物聯網因應(ying)各類不(bu)同場景，促使多種低(di)功耗廣域網(LPWA)標準陸續興起，成本、低(di)功耗和智慧化特性是(shi)諸多企業考慮因素，而(er)在近年技術發(fa)展之下，ZETA也應(ying)運而(er)生，提供企業更(geng)多元選擇(ze)。
隨著科(ke)技(ji)的(de)快(kuai)速發(fa)展(zhan)，物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)(IoT)的(de)概念越來越清晰。它不僅(jin)僅(jin)是一個(ge)熱門(men)技(ji)術，也是人類(lei)從信息(xi)化(hua)(hua)、自(zi)動化(hua)(hua)，邁(mai)向智(zhi)慧化(hua)(hua)的(de)必(bi)經之路。根據GSMA預測，2025年物(wu)聯(lian)網(wang)(wang)總連接數(shu)目將達到(dao)252億(yi)，市(shi)(shi)場規(gui)(gui)模達到(dao)1.1兆美元，一個(ge)兆級規(gui)(gui)模的(de)市(shi)(shi)場即將開啟。
低(di)功耗廣(guang)域(yu)網(LPWA)作為物聯網行業(ye)中最重要的技術(shu)之(zhi)一，正以年(nian)復合成(cheng)(cheng)長率(lv)90%的驚人速度成(cheng)(cheng)長。根據(ju)Global Market Insights的相關研究報(bao)告顯示，到(dao)2027年(nian)LPWA市(shi)場規模將超過800億美(mei)元。
自從業(ye)界初步認識到LPWA價(jia)值開始，便伴隨(sui)著(zhu)多(duo)種(zhong)技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)演進與商(shang)業(ye)競賽。目前(qian)，該(gai)領域已形成(cheng)了(le)NB-IoT和LoRa這兩種(zhong)主流(liu)通(tong)訊技(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)市(shi)場(chang)態勢。不(bu)過，伴隨(sui)著(zhu)物聯網產業(ye)的(de)(de)發(fa)展(zhan)，更(geng)加多(duo)樣化的(de)(de)場(chang)景不(bu)斷涌現，受限于網絡(luo)覆蓋、場(chang)景落地、成(cheng)本控(kong)制(zhi)、技(ji)術(shu)(shu)融合(he)等多(duo)種(zhong)因素，單靠NB-IoT和LoRa兩種(zhong)技(ji)術(shu)(shu)并不(bu)能滿(man)足(zu)所有的(de)(de)LPWA應(ying)用(yong)場(chang)景，市(shi)場(chang)須有更(geng)中(zhong)低(di)階(jie)、更(geng)低(di)成(cheng)本、覆蓋范圍(wei)更(geng)大，滿(man)足(zu)更(geng)多(duo)廣泛物聯場(chang)景的(de)(de)LPWA技(ji)術(shu)(shu)出現；同時(shi)，這也給了(le)新型LPWA技(ji)術(shu)(shu)生存發(fa)展(zhan)和商(shang)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)(de)機遇和空(kong)間。
市(shi)場上永遠都不(bu)乏(fa)創新(xin)者，ZETA作為中(zhong)國研發的低(di)功耗廣域網協議，正逐(zhu)漸憑借市(shi)場及技(ji)術優勢在眾LPWA技(ji)術中(zhong)脫穎(ying)而(er)出。
