Zigbee

Zigbee ist ein auf dem IEEE-Standard 802.15.4 basierender, weit verbreiteter Funkstandard, der insbesondere aufgrund seiner Energieeffizienz im Smart-Home-Bereich Anwendung findet.

Zigbee Logo (Bildquelle: www.zigbee.org)

Der Zigbee Funkstandard wurde erstmalig im Jahr 2004 von der gleichnamigen Zigbee Alliance veröffentlicht. Der aktuell rund 450 Mitglieder fassende Zusammenschluss hat zum Ziel, den Standard voranzutreiben und zu etablieren. Internationale Konzerne und Branchengrößen wie z.B. Philips, LG, Samsung, Siemens und Sony (vollständige Liste der Mitglieder) sind Teil dieser Allianz.

Technische Grundlagen

Wie eingangs benannt, bildet der IEEE-Standard 802.15.4 die technische Grundlage für den Zigbee Funkstandard. Der IEEE-Standard beschreibt ein Übertragungsprotokoll, das für die drahtlose Datenübermittlung in einem WPAN (Wireless Personal Area Network) – also einem privaten Netzwerk mit überschaubaren Ausmaßen – konzipiert ist.

Das Besondere an diesem Standard ist, dass von Beginn an auf besondere Energieeffizienz, günstige Herstellungs- und Betriebskosten geachtet wurde.

Die Beschreibung des Standards IEEE 802.15.4 orientiert sich am ISO/OSI-Referenzmodell für Netzwerkprotokolle.

Exkurs: ISO/OSI-Referenzmodell

Auch wenn der Name sehr akademisch und kompliziert klingt, ist die Idee des Referenzmodells doch schnell erklärt: Das OSI-Referenzmodell (OSI – Open Systems Interconnection) beschreibt, wie Netzwerkkommunikation in unterschiedliche Schichten unterteilt werden kann.

Die Unterteilung hat zum Ziel, die Komplexität von Netzwerkkommunikation und deren Beschreibung zu reduzieren und jeder Schicht in diesem Modell einen bestimmten Aspekte zuzuschreiben. Ein solch einzelner Aspekt kann dann möglichst losgelöst und einfach beschrieben werden.

Eine Schicht, die im Modell weiter oben ist, darf den Funktionsumfang der darunterliegenden Schichten nutzen. Umgekehrt soll diese Abhängikeit nicht funktioneren, d.h. eine untere Schicht hat keine Kenntnis von den abstrakteren (also weiter oben liegenden) Schichten und darf folglich nicht auf diese zugreifen.

Umfang von IEEE 802.15.4

Wirft man einen Blick in die Definition von IEEE 802.15.4, stellt man fest, dass dort nur die untersten beiden Schichten aus dem ISO/OSI-Referenzmodell beschrieben werden – die Bitübertragungsschicht (PHY) und ein Teil der Sicherungsschicht (MAC).

Lange Rede, kurzer Sinn: der IEEE-802.15.4-Standard beschreibt lediglich, über welches Medium (nämlich drahtlos per Funk) die Daten ausgetauscht werden und wie sichergestellt wird, dass die Daten fehlerfrei beim Empfänger ankommen.

Natürlich steht in dem IEEE-Standard 802.15.4 noch eine ganze Menge mehr an Details, aber für das Verständnis hier soll es reichen.

Zigbee erweitert IEEE 802.15.4

Wenn man berücksichtigt, dass für ein Smart-Home-Netzwerk mehr Aspekte als nur die fehlerfreie Datenübertragung notwendig sind, wird schnell klar, dass der IEEE-Standard alleine nicht als Protokoll für die Übertragung von Daten in einem Smart Home ausreicht.

In einem Smart-Home-Netzwerk sind z.B. das Routing von Datenpaketen und die Sicherheit des Netzwerks von besonderem Interesse. Beides sind Aspekte, die im IEEE-Standard nicht festgeschrieben sind.

Hier kommt Zigbee ins Spiel und erweitert den Standard 802.15.4 um zwei weitere Schichten aus dem OSI-Modell. Dabei handelt es sich um die Netzwerkschicht und die Anwendungsschicht.

