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。