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(xing)技術(shu)標準領(ling)(ling)域中具有領(ling)(ling)先的(de)優勢(shi)，是支持分布(bu)式組網、嵌入式端智(zhi)能(neng)提(ti)供算(suan)法升級的(de)LPWA通訊(xun)標準，也是被日(ri)本、新加坡等國(guo)家運營(ying)商應用的(de)廣域物(wu)聯(lian)網技術(shu)。
為了(le)解決低(di)功耗、長距(ju)離、多(duo)樣(yang)化場景需要截然不同的性能指針等三大痛(tong)點，ZETA對傳統的LPWA技術進(jin)行了(le)革新，提(ti)出了(le)最新的Advanced M-FSK調變(bian)技術，充分借鏡5G中創(chuang)新性的基礎概念SCS，對物(wu)理層(ceng)進(jin)行了(le)優化，使ZETA靈敏度可達(da)-150dBm，支持120km/h的移(yi)動物(wu)體(ti)監測，并能根據各(ge)種應用場景的不同速率要求進(jin)行自適應，拓寬了(le)LPWA的應用場景。
作(zuo)為新(xin)一(yi)代LPWA技(ji)術，ZETA于(yu)2020年推出了(le)LPWAN 2.0泛在(zai)物聯，旨在(zai)透過技(ji)術持(chi)續演進實現更(geng)低(di)成本、更(geng)低(di)功耗、更(geng)智能的網絡(luo)(圖1)。
圖(tu)(tu)1 LPWAN 2.0技術愿景圖(tu)(tu)
ZETA網絡架構
ZETA網(wang)絡(luo)架構為典(dian)型(xing)的(de)(de)星狀(Star)拓(tuo)撲(pu)，為了面向多種物聯網(wang)場景(jing)、多種不同需(xu)求，以及(ji)降低(di)落地(di)(di)成本(ben)、難(nan)度(du)，ZETA網(wang)絡(luo)除了支(zhi)持典(dian)型(xing)的(de)(de)星狀拓(tuo)撲(pu)，還創新(xin)性地(di)(di)實現(xian)了網(wang)狀(Mesh)架構。ZETA是支(zhi)持Mesh自(zi)(zi)組網(wang)的(de)(de)LPWA技術，具備無須(xu)配置(zhi)自(zi)(zi)動組網(wang)、斷點自(zi)(zi)愈、高(gao)強(qiang)健(jian)性及(ji)穩(wen)定等特點，并可選(xuan)擇(ze)拓(tuo)撲(pu)和(he)通訊調度(du)策略將功耗降到最低(di)，實現(xian)在復雜環境中的(de)(de)遠距離可靠傳輸，可節(jie)省(sheng)70%的(de)(de)物聯網(wang)網(wang)絡(luo)部署成本(ben)(圖2)。
圖2 ZETA網(wang)絡(luo)架構圖
ZETA網(wang)絡包含AP、智能路由器、終(zhong)端(duan)、管(guan)理(li)平(ping)(ping)臺(tai)，其中AP、終(zhong)端(duan)、管(guan)理(li)平(ping)(ping)臺(tai)為必(bi)選節點(dian)，智慧路由器為可選節點(dian)。
AP(Access Point)
ZETA自組網匯聚點(dian)，主(zhu)要負責(ze)ZETA網絡數據采集，以及數據回(hui)傳至服務器(qi)(Server)，支持遠(yuan)程全量(liang)升級、配(pei)置等功能。
智慧路由器
低功耗Mesh智慧(hui)路由節(jie)點，擁有專利(li)智慧(hui)路由技術，可最多(duo)可支持4跳，有效增加單站覆(fu)蓋范圍，便捷補(bu)充(chong)訊號盲區、防止數據擁塞等功能。
終端MS(Module & Sensor)
數(shu)據傳(chuan)輸模塊，外接(jie)傳(chuan)感器整合感知終(zhong)端(duan)。
ZETA Server & PaaS
ZETA Server負責管理(li)ZETA網絡，如復雜多樣(yang)協議解(jie)析、網絡拓撲、當前電量、協議版本、遠程升級等功能，提供終端到(dao)(dao)平臺(tai)完整管道，打通客戶端到(dao)(dao)端IoT應用服務，縮短(duan)IoT實際應用落地周期。
