ZETA技术白皮书.pdf

一、引言 . 1 二、 ZETA 概述 . 1 三、 ZETA 协议解析 . 2 3.1 ZETA 网络架构 . 2 3.1.1 AP . 2 3.1.2 智能路由 . 2 3.1.3 终端 . 3 3.1.4 ZETA Server & PaaS . 3 3.2 ZETA 协议特点 . 3 3.2.1 超窄带通信 . 3 3.2.2 双向通信 . 3 3.2.3 低功耗 . 4 3.2.4 广覆盖 . 4 3.2.5 抗干扰 . 4 3.3 ZETA 分支协议特性 . 4 3.3.1 ZETA-P . 4 3.3.2 ZETA-S . 7 3.3.3 ZETA-G . 10 3.4 ZETA 协议安全 . 11 3.4.1 入网鉴权 . 11 3.4.2 通信加密算法 . 11 3.4.3 鉴权及数据加密 . 11 四、 ZETA 的物理层技术 . 12 4.1 M-FSK 调制技术 . 12 4.2 具有窄带通信优势 . 12 4.3 支持可扩展的覆盖与速率 . 13 4.4 支持高速率传输 . 14 1 一、引言 本文旨在向各大读者阐述 ZETA 技术 一种基于 UNB 的低功耗广域网（ LPWAN）技术协议标准，其具有覆盖范围广、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。 二、 ZETA 概述 ZETA 协议定义了 OSI 参考模型中的物理层、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。 下文将重点解析 ZETA 协议的整体架构， ZETA 协议的特点， ZETA 不同协议分支的功能特性， ZETA 网络安全方案，同时对 ZETA 的物理层技术进行阐述。 2 三、 ZETA 协议解析 3.1 ZETA 网络架构 Figure 1 网络架构 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，并且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 网络包含 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。 3.1.1 AP AP(Access Point)， ZETA 自组网汇聚点，主要负责 ZETA 网络数据采集， 时钟同步，下级设备管理 以及数据回传至 Server，支持远程全量升级、配置等功能。 3.1.2 智能路由 低功耗 Mesh 智能路由节点，有效增加单站覆盖范围，便捷补充信号盲区、防止数据拥塞等功能。 低功耗设计，电池供电，典型接入量可使用 3 年以上 。 自组网，上电无需任何设置，自动接入网络 。 自愈组网，某一个连接中断时， Mesh 节点能够自行进行拓扑重组，尝试网络愈合，确保数据传输的可靠性。 2/3/4G/LAN 3 多跳，根据协议不同，最多可支持 4 跳，将网络覆盖延伸到 AP 信号不能到达的角落。 路由选择，选择最佳的拓扑和通信调度策略将功耗降到最低。 3.1.3 终端 MS（ Module&Sensor），数据透传模块，外接传感器集成终端。 低功耗双向通信。 自组网，上电无需任何设置，自动接入网络 。 自愈组网，当连接中断时，尝试网络愈合， 确保数据传输的可靠性。 路由选择，选择最佳的拓扑和通信调度策略将功耗降到最低。 丰富指令集， UART 透传模式，可查询模块信号质量、状态、网络时间、设置测试模式等。 3.1.4 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。 PaaS 平台，提供标准 API 接口，方便用户对接获取数据。 集成化网络管理，无需开发 ZETA 网络管理，减少开发对接投入 简单易用 ZETA Server，便捷远程定位问题，大幅度降低排查问题成本 通用 API 接口，简单易读 提供标准 SDK， 5 分钟即可完成对接 支持私有云、公有云、混合云部署方式 3.2 ZETA 协议特点 3.2.1 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。整系统带宽最多也不到 30K，占用带宽资源很少，可方便的应用于各国的免授权频谱。 3.2.2 双向通信 ZETA 协议，都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 4 上报，也可以进行下行配置与查询和控制等操作。 3.2.3 低功耗 ZETA 协议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，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。 3.2.4 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。利用多级智能路由，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行灵敏度，也有效的增加了覆盖范围。 