導(dǎo)讀
物聯(lián)網(wǎng)因應(yīng)各類不同場(chǎng)景，促使多種低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)發(fā)展之下，ZETA也應(yīng)運(yùn)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(wǎng)(IoT)的概念越來(lái)越清晰。它不僅僅是一個(gè)熱門技術(shù)，也是人類從信息化、自動(dòng)化，邁向智慧化的必經(jīng)之路。根據(jù)GSMA預(yù)測(cè)，2025年物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)目將達(dá)到252億，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1.1兆美元，一個(gè)兆級(jí)規(guī)模的市場(chǎng)即將開啟。
低功耗廣域網(wǎng)(LPWA)作為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中最重要的技術(shù)之一，正以年復(fù)合成長(zhǎng)率90%的驚人速度成長(zhǎng)。根據(jù)Global Market Insights的相關(guān)研究報(bào)告顯示，到2027年LPWA市場(chǎng)規(guī)模將超過800億美元。
自從業(yè)界初步認(rèn)識(shí)到LPWA價(jià)值開始，便伴隨著多種技術(shù)的演進(jìn)與商業(yè)競(jìng)賽。目前，該領(lǐng)域已形成了NB-IoT和LoRa這兩種主流通訊技術(shù)的市場(chǎng)態(tài)勢(shì)。不過，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，更加多樣化的場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)，受限于網(wǎng)絡(luò)覆蓋、場(chǎng)景落地、成本控制、技術(shù)融合等多種因素，單靠NB-IoT和LoRa兩種技術(shù)并不能滿足所有的LPWA應(yīng)用場(chǎng)景，市場(chǎng)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(chǎng)景的LPWA技術(shù)出現(xiàn)；同時(shí)，這也給了新型LPWA技術(shù)生存發(fā)展和商業(yè)應(yīng)用的機(jī)遇和空間。
市場(chǎng)上永遠(yuǎn)都不乏創(chuàng)新者，ZETA作為中國(guó)研發(fā)的低功耗廣域網(wǎng)協(xié)議，正逐漸憑借市場(chǎng)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)在眾LPWA技術(shù)中脫穎而出。
ZETA技術(shù)概述
ZETA是一種基于UNB低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，由廠商縱行科技自主研發(fā)。具有覆蓋范圍廣、服務(wù)成本低、能耗低等特點(diǎn)，滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的廣域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)交換頻率低、連接成本低、適用復(fù)雜環(huán)境的連接需求，可廣泛應(yīng)用于物流、工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)、智慧城市等場(chǎng)景。
ZETA在同類型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域中具有領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)，是支持分布式組網(wǎng)、嵌入式端智能提供算法升級(jí)的LPWA通訊標(biāo)準(zhǔn)，也是被日本、新加坡等國(guó)家運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。
為了解決低功耗、長(zhǎng)距離、多樣化場(chǎng)景需要截然不同的性能指針等三大痛點(diǎn)，ZETA對(duì)傳統(tǒng)的LPWA技術(shù)進(jìn)行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK調(diào)變技術(shù)，充分借鏡5G中創(chuàng)新性的基礎(chǔ)概念SCS，對(duì)物理層進(jìn)行了優(yōu)化，使ZETA靈敏度可達(dá)-150dBm，支持120km/h的移動(dòng)物體監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)景的不同速率要求進(jìn)行自適應(yīng)，拓寬了LPWA的應(yīng)用場(chǎng)景。
作為新一代LPWA技術(shù)，ZETA于2020年推出了LPWAN 2.0泛在物聯(lián)，旨在透過技術(shù)持續(xù)演進(jìn)實(shí)現(xiàn)更低成本、更低功耗、更智能的網(wǎng)絡(luò)(圖1)。
圖1 LPWAN 2.0技術(shù)愿景圖
ZETA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
