国产化低功耗窄带物联网无线通讯方案

01 物联网系统中为什么要使用ZETA LPWAN 模组

物联网系统中使用ZETA LPWAN模组的原因主要基于以下几个方面：

1、技术优势

低功耗广域网（LPWAN）特性：ZETA技术是一种基于UNB的低功耗广域网技术协议标准，具有覆盖范围广、服务成本低、能耗低等特点。这些特性使得ZETA LPWAN模组非常适合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。
高性能与扩展性：ZETA技术通过重新定义OSI参考模型中的物理层、数据链路层和网络层，实现了更高速率、更广覆盖和更好扩展性。与同类LPWAN技术相比，ZETA在通讯距离、穿透性和数据丢失率等方面表现出色，能够大幅降低应用落地成本。

2、安全性

高安全加密技术：ZETA LPWAN模组采用RSA非对称加密、AES加密算法、HMACMD5鉴权算法等技术，确保数据传输过程中的安全性和完整性。这些加密技术使得ZETA模组可应用于对安全自主要求较高的领域。

3、体积与功耗

小型化与低功耗：ZETA通讯模组体积小巧（如17.715.82.0mm），适用于对功耗和体积要求严苛的场景，如手表、手环、胸卡等可穿戴设备。同时，模组支持不同的功耗模式（如深度睡眠、普通睡眠、待机），进一步降低了能耗。

4、广泛应用场景

多领域应用：ZETA LPWAN模组广泛应用于车载运输、智慧能源、无线支付、智能安防、智慧城市、无线网关、智能工业、智慧生活、智慧农业等多个领域。其强大的覆盖能力和低功耗特性使得ZETA模组成为物联网系统中不可或缺的一部分。

5、国产化与自主可控

全栈国产化：ZETA LPWAN通讯模组从技术到生产均实现了全栈国产化，这有助于提升国内物联网技术的自主可控能力。同时，与多家全球企业的深度合作也进一步增强了ZETA技术的国际竞争力。

综上所述，物联网系统中使用ZETA LPWAN模组的原因主要包括其技术优势、安全性、体积与功耗优势、广泛应用场景以及国产化与自主可控等方面。这些优势使得ZETA模组成为物联网系统中实现高效、安全、低成本连接的重要选择。

本文会再为大家详解无线通信模块家族中的一员——ZETA LPWAN模组

ZETA定义

ZETA是由纵行科技自主研发的低功耗物联网通信技术，通过自研Advanced M-FSK(®)无线通信基带，使ZETA能做到传统LPWAN技术的1/6功耗、1/8频谱占用压缩，同时最高速率提升了6倍。ZETA是全球首个支持分布式组网、首个为嵌入式端智能提供算法升级的LPWAN通讯标准，其愿景是通过持续的技术创新，研发10美分成本、10公里覆盖、10mw功耗甚至无源的窄带通信芯片IP，实现更下沉的LPWAN 2.0泛在物联。

03 ZETA通信技术原理

1、物理层设计

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3.8KHz，支持100/300/600bps的典型通信速率，最大速率可支持到50kbps。这种超窄带通信方式使得Zeta技术能够在保持低功耗的同时，实现远距离的数据传输。
Advanced M-FSK调制方式：Zeta技术采用Advanced M-FSK调制方式，该方式兼具Sigfox的窄带通信优势和LoRa的扩展性，可以在较小带宽中传输相对较高的速率。同时，Advanced M-FSK调制方式还具有很好的抗干扰特性，包括基于频谱扩展的信号干扰。

低功耗设计：

Zeta协议通过多种低功耗设计来降低设备的能耗，如深度休眠、分时隙上行等。这些设计使得Zeta设备在不需要传输数据时能够进入低功耗休眠状态，从而延长电池寿命。

2、数据链路层设计

双向通信：

Zeta协议支持上行和下行双向通信。上行通信主要用于传感器数据采集和上报，下行通信则用于配置、查询和控制等操作。这种双向通信能力使得Zeta技术能够应用于更复杂的物联网场景。

协议多样性：

Zeta技术提供了多种协议以应对不同的应用场景需求，如ZETA-P（低时延）、ZETA-S（时频复用）、ZETA-G（协议精简）等。这些协议在数据传输速率、覆盖范围、功耗等方面各有侧重，以满足不同场景下的需求。

3、网络层设计

网络架构：

Zeta网络架构为典型的星型拓扑，但为了面向多种物联网场景并降低落地成本和难度，Zeta网络还创新地实现了树状MESH架构。这种架构包含AP、智能路由、终端和管理平台等节点，通过智能路由的引入进一步扩展了覆盖范围并提高了网络灵活性。

