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 erarbeitet. Dem im Herbst 2002 gegründeten Verband gehören mittlerweile mehr als 400 Unternehmen an. Rund um die Allianz hat sich eine Community aus Chip-, Board-, Tools- und Softwareherstellern sowie Test- und Zertifikationsstellen gebildet, die Produkte und Dienstleistungen anbieten.

Die Hardware

Auf der physischen Schicht (Layer 1) sowie auf der Sicherungsschicht (Layer 2) nutzt der Standard die Beschreibungen des IEEE 802.15.4, den mittlerweile auch weitere Kommunikationsstandards der höheren Schichten verwenden – unter anderem 6LoWPan und Wireless Hart. Auch wenn dieser Ansatz den Vorteil hat, dass ein Kommunikationsprotokoll mit einer hohen Verbreitung und einer sehr umfangreichen Hardware-Unterstützung genutzt wird, führt dies zu einigen Missverständnissen und Herausforderungen: So spricht die Zigbee Alliance in eigenem Interesse immer von „Zigbee-Chips“, wenn IEEE-802.15.4-kompatible Transceiver vermarktet werden. Die Zahl der Anwendungen, die tatsächlich auf den höheren Ebenen die Zigbee-Protokolle nutzen, dürfte allerdings deutlich niedriger sein als die Millionen-Stückzahlen, die auf der Zigbee-Website erwähnt sind. Nichtsdestotrotz kann die Zigbee-Community auf Hardware-Unterstützung durch praktisch alle großen Embedded-Chip-Hersteller zurückgreifen. Diese Konkurrenzsituation hat sehr früh zu einem Preisverfall geführt.

Zigbee-fähig: Die LightLink-Birne von Philips.

© Hochschule Offenburg

Des Weiteren ist die Entwicklung des IEEE-802.15.4-Standards – spätestens seit der Übernahme der 2006er Spezifikation – unabhängig von der Entwicklung des Zigbee-Standards. So wartet die Sub-GHz-Variante (868/915 MHz) seit Jahren auf eine Unterstützung von Seiten der Zigbee Alliance. Auch die neuen Frequenzbereiche aus dem IEEE 802.15.4c und d für Anwendungen in China und Japan haben bislang keinen Eingang in die Standardisierung auf Zigbee-Ebene geführt.

Gleiches gilt für die aktuellen Erweiterungen im IEEE-802.15.4e-Substandard, der insbesondere für komplexe Anwendungen im Smart-Metering-Bereich ausgelegt wurde.
Eine besondere Rolle spielen last but not least die Spezifikationen rund um RF4CE (Radio Frequency for Consumer Electronics), die ebenfalls in der Zigbee Alliance erarbeitet werden, aber nur L1 und Teile des L2 nutzen.

Auf der Netzwerkschicht stehen grundsätzlich zwei Varianten zur Verfügung: Bislang nutzen fast alle Anwendungsprofile den originalen Zigbee-Netzwerk-(NWK)-Layer. Einzige Ausnahme ist das Zigbee-Smart-Energy-2.0-Profil (SEP2.0), das einen alternativen IPv6-basierten Netzwerk-Layer verwendet. Dies führt dazu, dass sich Netze, die unterschiedliche Protokollstapel verwenden, nicht mehr verschalten lassen. Es steht zu befürchten, dass dies der notwendigen Verbindung benachbarter Anwendungsfelder, wie zum Beispiel Smart Metering und Heimautomatisierung, zusätzlich im Wege steht.

Allerdings lassen sich die unterschiedlichen Netze auch bei durchgängiger Verwendung des Zigbee-Protokoll­stapels aufgrund der unterschiedlichen Parametersätze nicht problemlos integ­rieren.

Die Applikationsschicht

Eine wesentliche Voraussetzung für den Markterfolg ist die Applikationsschicht, die die Anbindung an die Anwendungssoftware darstellt. Dabei verfolgt die Zigbee Alliance eine doppelte Strategie: Auf der einen Seite werden Anwendungsprofile definiert. Dies widerspricht dem modularen Ansatz der hierarchischen Kommunikationsprotokollschichten dahingehend, als ein Einsatz dieser Anwendungsprotokolle nur über die niedrigeren Schichten des Zigbee-Protokollstapels möglich ist. Zuweilen drängt sich der Eindruck auf, dass hier aus politischen Gründen noch einmal ein medienabhängiges Anwendungsprotokoll entwickelt werden muss.

Die unterschiedlichen Kommunikationsprotokolle und Anwendungsprofile.

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Auf der anderen Seite sind die Beispiele positiv zu vermerken, bei denen die Zigbee Alliance mit anderen Allianzen und Vereinigungen zusammenarbeitet und „bereits erfundene Räder“ übernimmt. Ein Beispiel ist das Zigbee Health Care Profile (HCP), das die Anwendungsbeschreibungen des IEEE 11073 (entwickelt von der Continua Alliance) übernommen hat. Die gleichen Profile sind auch über beliebige IP-basierte Netze oder über Bluetooth übertragbar.

Andere Kooperationen aus dem Bereich Smart Home sind auf den Weg gebracht, aber bis dato nicht operativ genug.

