Z-Wave – Smart Home Standard

Z-Wave ist ein internationaler Standard für die drahtlose Kommunikation im Bereich der Heimautomatisierung im Smart Home. Mit über 1.400 zertifizierten Produkten gehört das Z-Wave Öko-System zu den vielfältigsten am Markt. Die Besonderheiten, Vor- und Nachteile, sowie die Unterschiede zu den anderen weit verbreiteten Standards Zigbee und EnOcean beschreibt dieser Beitrag.

Die Historie von Z-Wave

Z-Wave ist ein seit 2001 von der dänischen Firma Zen-Sys entwickeltes Protokoll für die drahtlose Vernetzung von Komponenten im Smart-Home-Bereich. Von Beginn an wurde die Technik an Partner und Lizenznehmer vertrieben.

Seit dem Jahr 2005 wird die Vermarktung und Weiterentwicklung durch die Z-Wave Alliance vorangetrieben, zu deren Mitgliedern Branchengrößen wie LG, Bosch, Honeywell und D-Link gehören. 2009 wurde das Zen-Sys durch das US-Unternehmen Sigma Designs übernommen, das zusammen mit der Firma Mitsumi zu den einzigen Chip-Herstellern für Z-Wave-Transceiver (kombinierte Sende- und Empfangseinheit) zählt.

Merkmale von Z-Wave

Mit etwas Abstand betrachtet ähneln sich die unterschiedlichen Standards im Umfeld von Smart Homes und Heimautomatisierung. Schaut man jedoch ein bisschen genauer hin, dann unterscheiden sich die verschiedenen Ansätze merklich und auch wenn für den Endkunden nicht immer offensichtlich ist, sind die Details hilfreich, um die richtige Kaufentscheidung zu treffen. Das ist bei Z-Wave nicht anders, so dass die wesentlichen Merkmale von Z-Wave im Folgenden beschrieben werden.

Z-Wave funkt im Sub-GHz-Band

Das Lager drahtloser Technologien im Smart Home spaltet sich in zwei große Gruppen: Die einen funken im ISM-Band im Bereich von 2,4 GHZ, die anderen nutzen das SRD-Band unterhalb der GHz-Marke. Z-Wave gehört zum Sub-GHz-Lager und muss sich folglich den Frequenzbereich nicht mit Technologien wie z.B. WLAN und Bluetooth teilen.

Durch die Zugehörigkeit zur Sub-GHz-Fraktion sichert sich Z-Wave zwei wesentliche Vorteile:

• Geringere Störanfälligkeit

  Verglichen mit dem Frequenzbereich um 2,4 GHz ist der Bereich um 868 MHz deutlich weniger belastet. Zahlreiche Geräte und Technologien sorgen bei 2,4 GHz dafür, dass sich die Signale untereinander stören und es zu Verbindungsabbrüchen oder -störungen kommt. Zudem ist die Nutzung des SRD-Bandes hinsichtlich einer fairen Nutzung reglementiert. So darf ein Gerät innerhalb eines Zeitraums nur 1% der Zeit mit Senden verbringen. Den Rest der Zeit darf es nicht senden.

  Ergänzende Technologien wie Listen Before Talk (LBT) und Adaptive Frequency Agility (AFA) sorgen darüber hinaus für die Reduzierung von Kollisionen auf dem selben Frequenzband.

• Höhere Reichweite durch geringere Dämpfung

  Im Gegensatz zu Lichtwellen, können Funkwellen Materialien wie Holz und Beton durchdringen. Nur deshalb ist es möglich, innerhalb geschlossener Räume mit dem Handy zu telefonieren. Beim Durchdringen der Materialien verliert das Funksignal jedoch an Stärke und die Reichweite sinkt.

  Die Dämpfung ist dabei nicht nur vom Material, sondern auch von der Wellenlänge bzw. der Frequenz abhängig: Je höher die Frequenz ist, desto stärker fällt beim gleichen Material die Dämpfung aus. Dieser Umstand sichert Z-Wave mit einer Frequenz von 868 MHz einen Vorteil gegenüber den 2,4 GHz.

Unterschiedliche Frequenzen in unterschiedlichen Ländern

Wer sich für Z-Wave interessiert und beabsichtigt günstige Geräte aus Übersee zu beziehen, der wird spätestens bei der Inbetriebnahme eine Überraschung erleben. Denn obwohl das neue Gerät ebenfalls von Z-Wave zertifiziert ist, ist die reibungslose Integration in den heimischen Z-Wave-Verbund nicht sichergestellt. Der Grund hierfür ist die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen in unterschiedlichen Ländern.

Länder mit Z-Wave auf 868 MHz

Die eingangs erwähnte Frequenz von 868 MHz gilt nämlich nur in der EU und wird durch die CEPT gereglt. Welche Frequenz für die Nutzung freigegeben ist, ist Ländersache. In den USA funkt Z-Wave z.B. auf 908 MHz. Das sorgt dafür, dass gleiche Geräte für unterschiedliche Märkte (auch vom gleichen Hersteller) nicht miteinander kommunizieren können.

Wer sichergehen möchte, dass Grauimporte oder in Übersee gekaufte Geräte hierzulande funktionieren, der kann sich einen Überblick über die unterschiedlichen Frequenzen in unterschiedlichen Ländern informieren.

Hohe Abdeckung durch vermaschtes Netz

Im Betrieb spannen die Z-Wave-Geräte ein vermaschtes Netz auf, in dem ein Knoten mit einem oder mehreren anderen Knoten in Verbindung steht. Jeder Knoten kann dabei senden, empfangen oder weiterleiten und ermöglicht damit die Kommunikation zwischen Knoten, die selbst nicht miteinander verbunden sind. Die Reichweite und Abdeckung wird durch ein solches vermaschtes Netz erhöht.

Gleichzeitig steigt die Zuverlässigkeit des gesamten Netzes mit jedem weiteren Knoten, denn ein solches Netz ist selbstheilend. Fällt ein Konten/Gerät innerhalb des Netzwerks aus, werden die Daten einfach über die anderen zur Verfügung stehenden Knoten umgeleitet.

Nachrichten gehen nicht unbemerkt verloren

In einem Z-Wave-Netzwerk verlässt sich der Absender nicht darauf, dass seine Nachricht den Adressaten erreicht. Vielmehr wartet er, bis der Empfänger die Nachricht quittiert. Geschieht dieses Acknowledgment nicht innerhalb eines bestimmten Zeitfensters nach Absenden, schickt der Absender die Nachricht bis zu zwei Mal erneut. Wird der Adressat selbst beim dritten Mal nicht erreicht, kann die Kommunikation als fehlerhaft gemeldet werden.

Z-Wave steuert bis zu 232 Geräte im Smart Home

Ein Z-Wave-Netzwerk wird mit Hilfe von IDs organisiert, die jeder einzelne Knoten erhält. Die ID eines Knotens setzt sich dabei aus der Home-ID (zur Kennzeichnung des Netzwerks) und der Node-ID (zur Kennzeichnung des Knotens) zusammen.

Während in einem Z-Wave-Netzwerk die Home-ID an alle Knoten gleichermaßen verteilt wird, stehen für die Node-ID 8 Bit zur Kennzeichnung eines Knotens zur Verfügung. Somit können rein rechnerisch bis zu 256 Geräte im Netzwerk verwaltet werden. Die tatsächliche Anzahl liegt mit 232 Geräten ein wenig darunter, da bestimmte Node-ID reserviert sind und nicht durch Geräte genutzt werden können.