ZETA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為典型的星狀(Star)拓?fù)?，為了面向多種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景、多種不同需求，以及降低落地成本、難度，ZETA網(wǎng)絡(luò)除了支持典型的星狀拓?fù)洌€創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀(Mesh)架構(gòu)。ZETA是支持Mesh自組網(wǎng)的LPWA技術(shù)，具備無(wú)須配置自動(dòng)組網(wǎng)、斷點(diǎn)自愈、高強(qiáng)健性及穩(wěn)定等特點(diǎn)，并可選擇拓?fù)浜屯ㄓ嵳{(diào)度策略將功耗降到最低，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中的遠(yuǎn)距離可靠傳輸，可節(jié)省70%的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)部署成本(圖2)。
圖2 ZETA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
ZETA網(wǎng)絡(luò)包含AP、智能路由器、終端、管理平臺(tái)，其中AP、終端、管理平臺(tái)為必選節(jié)點(diǎn)，智慧路由器為可選節(jié)點(diǎn)。
AP(Access Point)
ZETA自組網(wǎng)匯聚點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)ZETA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器(Server)，支持遠(yuǎn)程全量升級(jí)、配置等功能。
智慧路由器
低功耗Mesh智慧路由節(jié)點(diǎn)，擁有專利智慧路由技術(shù)，可最多可支持4跳，有效增加單站覆蓋范圍，便捷補(bǔ)充訊號(hào)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(fù)責(zé)管理ZETA網(wǎng)絡(luò)，如復(fù)雜多樣協(xié)議解析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?dāng)前電量、協(xié)議版本、遠(yuǎn)程升級(jí)等功能，提供終端到平臺(tái)完整管道，打通客戶端到端IoT應(yīng)用服務(wù)，縮短IoT實(shí)際應(yīng)用落地周期。
ZETA協(xié)定特點(diǎn)
由于物聯(lián)網(wǎng)碎片化特性，ZETA技術(shù)設(shè)計(jì)了三套協(xié)議以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景需求。
ZETA-P
低時(shí)延，支持多達(dá)50Bytes的應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸，低功耗雙向通訊，支持遠(yuǎn)程OTA，主要針對(duì)訊息流量不大的局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
ZETA-S
時(shí)頻多任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)信道利用率得到提升，單網(wǎng)關(guān)理論上可支持接入約90,000+個(gè)設(shè)備，低功耗雙向通訊，支持遠(yuǎn)程OTA，主要面向業(yè)務(wù)流量較大的城域網(wǎng)應(yīng)用。
ZETA-G
協(xié)議精簡(jiǎn)，成本極低，采用SDR技術(shù)，利用正交FSK+TBCC+重復(fù)等多種算法提升上傳靈敏度，有效增加覆蓋范圍。適合對(duì)成本敏感、有較大連接量的應(yīng)用。
超窄頻通訊
ZETA協(xié)議使用超窄頻進(jìn)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(yīng)用于各國(guó)的免授權(quán)頻譜。
雙向通訊
ZETA標(biāo)準(zhǔn)(ZETA-G除外)，都具備上傳、下載雙向通訊特點(diǎn)?？色@取傳感器資料與上傳，也可以進(jìn)行下載配置與查詢和控制等操作。
低功耗
ZETA協(xié)議針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的上傳為主、小數(shù)據(jù)量、可靠性要求不高、實(shí)時(shí)性要求不高等特點(diǎn)，進(jìn)行了諸如LDC、ack下載、分時(shí)段下載、深度休眠、分時(shí)隙上傳等多種低功耗設(shè)計(jì)。
廣覆蓋
ZETA協(xié)議支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊在視距情況超過10公里以上。利用多級(jí)智慧路由，又進(jìn)一步擴(kuò)展了覆蓋范圍。對(duì)于ZETA-G協(xié)議，采用SDR技術(shù)，利用正交FSK+TBCC+重復(fù)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(quán)頻譜，干擾訊號(hào)較多。因此設(shè)計(jì)了跳頻和載波偵聽等功能來(lái)提升抗干擾性能。
ZETA物理層關(guān)鍵技術(shù)介紹
