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(本文来源新通讯(中国台湾))

 

随着科技的快速发展,物联网的概念越来越清晰。它不仅仅是一个技术热点,也是人类从信息化、自动化,迈向智能化的必由之路。据GSMA预测,2025年物联网总连接数目将达到252亿,市场空间达到1.1万亿美元,一个万亿级规模的市场即将开启。

低功耗广域物联网(LPWAN)作为物联网行业中最重要的技术之一,正以年复合增长率90%的惊人速度增长。根据Global Market Insights的相关研究报告显示,到2027年LPWAN市场规模将超过800亿美元。

 

自从业界初步认识到LPWAN价值开始,便伴随着多种技术的演进与商业竞赛。目前,该领域已形成了NB-IoT和LoRa这两种主流通信技术的市场态势。不过,伴随着物联网产业的发展,更加多样化的场景不断涌现,受限于网络覆盖、场景落地、成本控制、技术融合等多种因素,单靠NB-IoT和LoRa这两种技术并不能满足所有的LPWAN应用场景,市场亟需更下沉、更低成本、覆盖范围更大,能满足更多泛在物联场景的LPWAN技术出现;同时,这也给了新型LPWAN技术生存发展和商业应用的机遇和空间。

市场上永远都不乏创新者,ZETA作为纯中国国产研发的低功耗广域网络协议,正逐渐凭借市场及技术优势在一众LPWAN技术中脱颖而出。

| ZETA技术概述

ZETA是一种基于UNB低功耗广域网技术协议标准,由纵行科技自主研发。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,可广泛应用于物流、工业、建筑、农业、智慧城市等场景。

ZETA在同类型技术标准领域中具有领先的优势,是全球首个支持分布式组网、首个为嵌入式端智能提供算法升级的 LPWAN 通讯标准,也是国内首家被日本、新加坡等发达国家运营商应用的广域物联网技术。

为了解决“低功耗、长距离、多样化的场景需要截然不同的性能指标”三大痛点,ZETA 对传统的LPWAN技术进行了革新,提出了最新的Advanced M-FSK调制技术,充分借鉴5G中创新性的基础概念SCS,对物理层进行了优化,使ZETA灵敏度可达-150dBm,支持120km/h 的移动物体监测,并能根据各种应用场景的不同速率要求进行自适应,拓宽了LPWAN的应用场景。

作为新一代LPWAN技术,ZETA于2020年推出了“LPWAN2.0 泛在物联”,旨在通过技术持续演进实现更低成本、更低功耗、更智能的网络。(图1)

图1 LPWAN 2.0技术愿景图

| ZETA网络架构

ZETA网络架构为典型的星型拓扑,为了面向多种物联网场景,多种不同需求,降低落地成本、难度,ZETA网络除了支持典型的星型拓扑,还创新性地实现了树状MESH架构。ZETA是全球首个支持“Mesh 自组网”的LPWAN技术,具备无需配置自动组网、断点自愈、高健壮更稳定等特点,并可选择最佳的拓扑和通信调度策略将功耗降到最低,实现在复杂环境中的远距离可靠传输,可节省70%的物联网网络部署成本。

图2 ZETA網路架構圖

ZETA网络包含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。

AP(Access Point):ZETA 自组网汇聚点,主要负责ZETA网络数据采集,以及数据回传至Server,支持远程全量升级、配置等功能。

智能路由:低功耗Mesh智能路由节点,拥有专利智能路由技术,可最多可支持4跳,有效增加单站覆盖范围,便捷补充信号盲区、防止数据拥塞等功能。

终端MS(Module&Sensor):数据透传模块,外接传感器集成感知终端。

ZETA Server & PaaS:ZETA Server负责管理ZETA网络,如复杂多样协议解析、网络拓扑、当前电量、协议版本、远程升级等功能,提供终端到平台完整管道,打通客户端到端IoT应用服务,缩短IoT实际应用落地周期。
 

| ZETA协议特点

由于物联网碎片化特性,ZETA技术设计了三套协议以应对复杂的应用场景需求:

ZETA-P:低时延,支持多达50Bytes的应用层数据传输,低功耗双向通信,支持远程OTA,主要面向业务流量不大的局域网场景。

ZETA-S:时频复用,网络信道利用率得到极大提升,单网关理论上可支持接入约90000+个设备,低功耗双向通信,支持远程OTA,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,采用SDR技术,利用正交FSK+TBCC+重复等多种算法提升上行灵敏度,有效增加覆盖范围。主要面向对成本敏感有较大连接量场景。

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200kbps。整系统带宽最多也不到120kHz,占用带宽资源很少,可方便的应用于各国的免授权频谱。

双向通信:ZETA协议(ZETA-G除外),都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,也可以进行下行配置与查询和控制等操作。

低功耗:ZETA协议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,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。利用多级智能路由,又进一步扩展了覆盖范围。对于ZETA-G协议,采用SDR技术,利用正交FSK+TBCC+重复等多种算法提升上行灵敏度,也有效的增加了覆盖范围。

