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    2021年3月19日,纵行科技在ZETA中日联盟日沙龙活动重磅发布了ZETA技术白皮书报告。ZETA是一种基于 UNB 的低功耗广域网 (LPWAN)技术协议标准,具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低等特点,满足物联网环境下广域范围内数据交换频次低、连接成本低、适用复杂环境的连接需求,可应用于泛在物联网场景。
    白皮书报告从ZETA协议、ZETA物理层技术2个方面解析 ZETA 技术,通过与同类LPWAN技术进行参数比较,阐明ZETA技术在物联场景中的广阔应用。目前,支持ZETA技术标准的企业已超过300家,包括诺基亚、中移物联网、中国铁塔、NTT DOCOMO、 软银、NEC、凸版印刷、意法半导体、索喜科技等。
    低功耗广覆盖,重新定义OSI 参考模型中物理层、数据链路层和网络层
    ZETA 网络架构为典型的星型拓扑,为了面向多种物联网场景,降低落地成本、难度,ZETA 网络除了支持典型的星型拓扑还创新的实现了树状 MESH 架构,包含 AP、智能路由、终端、管理平台,其中 AP、终端、管理平台为必选节点,智能路由为可选节点。并设计了三套协议以应对复杂的应用场景需求:ZETA-P:低时延,主要面向业务流量不大的局域网场景。ZETA-S:时频复用,主要面向业务流量较大的城域网场景。ZETA-G:协议精简,成本极低,主要面向对成本敏感有较大连接量场景。
    ZETA协议具有超窄带、双向通信、低功耗、广覆盖等特点:
    超窄带通信
    ZETA 协 议 使 用 超 窄 带 进 行 通 信 , 单 信 道 占 用 带 宽 仅 3.8K , 支 持 100/300/600bps 的典型通信速率,最大速率可支持到 50kbps。整系统带宽不到 30K,方便应用于各国的免授权频谱。
    双向通信
    ZETA 协议具备上行下行双向通信的特点。可用于进行传感器数据采集上报,及下行配置与查询和控制等操作。
    低功耗
    针对物联网应用的上行为主,小数据量,可靠性要求不高,实时性要求不高等特点,ZETA 协议进行了诸如 LDC,ack 下行,分时段下行,深度休眠,分时隙上行多种低功耗设计。
    广覆盖
    ZETA 协议支持点对点通信在视距情况超过 10 公里以上。其多级智能路由,进一步扩展了覆盖范围。
    在协议安全方面,ZETA协议通过入网鉴权、通信加密算法、鉴权及数据加密等方式确保网络协议及数据安全。
    入网鉴权
    设备接入时,为避免非 ZETA 终端接入网络,需进行接入鉴权,由设备根据随机数 nonce 以及密钥 KI 计算生成 Auth 值,把nonce 和 Auth一起 发送给 NS 平台,平台根据相同的 KI 以及消息中的 nonce,加上同一个算法生成 Auth,比较 Auth 进行鉴权。
    通信加密算法
    不同于互联网,物联网数据量更少,对冗余、开销更敏感,需要更轻量级的加密算法对敏感数据进行加密。ZETA 协议选用轻量级加密算法 Keeloq 对报文数据域进行加密,即用 8byte 密钥加密 n*4byte 明文,从而得到 n*4byte 密文或者用 8byte 密钥解密 n*4byte 密文,还原出原 n*4byte 明文。
    鉴权及数据加密
    网关利用 bsid 和随机数 count,以及事先存储于网关内部的密钥 KI,通过 sha256 算法生成鉴权摘要。把鉴权摘要和 count,以 KI 为密钥, 利用 aes128 算法进行加密,传输给平台,平台接收后用相同算法解密,并校验鉴权摘要。校验通过后,回复登陆成功给网关。网关会使用 RS1024 生成密钥对,将公钥发送给云平台,云平台随机生成 128bits 数据通信密钥,用公钥加密后发给网关。网关利用私钥解密后得到数据通信密钥。后续与云平台通信就用该密钥,利用 aes128 进行加密通信。
    ZETA 协议重新定义OSI 参考模型中物理层、数据链路层和网络层,实现了 ZETA 网络中各个节点的通信编码、入网控制、设备鉴权、QoS 保障、安全加密等功能。
    物理层advanced M-FSK 调制方式,兼具窄带通信优势与扩展性
    advanced M-FSK 调制方式,既具有 Sigfox 的窄带通信优势,又具备 LoRa 的扩展性,还可以利用 5G 技术在较小带宽中传输相对较高的速率。
    窄带发送在频域上能量非常集中,具有很好的抗干扰特性,包括基于频谱扩展的信号干扰。Sigfox 为极窄带通信,传输速率是 100Hz。当 M-FSK 的符号速率小到 100Hz 时,此时每个符号,信号在频域上占极小带宽,与 Sigfox 类似,能量非常集中。因此,M-FSK 具备 Sigfox 窄带通信传输能力。
    Advanced M-FSK 的参数与 Lora 具有一一对应关系。LoRa 是采用一种特殊扩频方式,而 Advanced M-FSK 采用类似与 5G 中 OFDM 的频点调制技术,可以充分借鉴 5G 等相关先进接收机技术,保证了较高的灵敏度。
    
    5G 是 QAM 调制,即在幅度和相位上同时调制信息,Advanced M-FSK 与 5G 类 似,可以通过增加相位调制增加频谱效率。Advanced M-FSK 相比 LoRa 具有相位调制功能,Advanced M-FSK 为了保证能量效率,只进行相位的调制。而 LoRa 是无法调制相位的。
    NB-IoT 有多种上行传输方式,一种是 SC-FSMA,功耗消耗比较大;另一种类似 Sigfox,采用类似单频点发送,即窄带通信方式,但符号速率更快,为 3.5kHz,通过重复发送的方法达到远距离覆盖。重复发送的增益仅在完全相干时才能获得最大增益,而在单载波通信中,往往很难做到完全相干合并。所以 NB-IoT 在极致覆盖时性能是略差的,也必然导致功耗也较高。
    通过与同类LPWAN技术比较,ZETA可实现更高速率、更广覆盖、更好扩展性,并能大幅降低应用落地成本,可应用于更广阔泛在物联场景。
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