ZigBee contra Z-Wave Die konkurrierenden Standards für Home Control im Vergleich

Der Markt für Home Control boomt. Den Angaben renommierter Marktforscher zufolge wird sich der Home Control-Markt allein in Europa in weniger als einem Jahr deutlich mehr als verdoppeln. In der Öffentlichkeit werden vor allem zwei Technologien als möglicher Standard für die Zukunft wahrgenommen: Z-Wave und ZigBee. Welche wird sich durchsetzen?

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Bei beiden Technologien handelt es sich um Low-Power-Wireless-Control-Technologien, die Mesh-Networking (vermaschte Netzwerke) in lizenzfrei nutzbaren Frequenzbändern einsetzen. Damit enden bereits die Gemeinsamkeiten beider Standards – dennoch werden beide oft als konkurrierende Technologien diskutiert.

Wie grenzen sich die beiden Technologien ab? Z-Wave konzentriert sich auf Home-Control-Applikationen. Diese umfassen nicht nur traditionelle Home Control-Anwendungsbereiche wie die Steuerung von Licht, HVAC, Rollläden und Fenstern, Garagentoren sowie die Integration von Alarmsystemen, sondern auch Entertainment Control und digitale Home-HealthCare-Anwendungen. Dabei hat Z-Wave den Massenmarkt im Visier.

ZigBee wiederum adressiert praktisch alle Steuerungsapplikationen von Spielzeugen angefangen über so genannte „Body Area Network“-Geräte, PC-Peripherie, Home Control, Monitoring und Steuerung in großen Gebäuden bis hin zu Industrie-Sensor-Netzwerke, Landwirtschaft, Auslesen von Zählern, Telekommunikationsanwendungen, Logistik, aktive RFID sowie Home Land Security und militärische Applikationen. Damit sieht sich ZigBee der großen Herausforderung gegenüber, alle Anforderungen der einzelnen, z.T. sehr unterschiedlichen Märkte erfüllen zu können.

ZigBee-Produkte sind vor allem Module und Plattformen für Entwickler

Z-Wave-Produkte werden in erster Line für den Endkunden hergestellt. Derzeit sind über 225 Z-Wave-Produkte weltweit verfügbar. ZigBee bringt es hingegen auf lediglich fünf zertifizierte Produkte (laut ZigBee-Webseite vom Februar 2008).

ZigBee-Produkte sind vor allem Module und Plattformen für Entwickler. Zudem wurden unter ZigBee angebotenen Endkundeprodukte nicht wirklich mit ZigBee entwickelt. Stattdessen kommen die im Standard IEEE802.15.4 entwickelte O-QPSK/DSSS-Radiotechnologie und die MAC-Schicht zum Einsatz.

Da auch die IEEE802.15.4-MAC-Schicht viele Funktionen anbietet, die nur in wenigen Applikationen benötigt werden, verwendet praktisch jeder Hersteller eine andere Untermenge der IEEE-Spezifikation – welche, ist bei praktisch keinem Hersteller klar definiert. Statt einen ZigBee-Stack zu verwenden, werden Applikationen direkt auf der MAC-Schicht betrieben und haben dann kein Mesh-Networking oder setzen proprietäre Stacks ein.

Bisherige ZigBee-Versionen sind nicht rückwärtskompatibel

Dies hat Konsequenzen: Erstens ist eine Austauschbarkeit der ZigBee-Chips, -Module und -hersteller in der Praxis kaum möglich – der wesentliche Vorteil, einen Standard einzusetzen, wird damit verfehlt. Zweitens steht dieses Vorgehen der Interoperabilität von Endkundenprodukten im Weg. Drittens scheint eine Rückwärtskompatibilität zu früheren Technologiegenerationen angesichts der Vielfalt der Angebote und Optionen sowie der schnellen Folge neuer Varianten kaum erreichbar – keine der bisherigen ZigBee-Versionen war bislang rückwärtskompatibel zu Vorgängerversionen.

Das Grundmodell von ZigBee fußt auf dem Erarbeiten der Spezifikationen in Arbeitsgruppen und Komitees. ZigBee unterliegt hier starkem Druck der teilnehmenden Techniker und Unternehmen, die ihre eigenen Interessen und Sichtweisen sowie bereits bestehende proprietären Lösungen repräsentiert sehen wollen. So kann ein Konsens oft nur durch Aufnahme mehrerer verschiedener Alternativen oder Optionen erreicht werden kann. Die Folge: Es ist unmöglich, alle Optionen zu geringen Kosten in Geräte mit kleinem Speicher zu implementieren.

Neue Spezifikationen werden innerhalb von 8 bis 12 Wochen definiert

Daher ist ZigBee dazu übergegangen, ein Set von Optionen innerhalb des Protokoll-Stacks zu definieren – ein weiteres Hindernis auf dem Weg zu Interoperabilität. Dennoch bleibt die benötigte Speichergröße immens: Es gibt Berichte im Internet, dass der 60 KByte große Flash-Speicher der Chips eines Herstellers nicht ausreichen, um den gesamten ZigBee-Stack mit Security zu laden – für die Applikation bleibt kein Platz. Bei einem anderen Hersteller werden 110 KByte des 128 KByte großen Flash-Speichers für den Stack benötigt.

Unter Z-Wave sind applikationsbezogene Geräteklassen für praktisch alle Bereiche zum großen Teil seit mehreren Jahren definiert. ZigBee hat bislang kein vollständiges Applikationsprofil für Home Control vorgestellt und darauf basierende Produkte zertifiziert.

