Definition

Was ist ZigBee?

| Autor / Redakteur: Stefan Luber / Andreas Donner

(© aga7ta - Fotolia)

ZigBee ist eine Technik zur drahtlosen Übertragung von Daten. Die Funktechnik ist optimiert für einen niedrigen Energieverbrauch und für die Kommunikation von Geräten der Haus- und Industrieautomation. Im Vergleich zu den WLAN-Standards ist die maximal erzielbare Datenrate sehr viel geringer.

Die Funknetztechnik ZigBee basiert auf den im Standard IEEE 802.15.4 spezifizierten Übertragungsschichten. Hauptanwendungsbereiche sind die Gebäudeautomation, Smart Homes, Automatisierungsprozesse der Industrie 4.0, M2M-Kommunikation (Machine-to-Machine-Kommunikation) und das Internet of Things (IoT). Mithilfe der Technik lassen sich Geräte im Nahbereich drahtlos miteinander vernetzen.

Zur Datenübertragung kommen lizenzfreie Funkbänder wie das 2,4-GHz-Band oder der 868-MHz-Bereich zum Einsatz. Je nach verwendeter Frequenz und eingesetzter Technik erreicht der Funkstandard Reichweiten zwischen zehn und hundert Metern. Die maximal erreichbare Datenrate liegt bei 250 Kilobit pro Sekunde und ist wesentlich geringer als bei den 802.11-WLAN-Standards oder Bluetooth.

Aufgrund der energieeffizienten Arbeitsweise eignet sich die Technik besonders für akku- oder batteriebetriebene Geräte. Neben Stern- und Baumstrukturen werden auch Mesh-Netzwerke unterstützt. Die im Jahr 2002 gegründete ZigBee-Alliance pflegt und entwickelt den Standard weiter. In der Alliance sind mehr als 200 Hersteller und Unternehmen zusammengeschlossen.

Die erste Spezifikation erschien 2004. Die Version 3.0 wurde im Jahr 2016 veröffentlicht. Entwickler und Hersteller können die Technik im Vergleich zu anderen Protokollen wie Z-Wave kostenfrei verwenden. Protokolle, mit denen die Technik in Konkurrenz steht, sind neben Z-Wave EnOcean oder Bluetooth LE (Low Energy).

Datenübertragungsraten und Frequenzbereiche

Die Funktechnik lässt sich in verschiedenen lizenzfreien Funkbändern betreiben. Es können beispielsweise die ISM-Bänder (Industrial, Scientific and Medical Bänder) 868 MHz, 915 MHz und 2,4 GHz zum Einsatz kommen. Von Region zu Region unterscheiden sich die nutzbaren Frequenzen teilweise. Während der 2,4-GHz-Bereich weltweit nutzbar ist, sind der 868-MHz-Bereich für Europa und der 915-MHz-Bereich für die USA vorgesehen. Je nach Sendeleistung und Frequenzbereich lassen sich maximale Reichweiten zwischen zehn und hundert Metern erzielen. Mesh-Netzwerke können sich damit über größere Entfernungen erstrecken. Im 2,4-GHz-Band stehen insgesamt zehn Kanäle zur Verfügung, die eine maximale Datenrate von bis zu 250 Kilobit pro Sekunde erlauben. Die nutzbare Kanalanzahl in den niederfrequenteren Bereichen ist geringer und hat niedrigere maximale Datenraten zur Folge.

Die verschiedenen Geräterollen

Die Geräte lassen sich aufgrund ihrer Funktion in drei verschiedene Kategorien unterteilen. Diese sind:

  • Endgeräte (ZED – ZigBee End Devices)
  • Router (ZR – ZigBee Router)
  • Koordinatoren (ZC – ZigBee Coordinator)

Endgeräte benötigen zum Betrieb in der Regel nur einen Teil der Spezifikation und werden von Batterien oder Akkus mit Energie versorgt. Die Geräte beteiligen sich nicht am Routing innerhalb eines Netzwerks und lassen sich in einen energiesparenden Schlafmodus versetzen. Um dem Netzwerk beizutreten, melden sie sich an einem Router an. Sollen Daten an ein Endgerät übermittelt werden, das sich gerade im Schlafmodus befindet, kann sie der Router zwischenspeichern, bis sie das Endgerät abruft.

Router treten einem Netzwerk bei, indem sie sich an einem anderen Router anmelden. Die Geräte benötigen mehr Performance als Endgeräte und unterstützen einen größeren Funktionsumfang. Router bilden je nach Anwendung untereinander unterschiedliche Strukturen wie Baum- oder Mesh-Strukturen.