设备鉴权与安全：

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。设备接入时需要进行接入鉴权以避免非Zeta终端接入网络。同时采用轻量级加密算法Keeloq对报文数据域进行加密以保证数据传输的安全性。

4、工作原理

数据传输流程：

当Zeta设备产生数据时，会立即进行发送（在ZETA-P协议中）。数据通过无线信号传输到最近的AP或智能路由节点，然后经过多跳传输最终到达管理平台。管理平台可以对数据进行处理和分析，并通过下行通信向终端发送控制指令。

网络同步与维护：

为了维持网络的稳定性和可靠性，Zeta网络需要进行定期的网络同步和维护。例如，节点设备需要定期向管理平台发送心跳包以确认其在线状态；管理平台也会通过下行指令对节点设备进行配置和更新等操作

04 ZETA技术特性

1、成本：

Zeta技术通过自研Advanced M-FSK无线通信基带，实现了传统LPWAN技术的低成本优势。据资料显示，Zeta技术的成本约为传统LPWAN技术的1/10，这使得它在物联网大规模部署时具有显著的经济性。

2、功耗：

Zeta技术在功耗方面表现出色，仅为传统LPWAN技术的1/6。这种低功耗特性使得Zeta设备能够长时间运行而无需频繁更换电池，降低了维护成本。

3、频谱占用：

Zeta技术的频谱占用压缩至传统LPWAN技术的1/8，这意味着在相同的频谱资源下，Zeta技术可以支持更多的设备连接，提高了频谱资源的利用率。

4、通信速率：

Zeta技术在通信速率上有所提升，最高速率可达50kbps，相比传统LPWAN技术提升了6倍。这使得Zeta技术在需要较高数据传输速率的物联网应用中具有优势。

5、覆盖范围：

Zeta技术支持多级智能路由，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、通信加密算法等方式确保网络协议及数据安全。这使得Zeta技术在需要远距离通信和广泛覆盖的物联网场景中更具竞争力。

05 ZETA协议与标准

协议多样性：Zeta技术提供了多种协议模式（如ZETA-P、-S、-G、-H），以支持不同应用场景下的需求。这种灵活性使得Zeta技术能够更好地适应物联网市场的多样化需求。
完全国产自研：Zeta技术是完全由国内企业自主研发的，具有全国产知识产权认证及资质。这避免了关键技术被国外厂商卡脖子的风险，提高了供应链的可靠性和安全性。

06 ZETA优势

1、国产自主标准

全栈国产化：ZETA通信技术实现了模组、芯片、协议、终端及云平台的全栈国产化，避免了关键技术被人卡脖子的问题，供应链更安全可靠。这一优势在当前国际环境复杂多变的背景下显得尤为重要。
政策支持：由于ZETA是国产自主标准，因此在政策上可能获得更多的支持，有助于其在国内市场的推广和应用。

2、技术性能优越

分布式组网：ZETA技术支持分布式组网，网络覆盖效果更好、布网更灵活、网络成本更低。这种组网方式使得ZETA能够更好地适应各种复杂的网络环境，提高网络的可靠性和稳定性。
超窄带技术：ZETA采用超窄带技术，通讯抗干扰性更强，频谱资源占用更节约。这有助于在有限的频谱资源下实现更高效的通信，降低通信成本。
高接收灵敏度：ZETA的接收灵敏度最高可达-149.2dBm，这一指标优于其他LPWAN技术，使得ZETA在远距离通信中具有更好的表现。

3、经济节能

低功耗：ZETA技术具有低功耗的特点，使得物联网设备在休眠模式下的耗电非常少，有助于延长设备的电池寿命。根据相关数据，使用ZETA技术的物联网设备的电池寿命预计为5到10年。
低成本：ZETA技术通过优化通信协议和硬件设计，降低了通信成本和设备成本。同时，由于其低功耗特性，也降低了设备的维护成本和能源消耗成本。

4、应用场景广泛

多协议支持：ZETA支持多种协议模式（如ZETA-P/S/G/H），能够根据不同的应用场景进行灵活配置和定制。这种灵活性使得ZETA能够适用于更多行业、更多应用场景。
快速部署：ZETA技术在传统LPWAN的穿透性能基础上，进一步通过分布式接入机制实现快速部署。这种快速部署能力有助于缩短项目周期，提高项目效率。

