LPWA市场后起之秀 低功耗ZETA抢攻物联网

——本文来源新通讯（中国台湾）——

物聯網因應各類不同場景，促使多種低功耗廣域網路(LPWA)標準陸續興起，成本、低功耗和智慧化特性是諸多企業考量因素，而在近年技術發展之下，ZETA也應運而生，提供企業更多元選擇。

隨著科技的快速發展，物聯網(IoT)的概念越來越清晰。它不僅僅是一個熱門技術，也是人類從資訊化、自動化，邁向智慧化的必經之路。根據GSMA預測，2025年物聯網總連接數目將達到252億，市場規模達到1.1兆美元，一個兆級規模的市場即將開啟。

低功耗廣域網路(LPWA)作為物聯網行業中最重要的技術之一，正以年複合成長率90%的驚人速度成長。根據Global Market Insights的相關研究報告顯示，到2027年LPWA市場規模將超過800億美元。

自從業界初步認識到LPWA價值開始，便伴隨著多種技術的演進與商業競賽。目前，該領域已形成了NB-IoT和LoRa這兩種主流通訊技術的市場態勢。不過，伴隨著物聯網產業的發展，更加多樣化的場景不斷湧現，受限於網路覆蓋、場景落地、成本控制、技術融合等多種因素，單靠NB-IoT和LoRa兩種技術並不能滿足所有的LPWA應用場景，市場須有更中低階、更低成本、覆蓋範圍更大，滿足更多廣泛物聯場景的LPWA技術出現；同時，這也給了新型LPWA技術生存發展和商業應用的機遇和空間。

市場上永遠都不乏創新者，ZETA作為中國研發的低功耗廣域網路協議，正逐漸憑藉市場及技術優勢在眾LPWA技術中脫穎而出。

| ZETA技術概述

ZETA是一種基於UNB低功耗廣域網路技術協議標準，由廠商縱行科技自主研發。具有覆蓋範圍廣、服務成本低、能耗低等特點，滿足物聯網環境下的廣域範圍內資料交換頻率低、連接成本低、適用複雜環境的連接需求，可廣泛應用於物流、工業、建築、農業、智慧城市等場景。

ZETA在同類型技術標準領域中具有領先的優勢，是支援分散式組網、嵌入式端智慧提供演算法升級的LPWA通訊標準，也是被日本、新加坡等國家運營商應用的廣域物聯網技術。

為了解決低功耗、長距離、多樣化場景需要截然不同的性能指標等三大痛點，ZETA對傳統的LPWA技術進行了革新，提出了最新的Advanced M-FSK調變技術，充分借鏡5G中創新性的基礎概念SCS，對實體層進行了優化，使ZETA靈敏度可達-150dBm，支援120km/h的移動物體監測，並能根據各種應用場景的不同速率要求進行自我調整，拓寬了LPWA的應用場景。

作為新一代LPWA技術，ZETA於2020年推出了LPWAN 2.0泛在物聯，旨在透過技術持續演進實現更低成本、更低功耗、更智慧的網路(圖1)。 

圖1  LPWAN 2.0技術願景圖

| ZETA網路架構

ZETA網路架構為典型的星狀(Star)拓撲，為了面向多種物聯網場景、多種不同需求，以及降低落地成本、難度，ZETA網路除了支援典型的星狀拓撲，還創新性地實現了網狀(Mesh)架構。ZETA是支援Mesh自組網的LPWA技術，具備無須配置自動組網、中斷點自癒、高強健性及穩定等特點，並可選擇拓撲和通訊調度策略將功耗降到最低，實現在複雜環境中的遠距離可靠傳輸，可節省70%的物聯網網路部署成本(圖2)。

圖2 ZETA網路架構圖

ZETA網路包含AP、智慧路由器、終端、管理平台，其中AP、終端、管理平台為必選節點，智慧路由器為可選節點。

·AP(Access Point)

ZETA自組網彙聚點，主要負責ZETA網路資料獲取，以及資料回傳至伺服器(Server)，支援遠端全量升級、配置等功能。

·智慧路由器

低功耗Mesh智慧路由節點，擁有專利智慧路由技術，可最多支援4跳，有效增加單站覆蓋範圍，便捷補充訊號盲區、防止資料擁塞等功能。

·終端MS(Module & Sensor)

