球20+國家和(he)地區。
雖(sui)然(ran)，目前LPWA市場形成了NB-IoT和(he)LoRa占(zhan)據主(zhu)流的(de)市場格(ge)局(ju)，但是(shi)這一(yi)格(ge)局(ju)并(bing)不(bu)穩固，主(zhu)流技(ji)術(shu)市場占(zhan)有率(lv)會因為其(qi)他LPWA技(ji)術(shu)的(de)商用有所下滑。而ZETA能以一(yi)個相(xiang)對小眾(zhong)的(de)技(ji)術(shu)，在NB-IoT及LoRa兩大LPWA技(ji)術(shu)夾縫中生存，一(yi)方(fang)面(mian)聚焦于自(zi)身技(ji)術(shu)指(zhi)標的(de)扎(zha)實(shi)與領先，另一(yi)方(fang)面(mian)選擇(ze)了一(yi)條面(mian)向垂直產業應用發展的(de)道路，對市場有更清晰(xi)的(de)認識和(he)更務實(shi)的(de)定位(wei)。值得關(guan)注的(de)是(shi)，ZETA在商業運營模式及生態建(jian)設方(fang)面(mian)，走出了自(zi)己(ji)的(de)特色(se)，值得其(qi)他LPWA技(ji)術(shu)借(jie)鑒(jian)。