抗干扰:ZETA协议使用于非授权频谱,干扰信号较多。因此设计了跳频和载波侦听等功能来提升抗干扰性能。
 

| ZETA物理层关键技术

针对LPWAN通信速率低、难以覆盖及监测移动物体等问题,纵行科技最新研发了Advanced M-FSK的调制方法,它对ZETA的无线通信的调制/解调处理的物理层进行了提升优化,使ZETA能根据各种应用场景的不同速率要求进行自适应,同时能充分借鉴5G的先进接收机技术从而提升灵敏度,突破现有LPWAN技术接收灵敏度上限,由此为新一代的LPWAN2.0技术的演进提供了新的思路。

ZETA物理层的Advanced M-FSK调制方式以及它的独特优点。即具有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。

由此,ZETA突破了LPWAN传输数据过小的局限,既能支持小视频监控回传以及工厂中大量的机电数据采集传输,也能支持物流场景的移动物体监测,与LoRa等LPWAN技术相比,具有更好的扩展性,可以接近兆级别的速率,极大的扩展了LPWAN的应用场景。

 

M-FSK调制:时域为1的信号在频域上M个正交频点上选择一个频点调制发送。如下图所示,M=8,每个频点每个符号可以调制3个比特信息。最小频点间隔为2kHz,为了保持频点的正交性符号速率要小于最小频点间隔。如下图所示符号速率为600Hz。

圖3 M-FSK調變方式

可以直观获得如下认识:(1)调制信息只在相位上改变,不利用幅度调制信息,PAPR为零,保持低功耗特性;(2)发送功率不变,带宽增加,调制比特增多(log2(M));(3)每个符号只在一个频点上发送,具有窄带通信特点。

通过调制提升以下参数性能:

(1)最大化利用发射功率,保证LPWAN通信不出现瞬时高功率的同时,使功耗能量效率最大化(即 PAPR)。

(2)提升接收机的灵敏度,增强覆盖距离。如果提升接收机6dB灵敏度即4倍,覆盖距离可以增强一倍。

(3)满足不同行业的特定数据监测需求。比如,随着物流行业的蓬勃发展,物联网技术不仅仅要支撑大量的静态传感器接入,同时也需要大量支持移动包裹的接入,即支持多普勒和多径无线复杂环境的物体接入。

从而达到以下应用目标:

(1)灵敏度可达-150dBm,从而增加几倍的覆盖距离。与其他LPWAN 技术相比:相同的速率下,具有更低的灵敏度。在同样灵敏度下,具有更高的速率。通过内外场测试,100bps的数据速率,灵敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率,灵敏度可以到-149.2dBm灵敏度。

(2)支持120km/h的移动物体监测,从而实现高速移动物体的数据采集及实时监测,拓展 LPWAN技术在物流流转场景的应用。

图4 ZETA與LoRa可應用速率區間對比图

| 协议安全

纵行科技针对物联网环境,制定完整的物联网安全体制。从接入鉴权、数据加密、ZETA Server 管理、用户终端管理以及服务器数据库安全管理等多层次实现网络安全保障。

1.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,首先是由设备根据随机数 nonce以及密钥KI计算生成Auth值,然后把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,再比较Auth进行鉴权。

2.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,加密原理: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。

3.鉴权及数据加密

鉴权过程: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。然后把鉴权摘要和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。


| LPWA技术对比

主流的LPWAN技术有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等,在网络支持通信方式、速率、带宽、覆盖能力、时延及小区容量方面均有一定的差异:

 

此外,ZETA穿透性更强、覆盖更广、功耗更低,可以对LPWAN领域的技术LoRa、NB-IoT,以及2G、物流领域的RFID、工业领域的Zigbee、WiFi、蓝牙等进行技术替代。目前,ZETA在规模资产管理、防窜货等场景是LPWAN技术唯一可行方案,并在工业泛在物联网领域实现更低成本、更高性能的国产替代;同时,通过IP运营模式,联合多家芯片合作伙伴,将技术高速拓展至包括物流供应链、钢铁、水泥、化工等领域。

对于各行各业来说,进行数字化转型升级,需要建设覆盖区域乃至更大范围的新型基础设施,物联网技术是其中重要的一环。ZETA作为新一代物联网通讯技术,能有力推动智慧城市、智慧社区等各个领域的信息基础设施建设,构建城市智能化终端实施网络。

与此同时,ZETA仍在不断更新迭代产品技术,通过组建ZETA生态联盟,建立ZETA技术标准,扩大ZETA应用生态圈,已经实现了从底层技术、芯片、模组、产品终端到应用场景的全链路自主可控,能够确保供应链体系稳定、安全。目前,ZETA联盟会员已超300名,遍及全球20+国家和地区。

虽然,目前LPWAN市场形成了NB-IoT和LoRa占据主流的市场格局,但是这一格局并不稳固,主流技术市场占有率会因为其他LPWAN技术的商用有所下滑。而ZETA能以一个相对小众的技术,在NB-IoT及LoRa两大LPWAN技术夹缝中脱颖而出,一方面聚焦于自身技术指标的过硬与领先,另一方面选择了一条面向垂直行业应用发展的道路,对市场有更清晰的认识和更务实的定位。值得关注的是,ZETA在商业运营模式及生态建设方面,走出了自己的特色,值得其他LPWAN技术借鉴。


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