資料傳輸模組，外接感測器整合感知終端。 

·ZETA Server & PaaS

ZETA Server負責管理ZETA網路，如複雜多樣協定解析、網路拓撲、當前電量、協定版本、遠端升級等功能，提供終端到平台完整管道，打通用戶端到端IoT應用服務，縮短IoT實際應用落地週期。 

| ZETA協定特點

由於物聯網碎片化特性，ZETA技術設計了三套協定以應對複雜的應用場景需求。

·ZETA-P

低時延，支援多達50Bytes的應用層資料傳輸，低功耗雙向通訊，支援遠端OTA，主要針對訊息流量不大的區域網路應用。 

·ZETA-S

時頻多工，網路通道利用率得到提升，單閘道理論上可支援接入約90,000+個設備，低功耗雙向通訊，支援遠端OTA，主要面向業務流量較大的都會區網路應用。

·ZETA-G

協議精簡，成本極低，採用SDR技術，利用正交FSK+TBCC+重複等多種演算法提升上傳靈敏度，有效增加覆蓋範圍。適合對成本敏感、有較大連接量的應用。

·超窄頻通訊

ZETA使用超窄頻進行通訊，單通道占用頻寬僅3.8kHz，支援100/300/600bps的典型通訊速率，最大速率可支援到200kbps。整系統頻寬最多也不到120kHz，占用頻寬資源很少，可方便地應用於各國的免授權頻譜。

·雙向通訊

ZETA標準(ZETA-G除外)，都具備上傳、下載雙向通訊特點。可獲取感測器資料與上傳，也可以進行下載配置與查詢和控制等操作。

·低功耗

ZETA協定針對物聯網應用的上傳為主、小資料量、可靠性要求不高、即時性要求不高等特點，進行了諸如LDC、ack下載、分時段下載、深度休眠、分時隙上傳等多種低功耗設計。

·廣覆蓋

ZETA協定支援點對點通訊在視距情況超過10公里以上。利用多級智慧路由，又進一步擴展了覆蓋範圍。對於ZETA-G協議，採用SDR技術，利用正交FSK+TBCC+重複等多種演算法提升上傳靈敏度，也有效增加了覆蓋範圍。

·抗干擾

ZETA協定使用於非授權頻譜，干擾訊號較多。因此設計了跳頻和載波偵聽等功能來提升抗干擾性能。

| ZETA實體層關鍵技術介紹 

針對LPWA通訊速率低、難以覆蓋及監測移動物體等問題，縱行科技最新研發Advanced M-FSK的調變方法，對ZETA無線通訊的調變/解調處理的實體層進行了提升優化，使ZETA能根據各種應用場景的不同速率要求進行自我調整，同時能充分借鑒5G的先進接收機技術進而提升靈敏度，突破現有LPWA技術接收靈敏度上限，由此為新一代的LPWAN 2.0技術的演進提供了新的思路。

ZETA實體層的Advanced M-FSK調變方式，具有較為不同的特點，既具有Sigfox的窄帶通訊優勢；又具備LoRa的擴展性；還可以利用5G技術在較小頻寬中傳輸相對較高的速率。

由此，ZETA突破了LPWA傳輸資料過小的局限，既能支援短影片監控回傳以及工廠中大量的機電資料獲取傳輸，也能支援物流場景的移動物體監測，與LoRa等LPWA技術相比，具有更好的擴展性，可以接近百萬級別的速率，擴展了LPWA的應用場景(表1)。

M-FSK調變：時域為1的訊號在頻域上M個正交頻點上選擇一個頻點調變發送。如圖3所示，M=8，每個頻點每個符號可以調變3bit的資訊。最小頻點間隔為2kHz，為了保持頻點的正交性，符號速率要小於最小頻點間隔。如圖3所示符號速率為600Hz。

圖3 M-FSK調變方式

可以直接獲得如下認識，調變資訊只在相位上改變，不利用幅度調變資訊，PAPR為零，保持低功耗特性；發送功率不變，頻寬增加，調變bit數增多(log2(M))；每個符號只在一個頻點上發送，具有窄頻通訊特點。

透過調變提升以下參數性能：

1. 最大化利用發射功率，保證LPWA通訊不出現暫態高功率的同時，使功耗能量效率最大化(即PAPR)。

2. 提升接收機的靈敏度，增強覆蓋距離。如果提升接收機6dB靈敏度即4倍，覆蓋距離可以增強一倍。

3. 滿足不同行業的特定資料監測需求。比如，隨著物流行業的蓬勃發展，物聯網技術不僅僅要支撐大量的靜態感測器接入，同時也需要大量支援移動包裹的接入，即支援都卜勒和多徑無線複雜環境的物體接入。

