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纵行科技发布ZETA技术白皮书:打造LPWAN2.0泛在物联

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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