Koordinatoren übernehmen grundsätzlich gleiche Aufgaben wie Router, sind aber zusätzlich in der Lage, Netzwerke mit bestimmten Parametern zu initiieren.

Sicherheit und Verschlüsselung

Die Sicherheitsanforderungen an die Netztechnik sind abhängig vom Anwendungsbereich zum Teil unterschiedlich. Industrielle Anwendungen sind auf einen hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandard angewiesen. Die Sicherheit basiert auf einem mehrstufigen Konzept. Insgesamt stehen drei verschiedene Sicherheitsstufen zur Verfügung. Diese sind:

  • keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen
  • einfacher Mechanismus zur Zugangskontrolle
  • symmetrische Verschlüsselung mit AES (Advanced Encryption Standard)

Bei der symmetrischen Verschlüsselung kommen AES-Schlüssel mit einer Länge von 128 Bit zum Einsatz. Die Verschlüsselung der Daten ist auf Netzwerk- und Anwendungsebene möglich. Um auf Netzwerkebene die Datenpakete zu verschlüsseln, muss allen teilnehmenden Geräten der gültige Netzwerkschlüssel bekannt sein. Die Verschlüsselung auf Anwendungsebene gestattet es, die Kommunikation zwischen zwei teilnehmenden Geräten mit nur ihnen bekannten Schlüsseln zu verschlüsseln. Für die Verteilung von Schlüsseln stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Schlüssel können vorinstalliert sein, über das Netzwerk mitgeteilt oder von einem Trustcenter abgerufen werden.

Die verschiedenen Netzwerktopologien

ZigBee-Netze lassen sich in verschiedenen Topologien betreiben. Die Geräte verbinden sich in Mesh-, Baum- oder Sternstrukturen untereinander. In der Sterntopologie kommunizieren alle Geräte über einen zentralen Netzwerkknoten. Die Baumstruktur nutzt ebenfalls einen zentralen Netzwerkknoten, besitzt aber eine vom Knoten ausgehende verästelte Topologie. In einem Mesh-Netzwerk kann grundsätzlich jeder mit jedem kommunizieren. Geräte können daher gleichzeitig Sender und Empfänger sein. Knotenpunkte im Netzwerk agieren als Router für die benachbarten Endgeräte. Da in der Mesh-Topologie viele alternative Wege existieren, handelt es sich um eine sehr zuverlässige und ausfallsichere Form des Netzwerks. Aufgrund der Kaskadierungsmöglichkeiten kann sich das Netz über große Entfernungen und Flächen erstrecken.

Die zusätzlichen Schichten zum Standard IEEE 802.15.4

Die Funktechnologie basiert auf dem Standard IEEE 802.15.4, der die Bitübertragungs- (PHY-) und die Sicherungsschicht (MAC) definiert. Darauf aufbauend fügt ZigBee Schichten für die Vermittlung (NWK), Sicherheit (SEC) und Anwendung (APL) hinzu.

Abgrenzung zu den 802.11-WLAN-Standards und Bluetooth

Einer der wichtigsten Unterschiede zwischen ZigBee und anderen drahtlosen Übertragungstechniken wie Bluetooth oder den WLAN-802.11-Standards ist, dass die Funktechnik für die Übertragung von kleinen Datenmengen und niedrigen Energieverbrauch optimiert ist. Da die Leistungsaufnahme niedrig ist, lassen sich die Geräte mit Batterien oder Akkus über sehr lange Zeiträume (bis zu mehreren Jahren) mit elektrischer Energie versorgen. Geräte können in einen Schlafmodus versetzt werden und sind sehr schnell zur Wiederaufnahme der Kommunikation bereit. Darüber hinaus ist ZigBee weniger komplex als beispielsweise der Protokollstack von Bluetooth. Endgeräte agieren in großen Teilen autark und treten einem Netzwerk selbständig bei. Ihre Installation ist einfach und erfordert keine komplexen Konfigurationen. Während Bluetooth und WLAN auf Konnektivität und hohe Datenraten optimiert sind, verfolgt ZigBee das Ziel einer hohen Zuverlässigkeit und Automation.

Anwendungsmöglichkeiten

ZigBee ist für Anwendungen beispielsweise in folgenden Bereichen vorgesehen:

  • Medizintechnik
  • Gebäudeautomation
  • Smart Home (zum Beispiel Vernetzung von Leuchtmitteln oder Brandmelde- und Alarmanlagen)
  • Industrieautomation (Industrie 4.0)
  • Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M-Kommunikation)
  • Internet of Things (IoT)
  • Übertragung von Sensordaten

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