ZETA協定特點
由于物(wu)聯網碎片化特性，ZETA技術設計了三套(tao)協議以應對復雜的應用場景需求。
ZETA-P
低時(shi)延(yan)，支(zhi)持多達50Bytes的應用層(ceng)數(shu)據傳輸(shu)，低功耗雙(shuang)向通訊，支(zhi)持遠(yuan)程OTA，主要針對訊息流量(liang)不大的局域網絡應用。
ZETA-S
時頻多任務(wu)，網絡信道利用(yong)率得到(dao)提升，單網關(guan)理論(lun)上可(ke)支(zhi)持接(jie)入約90,000+個設備，低功耗(hao)雙向(xiang)通(tong)訊，支(zhi)持遠程OTA，主(zhu)要面向(xiang)業(ye)務(wu)流量較(jiao)大(da)的城域網應用(yong)。
ZETA-G
協(xie)議(yi)精(jing)簡，成(cheng)本極低，采用(yong)(yong)SDR技(ji)術(shu)，利用(yong)(yong)正(zheng)交FSK+TBCC+重復等多(duo)種算法提升上傳靈敏度，有效增加覆(fu)蓋范圍。適合(he)對成(cheng)本敏感、有較大(da)連接量的應用(yong)(yong)。
超窄頻通訊
ZETA協議使(shi)用(yong)(yong)(yong)超窄頻(pin)進行通訊，單信道(dao)占用(yong)(yong)(yong)帶寬(kuan)僅3.8kHz，支持100/300/600bps的典型通訊速率(lv)，最(zui)大速率(lv)可支持到200kbps。整系統(tong)帶寬(kuan)最(zui)多(duo)也不到120kHz，占用(yong)(yong)(yong)帶寬(kuan)資源很少，可方便的應用(yong)(yong)(yong)于各國的免授(shou)權(quan)頻(pin)譜(pu)。
雙向通訊
ZETA標準(ZETA-G除外)，都(dou)具備(bei)上傳、下載雙向通(tong)訊特點。可獲取傳感(gan)器資料(liao)與上傳，也可以進行下載配置(zhi)與查詢和控制等操作。
低功耗
ZETA協議針對物聯網應用的上傳為主、小數據量、可靠性要求(qiu)不高(gao)、實時(shi)性要求(qiu)不高(gao)等(deng)特(te)點(dian)，進行了諸如LDC、ack下載(zai)(zai)、分(fen)時(shi)段下載(zai)(zai)、深度休(xiu)眠、分(fen)時(shi)隙上傳等(deng)多種低功(gong)耗設計。
廣覆蓋
ZETA協(xie)議(yi)支(zhi)持點(dian)對點(dian)通訊在視距情況超(chao)過10公里(li)以上(shang)。利用多(duo)級智慧路(lu)由，又進一步擴展了(le)覆(fu)蓋(gai)范(fan)圍。對于ZETA-G協(xie)議(yi)，采用SDR技術，利用正交(jiao)FSK+TBCC+重復等多(duo)種算法提升上(shang)傳(chuan)靈敏度(du)，也(ye)有效(xiao)增加(jia)了(le)覆(fu)蓋(gai)范(fan)圍。
抗干擾
ZETA協(xie)議使用(yong)于(yu)非授權頻譜，干擾(rao)訊號較(jiao)多。因此設(she)計了跳(tiao)頻和載(zai)波偵聽等功能來提升(sheng)抗干擾(rao)性(xing)能。
ZETA物理層關鍵技術介紹
針對LPWA通訊速率低、難以覆蓋(gai)及監測移動物體等問(wen)題(ti)，縱(zong)行(xing)科技最新研發Advanced M-FSK的(de)調變(bian)方法，對ZETA無線通信的(de)調變(bian)/解調處理的(de)物理層進(jin)行(xing)了提升(sheng)優化，使(shi)ZETA能根據各種應用場景的(de)不(bu)同速率要求(qiu)進(jin)行(xing)自(zi)適應，同時(shi)能充分借鑒5G的(de)先進(jin)接收機技術進(jin)而提升(sheng)靈(ling)敏(min)度(du)，突破(po)現有LPWA技術接收靈(ling)敏(min)度(du)上限(xian)，由(you)此為(wei)新一代的(de)LPWAN 2.0技術的(de)演(yan)進(jin)提供了新的(de)思路(lu)。