Zentrale Bedeutung für die gesamten Zigbee-Aktivitäten haben die Entwicklungen für das Smart-Energy-Profil: Diese Bedeutung ist einerseits auf die Chancen zu beziehen, die dieser Markt mit seinen potenziell sehr hohen Stückzahlen, seinen komplexen Netzstrukturen und möglichen Erweiterungen bietet, zum anderen aber auch auf die technischen Entwicklungen, die im Rahmen der Standardisierung umgesetzt werden konnten. Hier sind neben der möglichen Integration der IPv6-Netzwerkschicht die Sicherheitslösungen zu nennen, die die sichere Aushandlung von Schlüsseln auf der Grundlage asymmetrischer Kryptographie einschließt.

Besondere Erwähnung verdienen die aktuellen Entwicklungen zum Light-Link-Profil, mit denen Zigbee in gewisser Weise zu seinen Wurzeln zurückkehrt, war doch die Firma Philips mit ihrem Lampengeschäft ursprünglich ein wesentlicher Treiber für die Gründung der Zigbee-Allianz. Allerdings haben sich die Hersteller von Lichtsystemen danach lange Zeit im Hintergrund gehalten. In Kombination der Verfügbarkeit immer günstigeren Siliziums einerseits und neuer Leuchtmittel andererseits – die zusätzliche Funktionen ermöglichen wie etwa die Einstellung der Lichtfarbe, längere Lebensdauer erreichen und damit verbunden die Chance bieten, höhere Preise umzusetzen – erscheint eine Kommunikationsanbindung aber nun sinnvoll und eigentlich unumgänglich. Entsprechend groß ist der Impetus, der gegenwärtig in diesem Umfeld zu spüren ist: Erste zertifizierte Produkte sind in den USA bereits auf dem Markt, wenn auch noch zu hohen Preisen: 60 US-Dollar für einen Glühbirnen-Ersatz ist sicherlich erst einmal ein Liebhaberpreis.

Das Zigbee-Eco-System

Die akademische Begeisterung, die den kostengünstigen standardisierten Funksystemen zunächst entgegengebracht wurde, ist im Allgemeinen abgeklungen. Dazu müssten quelloffene Lösungen bereitstehen. Alle Versuche, solche in der Community zu entwickeln, sind bislang gescheitert.

Doch Zigbee hat im letzten Jahrzehnt mindestens ein Ziel erreicht: Mit seinen vielfachen Marketing-Aktivitäten hat die Alliance den Markt für standardisierte Kurzstreckenfunksysteme vorbereitet. In Bereichen wie etwa dem Smart Metering stellt sich heute kaum mehr die Frage, ob herstellerspezifische Lösungen Grundlage einer strategischen Entwicklung sein sollen.

Allerdings hat das Zigbee-Eco-System mit seinen frühen Marketing-Aktivitäten und der in vielen Fällen viel zu späten Produktverfügbarkeit auch die Konkurrenten auf den Plan gerufen, die viel Zeit hatten, sich vorzubereiten und „in Stellung“ zu bringen. In diesem Zusammenhang fällt es dem Zigbee-Standard mit seinem generischen Ansatz des anwendungsübergreifenden Standards ohne tiefe Verwurzelung in mindestens einem Markt schwer, sich gegen branchenspezifische Lösungen durchzusetzen. Einige Beispiele:

■ Im Bereich der Prozessautomatisierung hat der verwandte, in seinen Varianten aber überflüssige Dreiklang aus Wireless Hart, ISA100.11 und WIA-PA weltweit die besten Chancen, den Bereich der langsamen, zuverlässigen Kommunikationssysteme komplett abzudecken.
■ Für Anwendungen aus der Industrieautomation spielt das von der Profibus Nutzerorganisation (PNO) standardisierte WSN als Abkömmling des WISA-Systems eine zentrale Rolle. Allerdings ist die schnelle Industrieautomation – nicht zuletzt wegen der vielfach sehr speziellen Anforderungen im Grenzbereich des technisch Machbaren – noch von vielen herstellerspezifischen Sonderlösungen geprägt.
■ Im Bereich der Gebäudeautomation hat sich EnOcean mit seinen energieautarken Funksystemen eine stabile Ausgangsposition erarbeitet.

Mit der Heimautomatisierung und den Lösungen für die Primärkommunikation des Smart Grid bleiben aber weiterhin mindestens zwei potenzielle, attraktive Märkte. Wenn sich zwar auch in diesen Märkten Konkurrenten tummeln, haben sich hier Zigbee-basierte Produkte und Architekturen eine solche Position erarbeitet, dass davon ausgegangen werden kann, dass sie in diesen Märkten mindestens eine wichtige, wenn nicht eine zentrale Rolle spielen werden.

Die Zukunft wird klären, ob es nicht einer parallelen Aktivität rund um den IPv6-basierten 6LoWPAN-Standard (IPv6 over Low power WPAN) der IETF (Internet Engineering Task Force) gelingen wird, die Vorreiter-Rolle einzunehmen.

Autor: Dr. Axel Sikora ist Professor für Embedded Systems und Kommunikationselektronik an der Hochschule Offenburg.