針對(duì)LPWA通訊速率低、難以覆蓋及監(jiān)測(cè)移動(dòng)物體等問題，縱行科技最新研發(fā)Advanced M-FSK的調(diào)變方法，對(duì)ZETA無(wú)線通信的調(diào)變/解調(diào)處理的物理層進(jìn)行了提升優(yōu)化，使ZETA能根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)景的不同速率要求進(jìn)行自適應(yīng)，同時(shí)能充分借鑒5G的先進(jìn)接收機(jī)技術(shù)進(jìn)而提升靈敏度，突破現(xiàn)有LPWA技術(shù)接收靈敏度上限，由此為新一代的LPWAN 2.0技術(shù)的演進(jìn)提供了新的思路。
ZETA物理層的Advanced M-FSK調(diào)變方式，具有較為不同的特點(diǎn)，既具有Sigfox的窄帶通訊優(yōu)勢(shì)；又具備LoRa的擴(kuò)展性；還可以利用5G技術(shù)在較小帶寬中傳輸相對(duì)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(jī)電數(shù)據(jù)采集傳輸，也能支持物流場(chǎng)景的移動(dòng)物體監(jiān)測(cè)，與LoRa等LPWA技術(shù)相比，具有更好的擴(kuò)展性，可以接近百萬(wàn)級(jí)別的速率，擴(kuò)展了LPWA的應(yīng)用場(chǎng)景(表1)。
M-FSK調(diào)變：時(shí)域?yàn)?的訊號(hào)在頻域上M個(gè)正交頻點(diǎn)上選擇一個(gè)頻點(diǎn)調(diào)變發(fā)送。如圖3所示，M=8，每個(gè)頻點(diǎn)每個(gè)符號(hào)可以調(diào)變3bit的信息。最小頻點(diǎn)間隔為2kHz，為了保持頻點(diǎn)的正交性，符號(hào)速率要小于最小頻點(diǎn)間隔。如圖3所示符號(hào)速率為600Hz。
圖3 M-FSK調(diào)變方式
可以直接獲得如下認(rèn)識(shí)，調(diào)變信息只在相位上改變，不利用幅度調(diào)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(diào)變bit數(shù)增多(log2(M))；每個(gè)符號(hào)只在一個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)送，具有窄頻通訊特點(diǎn)。
透過調(diào)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(shí)高功率的同時(shí)，使功耗能量效率最大化(即PAPR)。
2. 提升接收機(jī)的靈敏度，增強(qiáng)覆蓋距離。如果提升接收機(jī)6dB靈敏度即4倍，覆蓋距離可以增強(qiáng)一倍。
3. 滿足不同行業(yè)的特定數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求。比如，隨著物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅僅要支撐大量的靜態(tài)傳感器接入，同時(shí)也需要大量支持移動(dòng)包裹的接入，即支持都卜勒和多徑無(wú)線復(fù)雜環(huán)境的物體接入。
進(jìn)而達(dá)到以下應(yīng)用目標(biāo)：
1. 靈敏度可達(dá)-150dBm，進(jìn)而增加幾倍的覆蓋距離。與其他LPWA技術(shù)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(nèi)外場(chǎng)測(cè)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(dòng)物體監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)物體的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，拓展LPWA技術(shù)在物流流轉(zhuǎn)場(chǎng)景的應(yīng)用(圖4)。
圖4 ZETA與LoRa可應(yīng)用速率區(qū)間對(duì)比圖
協(xié)定安全
縱行科技針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，制定完整的物聯(lián)網(wǎng)安全體制。從存取驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加密、ZETA Server管理、使用者終端管理以及服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)安全管理等多層次實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全保障。
1. 入網(wǎng)驗(yàn)證
設(shè)備接入時(shí)，為避免非ZETA終端接入網(wǎng)絡(luò)，需進(jìn)行存取驗(yàn)證，首先是由設(shè)備根據(jù)隨機(jī)數(shù)Nonce以及密鑰KI計(jì)算生成Auth值，然后把nonce和Auth一起發(fā)送給NS平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)相同的KI以及訊息中的nonce，加上同一個(gè)算法生成Auth，再比較Auth進(jìn)行驗(yàn)證。
2. 通訊加密算法