ZETA物理層的(de)Advanced M-FSK調變方(fang)式(shi)，具有較為不同的(de)特點，既(ji)具有Sigfox的(de)窄帶(dai)(dai)通(tong)訊(xun)優(you)勢；又具備LoRa的(de)擴展性；還可(ke)以利用5G技術(shu)在較小帶(dai)(dai)寬中傳(chuan)輸(shu)相對(dui)較高的(de)速率。
由此，ZETA突破了LPWA傳(chuan)輸(shu)(shu)數(shu)據(ju)過小的局限，既能支持短影片監控回傳(chuan)以及(ji)工廠(chang)中大量的機電數(shu)據(ju)采集傳(chuan)輸(shu)(shu)，也能支持物(wu)流場景(jing)的移動(dong)物(wu)體監測，與LoRa等(deng)LPWA技術相比，具有更好的擴展性(xing)，可以接近百(bai)萬級別的速率，擴展了LPWA的應(ying)用場景(jing)(表1)。
M-FSK調變：時域為(wei)1的訊號在頻(pin)(pin)域上(shang)M個正(zheng)交(jiao)頻(pin)(pin)點(dian)上(shang)選擇一個頻(pin)(pin)點(dian)調變發(fa)送。如圖(tu)3所示，M=8，每(mei)個頻(pin)(pin)點(dian)每(mei)個符(fu)(fu)號可(ke)以調變3bit的信息。最小頻(pin)(pin)點(dian)間隔為(wei)2kHz，為(wei)了保持頻(pin)(pin)點(dian)的正(zheng)交(jiao)性，符(fu)(fu)號速率(lv)要小于最小頻(pin)(pin)點(dian)間隔。如圖(tu)3所示符(fu)(fu)號速率(lv)為(wei)600Hz。
圖3 M-FSK調變(bian)方式(shi)
可(ke)以直接獲得如(ru)下(xia)認識，調(diao)變信(xin)息只在相位(wei)上改變，不(bu)利用幅度調(diao)變信(xin)息，PAPR為(wei)零(ling)，保持低功耗特性(xing)；發(fa)送功率不(bu)變，帶寬(kuan)增(zeng)加，調(diao)變bit數(shu)增(zeng)多(log2(M))；每個符號只在一(yi)個頻(pin)點上發(fa)送，具有窄頻(pin)通(tong)訊(xun)特點。
透過調變提(ti)升以下參數性能：.
1. 最大(da)化利用發射(she)功率(lv)，保(bao)證LPWA通訊不出現瞬時(shi)高功率(lv)的同時(shi)，使功耗能(neng)量效率(lv)最大(da)化(即PAPR)。
2. 提(ti)升接收機的靈(ling)敏度(du)(du)，增強覆蓋(gai)距離。如果提(ti)升接收機6dB靈(ling)敏度(du)(du)即4倍，覆蓋(gai)距離可以(yi)增強一倍。
3. 滿足不同行業的特定數據(ju)監測需(xu)求(qiu)。比如(ru)，隨著(zhu)物流行業的蓬勃發(fa)展，物聯網技術不僅(jin)僅(jin)要支(zhi)撐大量(liang)的靜態傳感器(qi)接入(ru)，同時也需(xu)要大量(liang)支(zhi)持移動包裹(guo)的接入(ru)，即(ji)支(zhi)持都卜(bu)勒(le)和(he)多徑無線復雜環境的物體(ti)接入(ru)。
進而達到以下應用目標：
