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Funktechniken für Netzwerke

Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh im Vergleich

Ein Vergleich der Funktechniken in der Praxis
Ein Vergleich der Funktechniken in der Praxis.
© Alexander Kirch | Shutterstock

Welche Funktechnik ist besser geeignet? Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit von Bluetooth Mesh, Thread und Zigbee zeigt die Stärken und Schwächen der Funknetzwerke in der Praxis.

Den Entwicklern von Produkten für das Smart Home oder die intelligente Gebäudeautomatisierung stehen zahlreiche Funkprotokolle zur Verfügung. Derzeit beherrschen Zigbee, Z-Wave und proprietäre Funktechniken diese Märkte, andere wie Thread und Bluetooth Mesh sind neu auf dem Markt. Zwar sind auch Bluetooth Low Energy und WiFi in diesen Bereichen verbreitet, doch sie unterstützen keine vermaschten Netzwerke.

Unabhängig vom zugrunde liegenden Protokoll müssen die für IoT-Applikationen eingesetzten Funknetzwerke robust sein, und diese Robustheit kann durch Messung von Durchsatz, Latenz und Zuverlässigkeit quantitativ bestimmt werden, wobei diese Messungen beispielsweise auch von der Größe der Netzwerke abhängen sowie von anderen Anforderungen auf Systemebene.

Ein Universal-Netzwerk »für alles« gibt es nicht. Jedes Funkprotokoll bietet einzigartige Eigenschaften und Vorteile, je nach Endanwendung und Betriebsweise.

Zur Beurteilung der Funkprotokolle ist ein Verständnis der inneren Struktur der Vernetzung nötig, ein Vergleich anhand einer Liste von Schlüsselfunktionen reicht nicht aus.

Noch wichtiger ist, dass Entwickler verstehen müssen, wie sich diese Netzwerkprotokolle hinsichtlich Stromaufnahme, Durchsatz, Latenz, Skalierbarkeit, Sicherheit und Kompatibilität zum Internetprotokoll (IP) verhalten. Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh sind von Grund auf verschieden, und die Art und Weise der Implementierung des vermaschten Netzwerks kann die Leistungsfähigkeit sowie die Robustheit der Funkkommunikation beeinflussen.

Relevante Anbieter

Funk-Transceiver in Hülle und Fülle

Wireless SoCs – System-on-Chips mit integriertem Funk-Transceiver – sind mittlerweile preisgünstig genug, um unzähligen »Dingen« hinzugefügt zu werden, die hohe Zweckmäßigkeit, Sicherheit und Komfort in unserem Alltag bieten. Mit Funkschnittstelle wird ein »Ding« zum IoT-Gerät.

Viele der heutigen IoT-Geräte waren früher Gegenstände ohne eine Verbindung zum Internet. Veränderte Vorschriften und Verbrauchererwartungen zwingen Hersteller dazu, eine Vielzahl von Geräten und Systemen mit Funkschnittstelle auszustatten, sowohl um gesetzlichen Anforderungen zu genügen als auch um wettbewerbsfähig zu bleiben oder um neue potenzielle Einnahmequellen zu erschließen.

Entscheiden sich Entwickler für den Bau von IoT-Geräten, müssen sie beachten, wie das Endprodukt später verwendet wird und in welchem Wirtschaftsökosystem die Geräte arbeiten.

Arten von Funknetzwerken

Funknetzwerke für IoT-Anwendungen sind häufig als Sternnetz oder Maschennetz aufgebaut
Bild 1. Funknetzwerke für IoT-Anwendungen sind häufig als Sternnetz oder Maschennetz aufgebaut.
© Silicon Labs

Es gibt zwei grundlegende Arten unter den vielen konkurrierenden IoT-Funktechniken: vermaschte und sternförmige Funknetze (Bild 1). Ein vermaschtes Netzwerk wird in der Haus- und Gebäudeautomatisierung häufig gegenüber Sternnetzen bevorzugt, da ein vermaschtes Netzwerk auf viele Knoten erweiterbar ist und große Entfernungen abdecken kann.

Sternnetze basieren auf einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen einem Endknoten und einem zentralen Gerät.

Ein Sternnetz kann ausfallen, wenn sich die Umgebung nach der Installation des Netzwerks ändert.

Ein Maschennetz hingegen ist verteilt und selbstheilend. Ändert sich die Umgebung oder fällt ein Knoten aus, nachdem das Netzwerk installiert wurde, kann sich das Maschennetzwerk selbst heilen.

Netzwerke für die Heim- und Gebäude-Automatisierung?

