縱行科技發(fā)布ZETA技術(shù)白皮書：打造LPWAN2.0泛在物聯(lián)

2021年3月19日，縱行科技在ZETA中日聯(lián)盟日沙龍活動重磅發(fā)布了ZETA技術(shù)白皮書報(bào)告。ZETA是一種基于UNB的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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)境下廣域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)交換頻次低、連接成本低、適用復(fù)雜環(huán)境的連接需求，可應(yīng)用于泛在物聯(lián)網(wǎng)場景。

白皮書報(bào)告從ZETA協(xié)議、ZETA物理層技術(shù)2個(gè)方面解析ZETA技術(shù)，通過與同類LPWAN技術(shù)進(jìn)行參數(shù)比較，闡明ZETA技術(shù)在物聯(lián)場景中的廣闊應(yīng)用。目前，支持ZETA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)已超過300家，包括諾基亞、中移物聯(lián)網(wǎng)、中國鐵塔、NTT DOCOMO、軟銀、NEC、凸版印刷、意法半導(dǎo)體、索喜科技等。

低功耗廣覆蓋，重新定義OSI參考模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層

ZETA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為典型的星型拓?fù)?，為了面向多種物聯(lián)網(wǎng)場景，降低落地成本、難度，ZETA網(wǎng)絡(luò)除了支持典型的星型拓?fù)溥€創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)了樹狀MESH架構(gòu)，包含AP、智能路由、終端、管理平臺，其中AP、終端、管理平臺為必選節(jié)點(diǎn)，智能路由為可選節(jié)點(diǎn)。并設(shè)計(jì)了三套協(xié)議以應(yīng)對復(fù)雜的應(yīng)用場景需求：

◆ ZETA-P：低時(shí)延，主要面向業(yè)務(wù)流量不大的局域網(wǎng)場景。

◆ ZETA-S：時(shí)頻復(fù)用，主要面向業(yè)務(wù)流量較大的城域網(wǎng)場景。

◆ ZETA-G：協(xié)議精簡，成本極低，主要面向?qū)Τ杀久舾杏休^大連接量場景。

ZETA協(xié)議具有超窄帶、雙向通信、低功耗、廣覆蓋等特點(diǎn)：

◆ 超窄帶通信

ZETA協(xié)議使用超窄帶進(jìn)行通信，單信道占用帶寬僅3.8K，支持100/300/600bps的典型通信速率，最大速率可支持到50kbps。整系統(tǒng)帶寬不到30K，方便應(yīng)用于各國的免授權(quán)頻譜。

◆ 雙向通信

ZETA協(xié)議具備上行下行雙向通信的特點(diǎn)?？捎糜谶M(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集上報(bào)，及下行配置與查詢和控制等操作。

◆ 低功耗

針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的上行為主，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)，ZETA協(xié)議進(jìn)行了諸如LDC，ack下行，分時(shí)段下行，深度休眠，分時(shí)隙上行多種低功耗設(shè)計(jì)。

◆ 廣覆蓋

ZETA協(xié)議支持點(diǎn)對點(diǎn)通信在視距情況超過10公里以上。其多級智能路由，進(jìn)一步擴(kuò)展了覆蓋范圍。

在協(xié)議安全方面，ZETA協(xié)議通過入網(wǎng)鑒權(quán)、通信加密算法、鑒權(quán)及數(shù)據(jù)加密等方式確保網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及數(shù)據(jù)安全。

◆ 入網(wǎng)鑒權(quán)

設(shè)備接入時(shí)，為避免非ZETA終端接入網(wǎng)絡(luò)，需進(jìn)行接入鑒權(quán)，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，把nonce和Auth一起發(fā)送給NS平臺，平臺根據(jù)相同的KI以及消息中的nonce，加上同一個(gè)算法生成Auth，比較Auth進(jìn)行鑒權(quán)。

◆ 通信加密算法

不同于互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量更少，對冗余、開銷更敏感，需要更輕量級的加密算法對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。ZETA協(xié)議選用輕量級加密算法Keeloq對報(bào)文數(shù)據(jù)域進(jìn)行加密，即用8byte密鑰加密n*4byte明文，從而得到n*4byte密文或者用8byte密鑰解密n*4byte密文，還原出原n*4byte明文。

◆ 鑒權(quán)及數(shù)據(jù)加密

網(wǎng)關(guān)利用bsid和隨機(jī)數(shù)count，以及事先存儲于網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的密鑰KI，通過sha256算法生成鑒權(quán)摘要。把鑒權(quán)摘要和count，以KI為密鑰，利用aes128算法進(jìn)行加密，傳輸給平臺，平臺接收后用相同算法解密，并校驗(yàn)鑒權(quán)摘要。校驗(yàn)通過后，回復(fù)登陸成功給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)會使用RS1024生成密鑰對，將公鑰發(fā)送給云平臺，云平臺隨機(jī)生成128bits數(shù)據(jù)通信密鑰，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)通信密鑰。后續(xù)與云平臺通信就用該密鑰，利用aes128進(jìn)行加密通信。

ZETA協(xié)議重新定義OSI參考模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)了ZETA網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信編碼、入網(wǎng)控制、設(shè)備鑒權(quán)、QoS保障、安全加密等功能。

物理層advanced M-FSK調(diào)制方式，兼具窄帶通信優(yōu)勢與擴(kuò)展性

advanced M-FSK調(diào)制方式，既具有Sigfox的窄帶通信優(yōu)勢，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較高的速率。

窄帶發(fā)送在頻域上能量非常集中，具有很好的抗干擾特性，包括基于頻譜擴(kuò)展的信號干擾。Sigfox為極窄帶通信，傳輸速率是100Hz。當(dāng)M-FSK的符號速率小到100Hz時(shí)，此時(shí)每個(gè)符號，信號在頻域上占極小帶寬，與Sigfox類似，能量非常集中。因此，M-FSK具備Sigfox 窄帶通信傳輸能力。

Advanced M-FSK的參數(shù)與Lora具有一一對應(yīng)關(guān)系。LoRa是采用一種特殊擴(kuò)頻方式，而Advanced M-FSK采用類似與5G中OFDM的頻點(diǎn)調(diào)制技術(shù)，可以充分借鑒5G等相關(guān)先進(jìn)接收機(jī)技術(shù)，保證了較高的靈敏度。

5G是QAM調(diào)制，即在幅度和相位上同時(shí)調(diào)制信息，Advanced M-FSK與5G類似，可以通過增加相位調(diào)制增加頻譜效率。Advanced M-FSK相比LoRa具有相位調(diào)制功能，Advanced M-FSK為了保證能量效率，只進(jìn)行相位的調(diào)制。而LoRa是無法調(diào)制相位的。

NB-IoT有多種上行傳輸方式，一種是SC-FSMA，功耗消耗比較大；另一種類似Sigfox，采用類似單頻點(diǎn)發(fā)送，即窄帶通信方式，但符號速率更快，為3.5kHz，通過重復(fù)發(fā)送的方法達(dá)到遠(yuǎn)距離覆蓋。重復(fù)發(fā)送的增益僅在完全相干時(shí)才能獲得最大增益，而在單載波通信中，往往很難做到完全相干合并。所以NB-IoT在極致覆蓋時(shí)性能是略差的，也必然導(dǎo)致功耗也較高。

通過與同類LPWAN技術(shù)比較，ZETA可實(shí)現(xiàn)更高速率、更廣覆蓋、更好擴(kuò)展性，并能大幅降低應(yīng)用落地成本，可應(yīng)用于更廣闊泛在物聯(lián)場景。