1. 靈(ling)敏(min)度(du)可達(da)-150dBm，進而增加幾倍的(de)(de)(de)覆蓋(gai)距離。與其他LPWA技術相(xiang)比：相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)速(su)率下(xia)，具(ju)有更低的(de)(de)(de)靈(ling)敏(min)度(du)。在同(tong)(tong)樣(yang)靈(ling)敏(min)度(du)下(xia)，具(ju)有更高的(de)(de)(de)速(su)率。透過內(nei)外場測試，100bps的(de)(de)(de)數據速(su)率，靈(ling)敏(min)度(du)可以到-144.7dBm。30bps的(de)(de)(de)速(su)率，則(ze)可以到-149.2dBm靈(ling)敏(min)度(du)。
2. 支(zhi)持120km/h的(de)(de)移動(dong)(dong)物(wu)體監測，進(jin)而(er)實(shi)現(xian)高速(su)移動(dong)(dong)物(wu)體的(de)(de)數據采集及實(shi)時監測，拓(tuo)展LPWA技術在物(wu)流(liu)流(liu)轉(zhuan)場景的(de)(de)應用(圖4)。
圖4 ZETA與(yu)LoRa可應用速率區間對(dui)比圖
協定安全
縱行科技針對物聯(lian)網環境，制定完整的(de)物聯(lian)網安全體(ti)制。從(cong)存取驗證(zheng)、數據加(jia)密、ZETA Server管(guan)理、使用者終端管(guan)理以及服務器數據庫安全管(guan)理等(deng)多(duo)層次(ci)實現網絡安全保障。
1. 入網驗證
設(she)備接(jie)入時，為避免非ZETA終端接(jie)入網絡，需進(jin)行(xing)存(cun)取(qu)驗證(zheng)，首先(xian)是由設(she)備根據隨機數Nonce以及密鑰KI計算生(sheng)成Auth值(zhi)，然后把nonce和(he)Auth一起發送給NS平(ping)臺(tai)(tai)，平(ping)臺(tai)(tai)根據相同(tong)的(de)KI以及訊息中的(de)nonce，加上同(tong)一個(ge)算法生(sheng)成Auth，再比較Auth進(jin)行(xing)驗證(zheng)。
2. 通訊加密算法
不同于因特(te)網，物聯網數(shu)據(ju)量更少(shao)，對冗余、開銷更敏(min)感(gan)，需(xu)要更精簡的加(jia)密(mi)(mi)(mi)算法(fa)對敏(min)感(gan)數(shu)據(ju)進行加(jia)密(mi)(mi)(mi)。ZETA協議選用精簡加(jia)密(mi)(mi)(mi)算法(fa)Keeloq對訊息數(shu)據(ju)域(yu)進行加(jia)密(mi)(mi)(mi)，加(jia)密(mi)(mi)(mi)原理(li)：用8byte密(mi)(mi)(mi)鑰加(jia)密(mi)(mi)(mi)n×4byte明文(wen)，進而得到n×4byte密(mi)(mi)(mi)碼或者用8byte密(mi)(mi)(mi)鑰解密(mi)(mi)(mi)n×4byte密(mi)(mi)(mi)碼，還原出原n×4byte明文(wen)。
3. 驗證及數(shu)據加(jia)密
驗(yan)(yan)證(zheng)過程(cheng)：網(wang)關(guan)利用(yong)(yong)(yong)bsid和隨(sui)(sui)機(ji)數count，以(yi)及事先存儲于網(wang)關(guan)內部的密(mi)鑰(yao)KI，透過SHA256算(suan)法生成(cheng)驗(yan)(yan)證(zheng)摘要。然后(hou)把驗(yan)(yan)證(zheng)摘要和count，以(yi)KI為密(mi)鑰(yao)，利用(yong)(yong)(yong)AES128算(suan)法進行加密(mi)，傳輸(shu)給平(ping)(ping)臺，平(ping)(ping)臺接收后(hou)用(yong)(yong)(yong)相同(tong)算(suan)法解(jie)密(mi)，并校驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證(zheng)摘要。校驗(yan)(yan)透過后(hou)，回復登入成(cheng)功給網(wang)關(guan)。