5、安全性高

强安全特性：ZETA通信技术具有强安全特性，能够保障数据传输的安全性和可靠性。这对于需要高安全性的应用场景（如金融、医疗等）尤为重要。

07 ZETA劣势

1、技术成熟度与标准化

技术成熟度：
- 相对于一些已经广泛应用多年的LPWAN技术（如LoRa、NB-IoT等），Zeta技术可能还处于相对较为新兴的阶段。因此，其技术成熟度可能相对较低，需要更多的实际应用和验证来不断完善。
标准化程度：
- 尽管Zeta技术已经拥有全国产知识产权认证及资质，但在国际标准化方面可能还有待进一步推进。标准化程度的高低直接影响到技术的互操作性和市场接受度。

2、网络覆盖与部署

网络覆盖：
- 虽然Zeta技术支持多级智能路由以扩展覆盖范围，但在一些极端或特殊环境下（如深山、地下室等），其网络覆盖能力可能仍然受限。

3、部署成本：

虽然Zeta技术本身具有低成本优势，但在实际部署过程中，可能还需要考虑网关、智能路由等基础设施的建设和维护成本。这些成本可能会因具体应用场景的不同而有所差异。

4、性能与限制

通信速率：
- 尽管Zeta技术在通信速率上有所提升，但与一些高速率的无线通信技术相比（如5G、Wi-Fi等），其通信速率仍然相对较低。这可能会限制其在需要高速数据传输的应用场景中的使用。
数据延迟：
- 由于Zeta技术采用低功耗设计，其数据传输可能会存在一定的延迟。这种延迟对于某些对实时性要求较高的应用场景（如远程控制、实时监控等）可能会带来一定的影响。
设备兼容性：
- 由于Zeta技术是自研技术，其设备兼容性可能相对有限。这意味着在与其他厂商的设备或系统进行集成时，可能需要更多的适配和调试工作。

5、安全性与隐私

安全性：
- 尽管Zeta技术采用了多种安全措施来确保数据传输的安全性，但在面对复杂多变的网络攻击时，其安全性仍然需要不断加强和完善。
隐私保护：
- 在物联网应用中，隐私保护是一个重要的问题。Zeta技术需要更加关注用户数据的隐私保护，避免数据泄露和滥用。

08 ZETA各通信参数指标关系

不过，对于某些领域的应用，距离、速率、功耗等这些要求都会有所不同，很难通过一种特定的技术来满足所有应用的要求，例如：在无线通信领域，想要降低数据传输的时延，往往需要提高传输的数据速率，但是数据速率也并非越高越好，速率越高信号就越容易产生衰减，导致传输距离就会变短。

相反，如果想要更广的信号覆盖，就需要降低信号传输的速率或者提高信号发射的功率，但是功率的提高又会带来功耗的增加。还有，很重要的一点就是频谱资源，频谱资源是有限的，非常珍贵，通常由国家严格管理。传输速率的提高往往也会消耗更多的频谱资源，想要传输更多的上行数据，就需要牺牲一点下行资源，相反亦然。所以，如何管理、利用好资源来传输更多的应用数据也极其关键。

09 ZETA通信协议与场景关系

对于覆盖范围和电池寿命比较敏感的应用，如智慧农业，在对温度、湿度、光照等环境参数采集时，我们不需要太实时的关注这些采集数据，通常只要几十分钟内能感知到就行，更关注的是设备的电池寿命，传输距离以此来减少我们的布网成本。这个时候，我们就需要有一套能满足这种应用的广覆盖、低功耗、低成本的系统。

对于设备控制敏感的应用，如工业或者电网系统的智能表具控制，通常需要非常实时的控制或者采集数据，时延在秒级以内。这个时候就要提高数据速率跟实时监听下行数据，因此需要牺牲功耗跟覆盖范围来满足低时延的要求，所以就需要有对时延、上下行资源严格控制的系统来满足这种应用。

对于成本敏感的应用，如物流托盘资产管理/货物跟踪场景，通常我们只关心货物在不在，在哪里，并不需要对其有任何控制，设备的电量需要有一定的保障，最主要的成本需要非常低，成本效益极其关键，这个时候我们就可以牺牲掉下行资源来达到极低的功耗跟硬件成本。

对于设备量、数据量敏感的应用，如果智慧城市、智慧园区的布网中需要很多的传感器设备如温度、湿度、水压、水流、烟感等，设备量往往比较多；数据传输的频率也比较高，有可能几分钟就需要传输一次上行数据，对下行控制的需求也不会太频繁。这时候就需要一套系统能合理的管理数据的传输、降低数据冲突的概率，并且保证数据的可靠性、安全性。

因此，我们需要有不同的物联网协议来实现物联设备更顺畅的通信。基于此，纵行科技推出了 5 大物联网通信协议。本文将分别介绍各个 ZETA 协议的特点，以帮助大家选择哪种协议更适合您的物联网项目。