3.2.5 抗干扰 ZETA 协议使用于非授权频谱，干扰信号较多。因此设计了跳频和载波侦听等功能来提升抗干扰性能。 3.3 ZETA 分支协议特性 本节主要介绍 ZETA-P/ZETA-S/ZETA-G三种协议分支的功能点和基本特性。 3.3.1 ZETA-P 随机入网与数据传输 Figure 2 随机发送 当 ZETA-P 协议的设备需要入网与数据传输流程，会先随机退避一段时间，然后进行载波侦听，如果侦听结果为空闲，则发送入网或者数据。 可靠传输 协议的据传输过程中，会有 ack 帧，用来确认对方是否收到数据，这是为可靠性设计的。如果没有收到 ack 帧，则会进行重传，以确保数据被正确的送达目标节点。 Data CS idle Start Random CS Data 5 TX RXS e n d d a t aD A T A A c kR e s e n d d a t aD A T A A c k Figure 3 可靠性传输 载波侦听 为了避免网络拥塞，提高信道利用率，在发送数据前，进行载波侦听，信道闲置方可发送，流程如下： Figure 4 载波侦听流程 6 归属校验 在实际使用中，可能不同企业共用一套协议 ， 为避免设备接入非自身企业 AP，或者本企业 AP 被其他企业设备接入，在入网时会进行归属校验，流程如下： 发起注册鉴权设备 AP Z E T A S e r ve r转发注册信息归属鉴权未通过（ 该企业下无该设备 ）归属错误归属错误将该 AP 加入黑名单 ， 重新对其他AP 发起注册流程Figure 5 归属校验流程 网络自愈 ZETA-P 协议具有网络自愈功能。网络中某条链路出现故障，导致数据传输失败，终端节点可以自动重新选择其他可用的链路进行数据通信。 MS / M O T ES e n d d a t aR e s e n d d a t aD A T A A c kAP 1 / M O T E 1 AP 2 / M O T E 2注册流程 Figure 6 网络自愈 大数据传输 基于随机传输的特点， ZETA-P 协议支持多达 50Bytes 的应用层数据传输。 低时延 7 ZETA-P 支持的设备数量较少的情况下随机数据传输冲突概率较低，数据产生后，可在较短时间内响应数据上下行传输，具备低时延的特性，时延取决于空口速率。 OTA ZETA-P 协议支持 OTA 功能，当设备需要修复 bug，或者新增功能时，可以通过无线升级的方式对设备版本进行更新。同时支持近端单个设备 OTA 操作和远程批量 OTA 操作。 3.3.2 ZETA-S 时隙入网与数据传输 ZETA-S 采用分时隙和分频点的方式来管理空口资源。将时间资源分成若干个时隙，每个时隙是 900ms 或者更多长。系统中有多个频点，可分别用于终端、智能路由或者 AP 的上行，下行通信。 每个设备入网时，会由上级分配一个工作时隙，当设备数量比较多时，不同设备可能会分配到相同的时隙，这样在该时隙内，不同设备要同时发送数据就需要进行竞争发送，有一定概率会出现冲突，但是比较随机发送，冲突概率极小。 智能路由创新性的引用时隙复用功能，因为 ZETA 网络系统存在多个频点，不同频点在相同时隙内，是可以同时工作的。比如 A 路由节点在该时隙内接收下级终端的上行数据，同时 B 路由节点也可以在该时隙内发送数据给上级，无形中也增加了 ZETA 网络的容量。 入网及数据传输流程（以终端注册网关为例）： 8 MS广播注册信息AP注册请求注册响应上行数据A c k Figure 7 入网及数据传输流程 A.网关周期性广播注册信息； B.终端注册前监听接收附近网关的广播。收到一个或者多个网关广播信息后，根据注册选择算法选择一个网关，并向其发送注册请求。 C.网关收到注册请求后，会进行相应的资源分配，期间还会有鉴权过程，网关回复注册响应。至此设备注册完成，可以进行数据通信。 D.终端注册成功后，当有数据时，会向网关发送数据。 E.网关收到数据后回复数据 ack。 可靠性传输 除 ZETA-G 外，其他双向协议的数据传输过程中会有 ack 帧，用来确认对方是否收到数据，这是为可靠性设计的。如果没有收到 ack 帧，则会进行重传，以确保数据被正确的发送给目的节点，流程图参考 ZETA-P。 载波侦听 ZETA-S 协议支持载波侦听，用于减少冲突概率。载波侦听过程是在 GAP 内完成的。 GAP 时间内结构 DIFS 和若干个 CS_SLOT。 1：发送方在 DIFS 的时间内处理和准备好 Mac 层消息，启动载波监听，方产生一个最大值不超过竞争窗口最大值，最小不小于高优先级发送窗口的退避值， 9 进行退避过程。 2：退避过程中，持续扫描信道状态，当退避时间到时依然没有检测到载波，则该发送方获得信道使用权，立即发送数据进入正常数据发送流程。否则就进行退避，等待下一个信道窗口进行重发。 跳频 ZETA-S 支持通过跳频来提升系统抗干扰性。系统事先将可用频点划分成若干个频点组。设备入网时，会从上级获取跳频频点组和当前频点，然后根据事先约定好的跳频序列，在跳频组内跳频。