進而達到以下應用目標：

1. 靈敏度可達-150dBm，進而增加幾倍的覆蓋距離。與其他LPWA技術相比：相同的速率下，具有更低的靈敏度。在同樣靈敏度下，具有更高的速率。透過內外場測試，100bps的資料速率，靈敏度可以到-144.7dBm。30bps的速率，則可以到-149.2dBm靈敏度。

2. 支援120km/h的移動物體監測，進而實現高速移動物體的資料獲取及即時監測，拓展LPWA技術在物流流轉場景的應用(圖4)。

圖4  ZETA與LoRa可應用速率區間對比圖

| 協定安全

縱行科技針對物聯網環境，制定完整的物聯網安全體制。從存取驗證、資料加密、ZETA Server管理、使用者終端管理以及伺服器資料庫安全管理等多層次實現網路安全保障。

1. 入網驗證

設備接入時，為避免非ZETA終端接入網路，需進行存取驗證，首先是由設備根據亂數Nonce以及金鑰KI計算生成Auth值，然後把nonce和Auth一起發送給NS平台，平台根據相同的KI以及訊息中的nonce，加上同一個演算法生成Auth，再比較Auth進行驗證。

2. 通訊加密演算法 

不同於網際網路，物聯網資料量更少，對冗餘、開銷更敏感，需要更精簡的加密演算法對敏感性資料進行加密。ZETA協定選用精簡加密演算法Keeloq對訊息資料欄進行加密，加密原理：用8byte金鑰加密n×4byte明文，進而得到n×4byte密碼或者用8byte金鑰解密n×4byte密碼，還原出原n×4byte明文。

3. 驗證及資料加密

驗證過程：閘道利用bsid和亂數count，以及事先存儲於閘道內部的金鑰KI，透過SHA256演算法生成驗證摘要。然後把驗證摘要和count，以KI為金鑰，利用AES128演算法進行加密，傳輸給平台，平台接收後用相同演算法解密，並校驗驗證摘要。校驗透過後，回覆登入成功給閘道。閘道會使用RS1024生成金鑰對，將公開金鑰發送給雲端平台，雲端平台隨機生成128bits資料通訊金鑰，用公開金鑰加密後發給閘道。閘道利用私密金鑰解密後得到資料通訊金鑰。後續與雲端平台通訊就用該金鑰，利用AES128進行加密通訊。

| LPWA技術對比

主流的LPWA技術有NB-IoT、Sigfox、LoRa、ZETA等，在網路支援通訊方式、速率、頻寬、覆蓋能力、時延及小區容量方面均有一定的差異(表2)。

此外，ZETA穿透性更強、覆蓋更廣、功耗更低，可以對LPWA領域的技術LoRa、NB-IoT，以及2G、物流領域的RFID、工業領域的Zigbee、Wi-Fi、藍牙等進行技術替代。目前，ZETA在規模資產管理、通路衝突等場景是LPWA技術唯一可行方案，並在工業泛在物聯網領域實現更低成本、更高性能替代；同時，透過IP經營模式，聯合多家晶片合作夥伴，將技術高速拓展至包括物流供應鏈、鋼鐵、水泥、化工等領域。

對於各行各業來說，進行數位化轉型升級，需要建設覆蓋區域乃至更大範圍的新型基礎設施，物聯網技術是其中重要的一環。ZETA作為新一代物聯網通訊技術，能有力推動智慧城市、智慧社區等各個領域的資訊基礎設施建設，建構城市智慧化終端實施網路。

與此同時，ZETA仍在不斷更新迭代運算產品技術，透過組建ZETA生態聯盟，建立ZETA技術標準，擴大ZETA應用生態圈，已經實現了從底層技術、晶片、模組、產品終端到應用場景的全鏈路自主可控，能夠確保供應鏈體系穩定、安全。目前，ZETA聯盟會員已超300名，遍及全球20+國家和地區。

雖然，目前LPWA市場形成了NB-IoT和LoRa占據主流的市場格局，但是這一格局並不穩固，主流技術市場占有率會因為其他LPWA技術的商用有所下滑。而ZETA能以一個相對小眾的技術，在NB-IoT及LoRa兩大LPWA技術夾縫中脫穎而出，一方面聚焦於自身技術指標的扎實與領先，另一方面選擇了一條面向垂直產業應用發展的道路，對市場有更清晰的認識和更務實的定位。值得關注的是，ZETA在商業運營模式及生態建設方面，走出了自己的特色，值得其他LPWA技術借鏡。

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