ZETA-P (Panging)：Mesh 自组网、低时延、基于 Alopha 协议设计、远程批量升级。
ZETA-S (Time Synchronized Multi-hop)：Mesh 自组网、TDM 系统、低碰撞率、远程批量升级。
ZETA-G(taG)：仅单向上行、极低成本。
ZETA-C(Controlling)：Mesh 自组网、下行链路优先、具有多播、轮询功能、远程批量升级。
ZETA-H（High Data Rate）：Mesh 自组网、大帧数据传输、资源调度、远程批量升级。

5 种 ZETA 协议详情介绍

01 ZETA-P 协议

接入网络：模块将在访问网络时选择最佳的 AP 路由。

网络自愈：网络不稳定的网络设备将自动优化其路由。

数据上行：只要产生数据，就立即发送。

数据下行: 两种接收下行模式，ACK 下行：仅在上行传输后接收数据，省电模式；实时下行：始终从云上接收数据，功耗高。

树状拓扑：低功率网状中继可以建立最多 4 跳树式网络。

02 ZETA-S 协议

接入网络：模块将在访问网络时选择最佳的 AP 路由，入网成功后获取工作时隙跟频率。

网络自愈：网络不稳定的网络设备将自动优化其路由。

数据上行：模块在分配的时隙和分配的工作频率下传输数据。

数据下行: 两种接收下行模式，ACK 下行：仅在上行传输后开启接收下行时隙接收数据，省电模式；实时下行：在指定时间内从云接收数据（时间在服务器上可配置）。

树状拓扑：低功率网状中继可以建立最多 3 跳树式网络。

03 ZETA-G 协议

接入网络：在服务器上进行数据合法性校验。

数据上行：模块在信道监听后发送数据（如果有多个 AP，则接收多个数据）MS 只用于发送数据，AP 只用于接收数据。

04 ZETA-H 协议

接入网络：模块将在访问网络时选择最佳的 AP 路由，入网成功后获取工作时隙跟频率。

网络自愈：网络不稳定的网络设备将自动优化其路由。

数据上行：资源调度，模块需要发送上行数据时需要向 AP 进行资源请求，由 AP 完成资源调度，分配空口资源后才能上行。

数据下行: 寻呼下行降低功耗。

树状拓扑：低功率网状中继可以建立最多 2 跳树式网络。

05 ZETA-C 协议

接入网络：模块将在访问网络时选择最佳的 AP 路由，入网成功后获取工作时隙跟频率。

网络自愈：网络不稳定的网络设备将自动优化其路由。

数据上行：主动上行：模块在分配的时隙和分配的工作频率上传输数据。（较高延时）

轮询反馈：轮询指令后立即上行，频率资源由 AP 调度。（极低时延）

数据下行: 具有连续的接收下行窗口，实时从云上接收数据。（极低时延）

树状拓扑：网状中继最多可以建立 2 跳树式网络。

5 种 ZETA 协议参数指标

12 ZETA不同场景协议应用示例

智慧农业
在农业中，传感器设备需要较长的电池寿命。对于环境的变化通常不需要很实时，如温度、湿度的变化几十分钟或几个小时更新一次都可以接受，通常这些数据的数据量都比较小，并且不需要很实时的下行控制，ZETA-P 是很不错的选择。
智慧城市
在智慧城市的建设中，温度、湿度、水流、水质、漏水传感器设备也发挥着重要的作用，这些检测告警需要较实时地通知到管理部门及时响应，通常需要半小时左右上报一次数据。因此，对于设备量较多、单次上报数据量不大的场景，ZETA-S 是个很好的选择。
智慧工业
在工业领域中，对机械设备进行实时监控，进行预测性维护可防止生产线意外停机，避免造成较大损失。如果您需要采集边缘 AI 的原始数据（如设备振动数据），这些数据通常较大（几十 K 或几百 K），并且需要保证数据的准确性，ZETA-H 可以满足这种应用需求。
智能电网
在电网系统中，通常需要对各种表具进行实时的数据采集及控制。由于设备通常接着市电，功耗的要求不高，ZETA-C 的下行时延极低，可以很好的满足这种需求。
物流托盘资产管理/跟踪
目前，物流管理中需要跟踪托盘，以确定货物的位置和状况。在此场景中，设备成本和电池寿命是用户最关心的。ZETA-G 可以很好地满足这种需求，物流公司可以搭建自己的仓网来管理资产。同时，低成本的物流标签也可以配合纵行科技的高速公路网来实现货物的跟踪。