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ZigBee: Stand der Technik, Anwendungen und weiter Entwicklung

7. Oktober 2009, 11:00 Uhr |

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Fortsetzung des Artikels von Teil 3

ZigBee: Stand der Technik, Anwendungen und weiter Entwicklung

Die wichtigsten neuen Bestandteile sind Ergebnisse einer langwierigen Diskussion und betreffen vielfach Funktionen, die auch schon bei der ersten Standardisierung auf der Liste standen, dann aber zunächst nicht aufgenommen wurden. Verfügbar sind:

Eine verbesserte und dynamische Adressverwaltung, die die Anzahl der Teilnehmer in einem Netz deutlich steigert.
Die Verwendung von anwendungsbezogenen Gruppenadressen, die das Schalten von Gerätegruppen erlaubt. Diese Funktion ermöglicht z.B. die einfachere Umsetzung eines (One-to-Many-) Befehls wie „alle Lichter ausschalten“, der bislang auf einem recht aufwendigen Binding-Prozess basierte. In diesem Zusammenhang ist auch die optionale Verwendung von Source- Routing zu erwähnen, die mithilft, die Größe der Routing-Tabellen zu beschränken.
Die Möglichkeit, einen zentralen Knoten zu definieren, der als Datensenke für Statusmeldungen eingesetzt wird (Many-to-One).

Eine dynamische Frequenzanpassung (Frequency Agility), die die Koexistenz-Eigenschaften der ZigBee-Netzwerke im 2,4-GHz-Band deutlich verbessern hilft. Diese wird, ebenso wie die nun mögliche Auflösung von PAN-ID-Konflikten, vom Netzwerkkoordinator vorgegeben.

Hinzu kommt eine detailliertere Beschreibung des Inbetriebnahmevorgangs (Kommissionierung), der nun auch die direkte und vergleichsweise konsistente Integration von Sicherheitsfunktionen einschließt.

Ein erweiterter Sicherheitsmodus mit einer größeren Auswahl von Schlüsseln und besseren Übergabemechanismen.

Die Möglichkeit, Datenpakete auf mehrere aufeinanderfolgende Datenrahmen aufzuteilen (Fragmentierung).

Bedauerlich und problematisch ist bei dieser Entwicklung, dass die viel gepriesene Interoperabilität mit dem bisherigen ZigBee-2006-Standard nur möglich ist, wenn auf die wichtigen neuen Features verzichtet wird. Deswegen bietet sich ein gemischter Betrieb sinnvoll nur für die Endgeräte (end devices) an. Im Bereich der Netzwerkinfrastruktur (Router, Koordinator) wird auch von der ZigBee-Alliance ein einheitlicher Betrieb empfohlen.

Konsequenterweise werden von den Software-Herstellern praktisch nur noch ZigBee-PRO-basierte Protokollstacks vorangetrieben. Für die Entwicklungen, die noch nicht rechtzeitig umgestiegen sind, kann dies nun einen schmerzlichen Umstiegsprozess zur Folge haben.

Ebenfalls zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang, dass weitere wichtige funktionale Elemente auch im Funktionsumfang von ZigBee PRO noch nicht aufgenommen wurden. Insbesondere den Verzicht auf den Beacon-Modus auch in verteilten Netzen werden alle diejenigen mit Bedauern registrieren, die einen zeitsynchronisierten Betrieb mit energiesparenden oder energieautarken Routern anstreben. Diese sind nun weiterhin zunächst auf proprietäre Verfahren angewiesen.

Was kann „ZigBee Smart Energy“ (ZSE)?

Mit dem „ZigBee Smart Energy (ZSE) Profile“ positioniert sich der Standard auch als ein Wegbereiter für die Effizienzsteigerung bei der Energienutzung. Zusätzlich betritt er einen vielversprechenden, aber auch heiß umkämpften Anwendungsbereich, in dem sich in den letzten Jahren bereits zahlreiche proprietäre oder standardisierte Protokolle in Position gebracht haben. Für ZigBee spricht insbesondere die unmittelbare und protokollverwandte Integration mit anderen Anwendungen der Heim- und Gebäudeautomation.

Das ZSE-Profil positioniert sich als eine wesentliche Komponente für den gegenwärtigen und den zukünftigen Markterfolg von ZigBee. Es handelt sich um ein öffentliches Anwendungsprofil, das eine Reihe erwähnenswerter Eigenschaften mit sich bringt. Da es sich um ein öffentliches Anwendungsprofil handelt, wurde nur ein recht grundlegender Parametersatz in das Datenmodell aufgenommen. Es ist davon auszugehen, dass jede reale Entwicklung deutlich über diesen vordefinierten Parametersatz hinausgehen muss.

ZigBee ist auch ein Thema des

Wireless Congress 2009

Um der Vielzahl von potentiellen Varianten bei den Topologien und Besitzverhältnissen der Netzwerke gerecht zu werden, werden drei grundlegende Möglichkeiten vorgeschlagen:

ein Home Area Network (HAN), das eine Verbrauchseinheit umfasst und dem Energieversorger gehört bzw. von diesem betrieben wird (Utility Private HAN),
ein Neighbourhood Area Network (NAN), das mehrere benachbarte Verbrauchseinheiten umfasst und dem Energieversorger gehört bzw. von diesem betrieben wird (Utility Private NAN, Bild 2),
ein Home Area Network (HAN), das eine Verbrauchseinheit umfasst und dem Verbraucher gehört (Customer Private HAN).

Zur besseren Unterstützung dieser Netze auf Data Link Layern, die unter Umständen in unterschiedlichen administrativen Domänen liegen, wurde im Dezember 2008 auch die Task Group 4g im IEEE 802.15.4 mit dem Titel „Smart Utility Neighborhood“ gegründet.

Auf Grund der Problematik der Schlüsselverteilung bei der Inbetriebnahme wurde ein grundsätzlich sehr begrüßenswerter Schritt in Richtung asymmetrischer Kryptographie vollzogen (Post-Joining). Hierbei wurde auf die Ressourcen schonende Elliptic Curve Cryptography (ECC) zurückgegriffen, die sich für den Einsatz in kleinen Embedded-Systemen gut eignet. Allerdings wurde ein proprietäres und patentgeschütztes Zertifikatsformat ausgewählt, das von Certicom entwickelt wurde. Dieses Unternehmen agiert gleichzeitig auch als Zertifikatsautorität (Certificate Authority, CA).