这样既然提升了抗干扰性，也具有一定的抗频点跟踪 性，从而提升了系统安全性。 归属检验 在在实际使用中，可能不同企业共用一套协议以及为避免设备接入非自身企业 AP，或者本企业 AP 被其他企业设备接入，在入网时会进行归属校验，归属流程参照 ZETA-P 章节。 网络自愈 MS / M O T ES e n d d a t aR e s e n d d a t aD A T A A c kAP 1 / M O T E 1 AP 2 / M O T E 2注册流程 Figure 8 网络自愈 ZETA-S 协议具有网络自愈功能。网络中某条链路出现故障，导致数据传输失败，就会自动重新选择其他可用的链路进行数据通信。 小数据量 ZETA-S 协议的单次数据传输都是在一个时隙内完成的，所以在时隙长度为 10 900ms 时，仅支持 8Bytes 的应用层数据。 大容量 基于时隙及频点的统一管理， ZETA 网络信道利用率得到提升， ZETA-S 单网关理论上可支持接入约 90000+个设备。 城域网 ZETA-S 协议的网关节点支持 GPS 同步，可以避免相邻网关之间的相互干扰与失步问题，因此可以在城市或者全国范围内进行大规模部署。 OTA ZETA-P 协议支持 OTA 功能，当设备需要修复 bug，或者新增功能时，可以通过无线升级的方式对设备版本进行更新。同时支持近端单个设备 OTA 操作和远程批量 OTA 操作。 3.3.3 ZETA-G 载波侦听 为了避免网络拥塞，提高信道利用率，在发送数据前，进行载波侦听，信道闲置方可发送，流程如下： Figure 9 载波侦听流程 11 成本极低 ZETA-G 协议面向 成本极其敏感行业应用，在保证通信性能以及功耗的前提下，协议设计上采用支持远距离上行，以及近距离下行方式， 按照应用场景需求精简协议，大大降低硬件成本 ，让更多的“物”能够低成本联网。 大容量 ZETA-G 协议主要面向 泛在物联 场景，比如 包裹、 物流 容器 、 液化气钢瓶追踪、危险废品追踪等 等， 要求接入 数量庞大，利用 SDR 网关多信道接收功能，单个物理天线可以同时接收多达 64 个信道的数据，极大的扩充了 ZETA 网络系统容量 ，进一步降低“物”的联网成本 。 3.4 ZETA 协议安全 3.4.1 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，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 以及消息中的 nonce，加上同一个算法生成Auth，再比较 Auth 进行鉴权。 3.4.2 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，加密原理：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 n*4byte 原始报文 。 3.4.3 鉴权及数据加密 鉴权过程：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，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 至 平台，平台接收后用相同算法解密 ， 进行校验， 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 使用该秘钥 与云平台通信 。 12 四、 ZETA 的物理层技术 本章介绍 ZETA 物理层的 advanced M-FSK 调制方式以及它的独特有点。即具有 Sigfox 的窄带通信优势；又具备 LoRa 具的扩展性；还可以利用 5G 技术在较小带宽中传输相对较高的速率。 4.1 M-FSK 调制技术 M-FSK调制：时域为 1 的信号在频域上 M 个正交频点上选择一个频点调制发送。如下图所示， M=8，每个频点每个符号可以调制 3 个比特信息。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。如下图所示符号速率为 600Hz。 可以直观获得如下认识： 1，调制信息只在相位上改变，不利用幅度调制信息， PAPR 为零，保持低功耗特性； 2，发送功率不变，带宽增加，调制比特增多(log2(M)； 3，每个符号只在一个频点上发送，具有窄带通信特点。 Figure 7 M-FSK 调试方式 4.2 具有窄带通信优势 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。 13 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。所以 M-FSK具备 Sigfox 窄带通信传输能力。 NB-IoT 有多种上行传输方式，一种是 SC-FSMA，功耗消耗比较大；另一种也类似 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。 