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Ausblick

Hartnäckiger Fortschritt bei ZigBee

14. November 2013, 11:48 Uhr | Von Prof. Dr.-Ing. Axel Sikora

ZigBee Alliance/Elektronik

In den mittlerweile elf Jahren seit der Gründung der ZigBee Alliance sind viele technische Entwicklungen auf den Weg gebracht worden. Diese werden hier zusammenfassend dargestellt, zusammen mit einer Übersicht der gegenwärtigen und mit einem Ausblick auf die zukünftigen Aktivitäten. Hierbei stellt sich insbesondere die Frage, welche weiteren Schritte für einen breiten Markterfolg in der Konkurrenz mit alternativen Protokollen notwendig sind.

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Der ZigBee-Standard beschreibt Netzwerkschicht (Layer 3) bis Anwendungsschicht (Layer 7) des ISO-OSI-Referenzmodells und ist ausgerichtet auf drahtlos vernetzte Sensor- und Aktorsysteme für Anwendungen aus der Heim- und Gebäudeautomatisierung. Der Standard wird im Rahmen der ZigBee Alliance (ZA) erarbeitet, einem Verband von mittlerweile mehr als 400 Unternehmen, der sich vor nunmehr elf Jahren im Herbst 2002 aus einigen Vorläuferaktivitäten entwickelt hat. Rund um diese Allianz hat sich eine umfangreiche Community aus Chip-, Board-, Tools- und Software-Herstellern sowie Test- und Zertifikationsstellen gebildet, die Produkte und Dienstleistungen anbieten.

Der ZigBee-Standard - die Hardware (L1 und L2)

Der Standard nutzt auf der physischen Schichten (Layer 1, L1) und auf der Sicherungsschicht (Layer 2, L2) die Beschreibungen der Norm IEEE 802.15.4, die mittlerweile auch von einer Vielzahl von weiteren Kommunikationsstandards der höheren Schichten genutzt wird, u.a. von 6LoWPan und Wireless HART. Wenn dieser Ansatz auch den wesentlichen Vorteil hat, dass ein Kommunikationsprotokoll mit einer hohen Verbreitung und einer sehr umfangreichen Hardware-Unterstützung genutzt wird, führt dies auch zu einigen Missverständnissen und Herausforderungen:

Die ZA spricht in eigenem Interesse immer von ZigBee-Chips, wenn IEEE-802.15.4-kompatible Transceiver vermarktet werden. Die Anzahl der Anwendungen, die tatsächlich auf den höheren Ebenen die ZigBee-Protokolle nutzen, dürfte deutlich niedriger sein als die Millionenstückzahlen, die auf der ZigBee-Internetpräsenz immer wieder erwähnt sind. Nichtsdestoweniger kann die ZigBee Community auf eine exzellente Hardware-Unterstützung durch praktisch alle großen Embedded-Chiphersteller zurückgreifen. Diese Konkurrenzsituation hat - zur Freude der Kunden, zum Leidwesen der Chiphersteller - auch schon sehr früh zu einem sehr kompetitiven Preisniveau geführt.
Die Entwicklung der IEEE-802.15.4-Norm ist - spätestens seit der Übernahme der 2006er-Spezifikation - unabhängig von der Entwicklung des ZigBee-Standards. So wartet die Sub-Gigahertz-Variante (868/915 MHz) seit Jahren auf eine Unterstützung von Seiten der ZA. Auch die neuen Frequenzbereiche aus dem IEEE 802.15.4c und d für Anwendungen in Japan und China haben bislang keinen Eingang in die Standardisierung auf ZigBee-Ebene geführt.
Gleiches gilt für die neuen MAC-Erweiterungen im IEEE-802.15.4e-Teilstandard, der insbesondere für komplexe, sowie für die zusätzlichen Management-Funktionen (Meter Access Side Communications) im IEEE 802.15.4g, die beide für Anwendungen im Smart-Metering-Bereich ausgelegt wurden.
Eine besondere Rolle spielen noch die Spezifikation rund um RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics), die mittlerweile ebenfalls in der ZA erarbeitet werden, die aber nur L1 und Teile des L2 nutzen.

Die Netzwerkschicht (L3)

Während der originale ZigBee-Netzwerk-(NWK)-Layer bislang von allen Anwendungsprofilen genutzt wird, wurde mit der Entwicklung des ZigBee-Smart-Energy-Profils in der Version 2.0 (SEP2.0) auf Drängen der US-amerikanischen Behörden ein alternativer Netzwerk-Layer spezifiziert. Diese Entwicklung, die auf dem IPv6-Protokoll basiert und als ZigBee IP vermarktet wird, ist deswegen bemerkenswert, weil zum einen die Verwendung eines IP-basierten Netzwerk-Layer bei der Erarbeitung der ursprünglichen Spezifikation schon einmal zu Diskussion stand. Sie wurde damals aber - nicht nur aus technischen Gründen - zugunsten eines spezifischen ZigBee-Netzwerk-Layer verworfen. Zum anderen führt das sogenannte ZigBee IP zu nicht mehr interoperablen Netzwerken.

Allerdings sei darauf hingewiesen, dass auch bei durchgängiger Verwendung des ZigBee-Protokollstapels aufgrund der unterschiedlichen Parametersätze die unterschiedlichen Netze nicht problemlos integriert werden können.

Deswegen sei hier noch einmal deutlich darauf hingewiesen, dass ZigBee IP in der gegenwärtig vorliegenden Fassung nur für das SEP2.0 verwendet werden kann. Bedauerlicherweise sind hier jedoch - aus Vermarktungsgründen - durchaus bewusst missverständliche Formulierungen und Beschreibungen im Umlauf.