網(wang)關(guan)會(hui)使用(yong)(yong)(yong)RS1024生成(cheng)密(mi)鑰(yao)對(dui)，將公(gong)鑰(yao)發送給云(yun)端平(ping)(ping)臺，云(yun)端平(ping)(ping)臺隨(sui)(sui)機(ji)生成(cheng)128bits數據通(tong)訊密(mi)鑰(yao)，用(yong)(yong)(yong)公(gong)鑰(yao)加密(mi)后(hou)發給網(wang)關(guan)。網(wang)關(guan)利用(yong)(yong)(yong)私鑰(yao)解(jie)密(mi)后(hou)得(de)到數據通(tong)訊密(mi)鑰(yao)。后(hou)續與云(yun)端平(ping)(ping)臺通(tong)訊就用(yong)(yong)(yong)該密(mi)鑰(yao)，利用(yong)(yong)(yong)AES128進行加密(mi)通(tong)訊。
LPWA技術對比
主(zhu)流的LPWA技術有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等(deng)，在網絡支持通訊方式、速率、帶寬、覆蓋能(neng)力、時延(yan)及小區容量方面均有一(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，聯合多家芯片合作伙伴，將技(ji)術高速拓展至包括物流(liu)供應鏈、鋼鐵、水泥、化工等(deng)領(ling)域。
對于各行各業來說，進行數字化(hua)轉(zhuan)型升級，需要(yao)建設(she)(she)覆蓋區(qu)(qu)域(yu)乃至更(geng)大范圍的新型基礎(chu)設(she)(she)施，物聯(lian)網技術是其(qi)中重要(yao)的一(yi)環。ZETA作(zuo)為新一(yi)代物聯(lian)網通訊技術，能有力推(tui)動智(zhi)慧城市、智(zhi)慧小區(qu)(qu)等(deng)各個領域(yu)的信息基礎(chu)設(she)(she)施建設(she)(she)，建構城市智(zhi)能化(hua)終端實(shi)施網絡。
與此同時，ZETA仍(reng)在不斷更(geng)新(xin)迭代運(yun)算產品(pin)技(ji)術(shu)，透過組建ZETA生(sheng)態聯盟(meng)，建立ZETA技(ji)術(shu)標準，擴大ZETA應(ying)用生(sheng)態圈，已經實現(xian)了從底層技(ji)術(shu)、芯片、模塊、產品(pin)終端到應(ying)用場景的全鏈(lian)路自主可控，能夠確保(bao)供(gong)應(ying)鏈(lian)體系穩(wen)定、安全。目前，ZETA聯盟(meng)會員已超(chao)300名，遍及全球(qiu)20+國家和地區(qu)。
雖然，目前(qian)LPWA市(shi)(shi)場形(xing)成(cheng)了NB-IoT和LoRa占(zhan)據(ju)主流的(de)市(shi)(shi)場格局，但是這一格局并不(bu)穩固，主流技(ji)術(shu)市(shi)(shi)場占(zhan)有率會因為其他LPWA技(ji)術(shu)的(de)商用有所下滑。而ZETA能以一個相對小眾的(de)技(ji)術(shu)，在NB-IoT及LoRa兩大(da)LPWA技(ji)術(shu)夾(jia)縫中生(sheng)存(cun)，一方面聚焦于自(zi)身技(ji)術(shu)指(zhi)標的(de)扎實與領先(xian)，另一方面選(xuan)擇了一條面向垂直產(chan)業應用發(fa)展的(de)道路，對市(shi)(shi)場有更(geng)清晰(xi)的(de)認(ren)識和更(geng)務實的(de)定位。值得關注的(de)是，ZETA在商業運營(ying)模式及生(sheng)態建設方面，走出了自(zi)己(ji)的(de)特(te)色，值得其他LPWA技(ji)術(shu)借鑒。
