LPWA市场后起之秀 低功耗ZETA抢攻物联网
作者 | 新通讯2022-03-18

物联网因应各类不同场景,促使多种低功耗广域网(LPWA)标准陆续兴起,成本、低功耗和智慧化特性是诸多企业考虑因素,而在近年技术发展之下,ZETA也应运而生,提供企业更多元选择。

LPWA市场后起之秀 低功耗ZETA抢攻物联网

随着科技的快速发展,物联网(IoT)的概念越来越清晰。它不仅仅是一个热门技术,也是人类从信息化、自动化,迈向智慧化的必经之路。根据GSMA预测,2025年物联网总连接数目将达到252亿,市场规模达到1.1兆美元,一个兆级规模的市场即将开启。

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

自从业界初步认识到LPWA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这两种主流通讯技术的市场态势。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两种技术并不能满足所有的LPWA应用场景,市场须有更中低阶、更低成本、覆盖范围更大,满足更多广泛物联场景的LPWA技术出现;同时,这也给了新型LPWA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作为中国研发的低功耗广域网协议,正逐渐凭借市场及技术优势在众LPWA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,由厂商纵行科技自主研发。具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低等特点,满足物联网环境下的广域范围内数据交换频率低、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,是支持分布式组网、嵌入式端智能提供算法升级的LPWA通讯标准,也是被日本、新加坡等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、多样化场景需要截然不同的性能指针等三大痛点,ZETA对传统的LPWA技术进行了革新,提出了最新的Advanced M-FSK调变技术,充分借镜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LPWA的应用场景。

作为新一代LPWA技术,ZETA于2020年推出了LPWAN 2.0泛在物联,旨在透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)。

LPWAN 2.0技术愿景图

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状(Star)拓扑,为了面向多种物联网场景、多种不同需求,以及降低落地成本、难度,ZETA网络除了支持典型的星状拓扑,还创新性地实现了网状(Mesh)架构。ZETA是支持Mesh自组网的LPWA技术,具备无须配置自动组网、断点自愈、高强健性及稳定等特点,并可选择拓扑和通讯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网络架构图

图2 ZETA网络架构图

ZETA网络包含AP、智能路由器、终端、管理平台,其中AP、终端、管理平台为必选节点,智慧路由器为可选节点。

  • AP(Access Point)

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

  • 智慧路由器

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

  • 终端MS(Module & Sensor)

数据传输模块,外接传感器整合感知终端。

  • 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协定特点

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,低功耗双向通讯,支持远程OTA,主要针对讯息流量不大的局域网络应用。

  • ZETA-S

时频多任务,网络信道利用率得到提升,单网关理论上可支持接入约90,000+个设备,低功耗双向通讯,支持远程OTA,主要面向业务流量较大的城域网应用。

  • 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传灵敏度,有效增加覆盖范围。适合对成本敏感、有较大连接量的应用。

  • 超窄频通讯

ZETA协议使用超窄频进行通讯,单信道占用带宽仅3.8kHz,支持100/300/600bps的典型通讯速率,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。

  • 双向通讯

ZETA标准(ZETA-G除外),都具备上传、下载双向通讯特点。可获取传感器资料与上传,也可以进行下载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传为主、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下载、分时段下载、深度休眠、分时隙上传等多种低功耗设计。

  • 广覆盖

ZETA协议支持点对点通讯在视距情况超过10公里以上。利用多级智慧路由,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传灵敏度,也有效增加了覆盖范围。

  • 抗干扰

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

ZETA物理层关键技术介绍

针对LPWA通讯速率低、难以覆盖及监测移动物体等问题,纵行科技最新研发Advanced M-FSK的调变方法,对ZETA无线通信的调变/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的先进接收机技术进而提升灵敏度,突破现有LPWA技术接收灵敏度上限,由此为新一代的LPWAN 2.0技术的演进提供了新的思路。

ZETA物理层的Advanced M-FSK调变方式,具有较为不同的特点,既具有Sigfox的窄带通讯优势;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LPWA传输数据过小的局限,既能支持短影片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LPWA技术相比,具有更好的扩展性,可以接近百万级别的速率,扩展了LPWA的应用场景(表1)。

LPWA市场后起之秀 低功耗ZETA抢攻物联网

M-FSK调变:时域为1的讯号在频域上M个正交频点上选择一个频点调变发送。如图3所示,M=8,每个频点每个符号可以调变3bit的信息。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。如图3所示符号速率为600Hz。

M-FSK调变方式

图3 M-FSK调变方式

可以直接获得如下认识,调变信息只在相位上改变,不利用幅度调变信息,PAPR为零,保持低功耗特性;发送功率不变,带宽增加,调变bit数增多(log2(M));每个符号只在一个频点上发送,具有窄频通讯特点。

透过调变提升以下参数性能:.

1. 最大化利用发射功率,保证LPWA通讯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,即支持都卜勒和多径无线复杂环境的物体接入。

进而达到以下应用目标:

1. 灵敏度可达-150dBm,进而增加几倍的覆盖距离。与其他LPWA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。透过内外场测试,100bps的数据速率,灵敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率,则可以到-149.2dBm灵敏度。

2. 支持120km/h的移动物体监测,进而实现高速移动物体的数据采集及实时监测,拓展LPWA技术在物流流转场景的应用(图4)。

ZETA与LoRa可应用速率区间对比图

图4 ZETA与LoRa可应用速率区间对比图

协定安全

纵行科技针对物联网环境,制定完整的物联网安全体制。从存取验证、数据加密、ZETA Server管理、使用者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. 入网验证

设备接入时,为避免非ZETA终端接入网络,需进行存取验证,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以及讯息中的nonce,加上同一个算法生成Auth,再比较Auth进行验证。

2. 通讯加密算法

不同于因特网,物联网数据量更少,对冗余、开销更敏感,需要更精简的加密算法对敏感数据进行加密。ZETA协议选用精简加密算法Keeloq对讯息数据域进行加密,加密原理:用8byte密钥加密n×4byte明文,进而得到n×4byte密码或者用8byte密钥解密n×4byte密码,还原出原n×4byte明文。

3. 验证及数据加密

验证过程: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,透过SHA256算法生成验证摘要。然后把验证摘要和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,并校验验证摘要。校验透过后,回复登入成功给网关。网关会使用RS1024生成密钥对,将公钥发送给云端平台,云端平台随机生成128bits数据通讯密钥,用公钥加密后发给网关。网关利用私钥解密后得到数据通讯密钥。后续与云端平台通讯就用该密钥,利用AES128进行加密通讯。

LPWA技术对比

主流的LPWA技术有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等,在网络支持通讯方式、速率、带宽、覆盖能力、时延及小区容量方面均有一定的差异(表2)。

LPWA市场后起之秀 低功耗ZETA抢攻物联网

此外,ZETA穿透性更强、覆盖更广、功耗更低,可以对LPWA领域的技术LoRa、NB-IoT,以及2G、物流领域的RFID、工业领域的Zigbee、Wi-Fi、蓝牙等进行技术替代。目前,ZETA在规模资产管理、通路冲突等场景是LPWA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、更高性能替代;同时,透过IP经营模式,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、智慧小区等各个领域的信息基础设施建设,建构城市智能化终端实施网络。

与此同时,ZETA仍在不断更新迭代运算产品技术,透过组建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、模块、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LPWA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LPWA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LPWA技术夹缝中生存,一方面聚焦于自身技术指标的扎实与领先,另一方面选择了一条面向垂直产业应用发展的道路,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LPWA技术借鉴。


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