Zigbee wird häufig in der Gebäude- und Heimautomatisierung eingesetzt, wobei in jüngster Zeit mit Thread und Bluetooth Mesh zwei alternative Funktechniken für diese Anwendungen in Betracht gezogen werden. Eine weitere Funktechnik für vermaschte Netzwerke, die auch in Smart-Home- und Gebäudesicherheits-Anwendungen beliebt ist, ist Z-Wave.

In die erste Leistungsanalyse vermaschter Funknetzwerke wurde Z-Wave allerdings nicht einbezogen, da der Protokollvergleich auf das 2,4-GHz-Band konzentriert wurde und somit auch die Wireless-Gecko-SoCs von Silicon Labs als einheitliche Plattform für die Tests dienen kann. Außerdem hatten die Autoren zum Zeitpunkt  des Tests keinen Zugriff auf ein vergleichbares Z-Wave-Testnetzwerk, um Z-Wave-Ergebnisse zu verifizieren.

Netzwerke der Heim- und Gebäudeautomatisierung umfassen Geräte, die unterschiedlich mit Energie versorgt werden: per Energy-Harvesting, Batterie und Netzteil.

Leuchten und Thermostate werden in der Regel vom Netz versorgt, da sie Teil der Gebäudeinfrastruktur sind; doch das bedeutet nicht, dass die Stromaufnahme außer Acht gelassen werden kann. Geräte, die Teil der Infrastruktur sind und mit Wechselstrom betrieben werden, müssen aufgrund neuer staatlicher Vorschriften, die die Energieaufnahme im Bereitschaftsbetrieb einschränken, sorgfältig verwaltet werden.

Batterien versorgen in der Regel Sensoren und Fernsteuerungen mit Strom.

Das bedeutet, dass ein vermaschtes Netzwerk, hinsichtlich der Stromversorgung der Knoten, zwei grundlegend verschiedene Anwendungsfälle beherrschen muss.

Einsatzszenarien

In der Heim- und Gebäudeautomatisierung gibt es viele Einsatzmöglichkeiten für vermaschte Netzwerke mit unterschiedlichem Anwender-Nutzwert:

Komfort

Ein Beispiel ist die Beleuchtungs-, Licht-, Heizungs- und Lüftungssteuerung in einem Theater oder Museum. Diese Installationen haben in der Regel Hunderte bis Tausende Knoten.

Die Leuchten und die Motoren für Vorhänge und Jalousien müssen präzise und genau nach Plan gesteuert werden – wie in einer Choreografie. Alle Lichter müssen gleichzeitig gedimmt werden und die Motoren für die Vorhänge, sollten alle eng aufeinander abgestimmt arbeiten. Selbst geringe Unterschiede sind für das Publikum erkennbar und würden das Erlebnis beeinträchtigen.

Ähnliche Anforderungen werden ans eigene Heimnetzwerk gestellt. Wenn eine Einstellung mit Beleuchtung und Jalousien programmiert wird, erwartet der Benutzer, dass sich alle Leuchten gleichzeitig verdunkeln und alle Jalousien im Gleichklang bewegen.

Sicherheit

Eine industrielle Umgebung wie ein Lagerhaus hat andere Anforderungen an die Beleuchtung als ein Theater.

Häufig werden in Industriehallen die Leuchten in einem Bereich gleichzeitig eingeschaltet. Es spielt jedoch grundsätzlich keine Rolle, ob die Leuchten synchron eingeschaltet werden oder ob es ein paar Sekunden dauert, bis alle Leuchten hell sind.

Andererseits spielt die Zeit aber doch eine Rolle, wenn nach einem Stromausfall bestimmte Leuchten schnell eingeschaltet werden müssen.

Zweckmäßigkeit

Ein Entwickler kann das Funknetz zum Steuern der Leuchten in einem Lagerhaus um zusätzliche Dienste ergänzen.

Dabei spielt es keine Rolle, ob in der Installation jede Leuchte im Gleichtakt eingeschaltet wird. Es könnte aber wesentlich sein, wie robust das Netzwerk ist, wenn ein Entwickler zusätzliche Dienste hinzufügen möchte.

Ein Dienst, der bei vermaschten Funknetzwerkinstallationen immer beliebter wird, ist die Nachverfolgung (Asset-Tracking).

In diesem Fall verlässt sich der Entwickler auf das Funknetzwerk zur Beleuchtungssteuerung, um auch Daten der zu verfolgenden Anlagen zu übertragen. Hier spielen Durchsatz und Latenz eine Rolle hinsichtlich der Frage, wie schnell sich die entsprechenden Informationen über das Netzwerk verbreiten.


  1. Zigbee, Thread und Bluetooth Mesh im Vergleich
  2. Welches Protokoll ist das Beste?
  3. Leistungsmerkmale

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Silicon Laboratories Inc., Silicon Laboratories GmbH