不同于因特網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量更少，對(duì)冗余、開銷更敏感，需要更精簡(jiǎn)的加密算法對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。ZETA協(xié)議選用精簡(jiǎn)加密算法Keeloq對(duì)訊息數(shù)據(jù)域進(jìn)行加密，加密原理：用8byte密鑰加密n×4byte明文，進(jìn)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(yàn)證及數(shù)據(jù)加密
驗(yàn)證過程：網(wǎng)關(guān)利用bsid和隨機(jī)數(shù)count，以及事先存儲(chǔ)于網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的密鑰KI，透過SHA256算法生成驗(yàn)證摘要。然后把驗(yàn)證摘要和count，以KI為密鑰，利用AES128算法進(jìn)行加密，傳輸給平臺(tái)，平臺(tái)接收后用相同算法解密，并校驗(yàn)驗(yàn)證摘要。校驗(yàn)透過后，回復(fù)登入成功給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)會(huì)使用RS1024生成密鑰對(duì)，將公鑰發(fā)送給云端平臺(tái)，云端平臺(tái)隨機(jī)生成128bits數(shù)據(jù)通訊密鑰，用公鑰加密后發(fā)給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)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(tái)通訊就用該密鑰，利用AES128進(jìn)行加密通訊。
LPWA技術(shù)對(duì)比
主流的LPWA技術(shù)有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等，在網(wǎng)絡(luò)支持通訊方式、速率、帶寬、覆蓋能力、時(shí)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(qiáng)、覆蓋更廣、功耗更低，可以對(duì)LPWA領(lǐng)域的技術(shù)LoRa、NB-IoT，以及2G、物流領(lǐng)域的RFID、工業(yè)領(lǐng)域的Zigbee、Wi-Fi、藍(lán)牙等進(jìn)行技術(shù)替代。目前，ZETA在規(guī)模資產(chǎn)管理、通路沖突等場(chǎng)景是LPWA技術(shù)唯一可行方案，并在工業(yè)泛在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更低成本、更高性能替代；同時(shí)，透過IP經(jīng)營(yíng)模式，聯(lián)合多家芯片合作伙伴，將技術(shù)高速拓展至包括物流供應(yīng)鏈、鋼鐵、水泥、化工等領(lǐng)域。
對(duì)于各行各業(yè)來(lái)說，進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，需要建設(shè)覆蓋區(qū)域乃至更大范圍的新型基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是其中重要的一環(huán)。ZETA作為新一代物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，能有力推動(dòng)智慧城市、智慧小區(qū)等各個(gè)領(lǐng)域的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，建構(gòu)城市智能化終端實(shí)施網(wǎng)絡(luò)。
與此同時(shí)，ZETA仍在不斷更新迭代運(yùn)算產(chǎn)品技術(shù)，透過組建ZETA生態(tài)聯(lián)盟，建立ZETA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)大ZETA應(yīng)用生態(tài)圈，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從底層技術(shù)、芯片、模塊、產(chǎn)品終端到應(yīng)用場(chǎng)景的全鏈路自主可控，能夠確保供應(yīng)鏈體系穩(wěn)定、安全。目前，ZETA聯(lián)盟會(huì)員已超300名，遍及全球20+國(guó)家和地區(qū)。
雖然，目前LPWA市場(chǎng)形成了NB-IoT和LoRa占據(jù)主流的市場(chǎng)格局，但是這一格局并不穩(wěn)固，主流技術(shù)市場(chǎng)占有率會(huì)因?yàn)槠渌鸏PWA技術(shù)的商用有所下滑。而ZETA能以一個(gè)相對(duì)小眾的技術(shù)，在NB-IoT及LoRa兩大LPWA技術(shù)夾縫中生存，一方面聚焦于自身技術(shù)指標(biāo)的扎實(shí)與領(lǐng)先，另一方面選擇了一條面向垂直產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的道路，對(duì)市場(chǎng)有更清晰的認(rèn)識(shí)和更務(wù)實(shí)的定位。值得關(guān)注的是，ZETA在商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式及生態(tài)建設(shè)方面，走出了自己的特色，值得其他LPWA技術(shù)借鑒。
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