4.3 支持可扩展的覆盖与速率 M-FSK调制技术参数包括：传输频域总带宽 BW（不含保护带宽）、频点间隔 SCS（ SubCarrier space）、信道编码速率 CR（ Code Rate）。由频点间隔 SCS 和传输总带宽 BW得到频域因子 BW/SCS2logK = ；为了保证频点间正交，符号时长至少为 1/SCS 。 根据频域因子、信道编码速率、传输频域总带宽和符号时长确定频谱效率和比特速率，具体推导过程为： 频域因子： S C SBW k *2lo gK B W /S C S2 = （ 1） 比特速率： 14 CRS C SKCRS C SKDR *1 = （ 2） 频谱效率： CRS CSBWDR *K / 2*2 CR*S CS*K Kk = （ 3） 根据与 LoRa技术相比， 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。 表 1 Advanced M-FSK 与 LoRa 关键参数对比 LoRa 技术 Advanced M-FSK技术 备注 调制比特数 时域因子 SF 频域因子 K 信号 CSS(Chirp-Spread-Spectrum) 1 Advanced M-FSK 可以灵活的支持相位调制 带宽 BW K2SCS 载波间隔 SCS 对应 LoRa 的 1/BW 码片时长 1/BW 对应 Advanced M-FSK的 SCS 符号时长 /BW2SF 1/SCS 比特速率 CR*SF/2BW SF CRSCS*K 频谱效率 CR*SF/2SF CR*K/2K 同样支持不同速率与覆盖，支持各种 IoT 场景的应用。假设传输带宽以120kHz为例，选择参数不同，则速率也不同，相应覆盖也不同。速率越小，覆盖越远。 表 2 Advanced M-FSK 的 SCS 与速率关系 SCS 带宽 速率 15kHz 120kHz 45kbps 7.5kHz 120kHz 30kbps 3.75kHz 120kHz 18.75kbps 3.75/2kHz 120kHz 11.25kbps 3.75/8kHz 120kHz 3.75kbps 4.4 支持高速率传输 Advanced M-FSK 在保持低功耗特点的基础上具有 OFDM 的特点。所以具备 15 5G 技术特点：一是上一节所描述的频点间隔是 scalable，高速率时，频点间隔变大，如支持 SCS=60kHz；二是在每个符号发送频点上增加相位调制信息，如BPSK/QPSK/8PSK 等，即保证了 PAPR=0dB 的要求，也可以进一步提升频谱效率，增加传输速率。 Advanced M-FSK 相比 LoRa 频域因子 K 具有更大的灵活性。 Advanced M-FSK与 5G 类似，为了提升速率，增大频点间隔 SCS，即使频域因子 K 变小。 表 3 Advanced M-FSK 的 SCS 与速率关系 带宽 K CR SCS 速率 120kHz 2 1 30kHz 60kbps 120kHz 3 1 15kHz 45kbps LoRa 的技术也是通过改变时域 SF 和带宽两个参数，选择合适的速率。如果带宽一定，选择 SF 越小，则速率越大，理论上选择 SF=1，则速率越高。但实际应用中，市场上并未出现支持 SF=1 的产品， SF 至少要大于等于 6，实际上原因是 CSS 信号在 SF=1 的情况下并不容易发送，即在短时间内发送完整的 CSS 信号很困难。而 Advanced M-FSK对频域因子没有限制，所以 Advanced M-FSK具有更好的扩展性。 Advanced M-FSK 相比 LoRa 具有相位调制功能。 Advanced M-FSK 与 5G 类似，可以通过增加相位调制增加频谱效率。 5G 是 QAM 调制，即在幅度和相位上同时调制信息； 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，即如表 1 所示， LoRa 只能发送 CSS 信号，此信号并没有任何其他调制信息，所以无法额外发送比特。下图是相位调制示意图， 8PSK每个符号可以额外发送 3 比特。 下表示意不同带宽通过增加相位调制获得速率： 表 4 不同相位调制对速率的影响 16 带宽 K CR SCS 无相位速率 调制 相位调制速率 960kHz 4 1 60kHz 240kbps 32-PSK 540kbps 120kHz 1 1 60kHz 60kbps 32-PSK 360kbps 120kHz 2 1 30kHz 60kbps 32-PSK 210kbps 120kHz 2 1 30kHz 60kbps 8-PSK 150kbps 120kHz 3 1 15kHz 45kbps BPSK 90kbps 120kHz 4 1 7.5kHz 30kbps None 30kbps 从以上描述可以看出， Advanced M-FSK 相比 LoRa 具有更高的频谱效率，在带宽上更容易扩展，可以在相位上调制信息。使 Advanced M-FSK 相比 LoRa在 sub 1GHz 有限带宽内能满足对数据量要求更高的应用场景。