Aufbau von Zigbee-Netzwerken

Ein Netzwerk besteht aus Knoten, die untereinander verbunden sind. Das ist bei einem Smart-Home-Netzwerk mit Zigbee nicht anders. Ein Knoten ist dabei ein Gerät und in Abhängigkeit davon, welche Aufgaben dieses Gerät im Netzwerk wahrnimmt, können drei Arten von Geräten unterschieden werden:

• Zigbee End Device
• Zigbee Router
• Zigbee Coordinator

Zigbee End Device (ZD)

Ein Zigbee End Device (Endgerät) ist ein Gerät, welches Daten im Netzwerk über die mit ihm verbundenen Knoten verschickt, selbst aber keine Daten entgegennimmt und an andere Knoten weiterleitet. Aus diesem Grund muss ein End Device immer mit einem Zigbee Router oder einem Zigbee Coordinator verbunden sein.

Eine Verbindung mit einem weiteren End Device ergibt keinen Sinn, da dieser Knoten keine Informationen entgegennehmen und weiterleiten würde – weder vom anderen End Device, noch für das andere End Device.

Der Funktionsumfang eines End Devices ist somit begrenzt und im Sinne von IEEE 802.15.4 ein Reduced-Function Device (RFD), das Daten senden, einem Netzwerk beitreten oder es verlassen kann. Der Aufbau und die Komplexität solcher Geräte sind entsprechend einfach, die Herstellungskosten geringer und der Energiebedarf im Betrieb niedrig.

Je nachdem, wie sich das Gerät verhält, spricht man von „normalen“ End Devices, Sleepy End Devices (schläfriges Endgerät) und Mobile End Devices (mobiles Endgerät).

Ein „normales“ End Device sendet fortlaufend Funksignale, während ein Sleepy End Device den Funkbetrieb aussetzen kann, um Energie zu sparen und ggf. über Monate und Jahre hinweg mit einer Batterie betrieben zu werden. Ein Mobile End Device ist eine Sonderform des Sleepy End Device und kann sich schnell geeignete Knoten als neue Elternknoten im Netzwerk suchen, wenn der Standort des Gerätes verändert wurde.

Zigbee Router (ZR)

Im Gegensatz zum End Device ist ein Zigbee Router ein Gerät mit vollem Funktionsumfang (im Sinne von IEEE 802.15.4 ein Full-Function Device (FFD)) und für die Übertragung von Nachrichten im Netzwerk zuständig. Dabei ist dieser Netzwerkknoten nicht zwingend selbst Absender oder Empfänger einer Nachricht. Ein Zigbee Router kann Nachrichten nicht nur weiterleiten, sondern darüber hinaus selbst eigene Nachrichten senden und empfangen. Die Netzwerktopologie (also der Aufbau der Verbindungen in einem Netzwerk) entspricht einem vermaschten Netz.

Zigbee-Network: Mesh-Topologie

Durch die Weitergabe von Nachrichten von Knoten zu Knoten kann die Kommunikation selbst zwischen solchen Knoten realisiert werden, die – z.B. aufgrund der Entfernung voneinander – nicht direkt miteinander in Kontakt stehen.

Aufgrund der Bedeutung eines Zigbee Routers für den Nachrichtenverkehr im Netzwerk, können Router in der Regel den Funkbetrieb nicht aussetzen, sondern müssen stets „ansprechbar“ sein. Aus diesem Grund ist auch der Energiebedarf von Router-Knoten höher und eine stete Versorgung zwingende Voraussetzung. Zigbee Router sind daher stets netzgebundene Geräte.

Zigbee Coordinator (ZC)

Grundlage eines jeden Zigbee-Netzwerks ist ein Zigbee Coordinator. Dieser besondere Knoten ist dafür zuständig, ein Zigbee-Netzwerk zu erstellen und aufzuspannen. Zu seinen Kernaufgaben gehören das Festlegen des Funkkanals, sowie die Auswahl der PAN-ID, um das Netzwerk eindeutig zu identifizieren.

Zigbee-Network: Stern-Topologie

Nach dem Aufbau des Netzwerks, übernimmt der Coordinator die Aufgaben eines Routers.