Mit den Mitgliedern der Z-Wave-Allianz wird ein Prozess erfolgreich verwendet, in dem innerhalb von 8 bis 12 Wochen stabile Spezifikationen für neu hinzukommende Produktkategorien gemeinschaftlich definiert werden. ZigBees Definition für Home Control wurde bereits 2003 begonnen und bis heute nicht abgeschlossen.

Interoperabilität zu früheren und folgenden Versionen bleibt erhalten

Neuerungen im aktuellen Standard ZigBee Pro wurden zudem nicht vollständig in den Arbeitsgruppen und dem definierten Prozess entwickelt. Sie kommen heute maßgeblich aus ZigBees Change Control Board, das ursprünglich gegründet wurde, um den Prozessfehler zu berichtigen. Dies heißt, dass die Mehrheit der Mitglieder und die Öffentlichkeit vom Prozess effektiv ausgeschlossen sind. Gerade in Bezug auf eventuell verletzte Patente hat dies erhebliche Konsequenzen – in der Praxis sogar mehr für die OEMs, wenn sie ZigBee einsetzen würden, als für die Chiphersteller.

Die verschiedenen Z-Wave-Generationen der letzten Jahre waren und sind von jeweils neuen Anforderungen des Marktes getrieben. Z-Wave legt bei der Entwicklung seiner Technologie strenge Maßstäbe hinsichtlich des Kundennutzens und der Bedürfnisse seiner OEMs an. Daher wird bei jeder neuen Version darauf geachtet, dass neben dem Kundennutzen und den Anforderungen der OEMs auch die Interoperabilität zu früheren und folgenden Versionen erhalten bleibt. So ist die neueste Version von Z-Wave immer noch kompatibel zur ersten Z-Wave-Generation. Produkte aus dieser neuesten Version sind interoperabel und rückwärtsakompatibel zu Produkten, die bereits 2003 angeboten wurden.

Hohes Risiko für OEMs durch Interferenzprobleme

Mesh Networking eignet sich hervorragend, das gesamte Heim zu vernetzen. Da ZigBee und Z-Wave beide in freien Lizenzbändern funken, stellt die Interferenz einen wesentlichen Faktor für die Alltagstauglichkeit der Lösungen dar.

ZigBee operiert innerhalb des 2,4-GHz-Bandes, das von vielen weiteren Lösungen genutzt werden, die dem 802.15.4-Standard entsprechen. Wireless LAN nutzt exakt dasselbe Band. Die Sender diese Geräte nutzen in der Regel eine um den Faktor 100 bis 1000 höhere Sendeleistung als auf IEEE 802.15.4/ZigBee-basierende Geräte.

Die ZigBee-Allianz streitet Probleme mit Interferenzen im 2,4-GHz-Band ab, und sieht entsprechende Risiken eher im 868- und 915-MHz-Band. Simulationen, die im Rahmen der Entwicklung der IEEE 802.15.4-2006-Version der Spezifikation entwickelt wurden, belegen jedoch ein hohes Interferenzrisiko. Messungen haben diese Simulationen bestätigt.

Bessere Reichweite und Durchdringung bei niedrigeren Frequenzen

Zudem hat ZigBee jetzt in der ZigBee-Pro-Version einen Mechanismus eingeführt, der den verwendeten Kanal im gesamten ZigBee-Netz bei Vorliegen von Interferenz umschalten soll. Diese Lösung wirft viele Fragen auf: Wie soll das Umschalten koordiniert werden, wenn Geräte aufgrund von Interferenzen keine korrekten Daten mehr empfangen? Wie lange dauert das Umschalten? Was ist, wenn der Kanal mehr als das eine Mal pro Tag, wie in ZigBee Pro als Maximum gesetzt, gewechselt werden müsste? Wie reagiert ein ZigBee-Netz darauf, dass es in verschiedenen Räumen von verschiedenen WLAN-Netzen auf unterschiedlichen Kanälen gestört wird?

Z-Wave kennt diese Probleme nicht, da es im 868- bzw. 915-MHz-Band arbeitet. Das Limitieren des Duty Cycle auf 1% im 868-MHz-Band in Europa bietet weiteren „Schutz“. Darüber hinaus lassen sich mit der niedrigeren Frequenz eine deutlich bessere Reichweite und eine bessere Durchdringung von Wänden und anderen Objekten erreichen als im 2,4-GHz-Band.

Ein Hauptargument kontra Z-Wave ist die Tatsache, dass Z-Wave-Chips derzeit nur bei dem Halbleiterhersteller Zensys erworben werden können. Dies könnte sich in Zukunft ändern: Zensys soll bereits einen ersten Lizenzvertrag für die Z-Wave-Technologie mit einem Top-Ten-Chiphersteller weltweit unterzeichnet haben.

Der Massenmarkt für Home Control boomt

Aktuelle Untersuchungen des Marktforschungsinstitutes Parks Associates belegen, dass der Home-Control-Markt weiterhin wächst: Demnach werden in den kommenden vier Jahren immer mehr Haushalte mit einem Heimnetzwerk ausgestattet sein werden, das über den Breitbandanschluss eines Service Providers (Residential Gateways) verfügt.

„Service Provider weltweit versuchen, Mehrwert bei Breitband-, Kommunikations- und weiteren Services zu generieren“, erklärt Kurt Scherf, Vice President und Principal Analyst bei Parks Associates. „Strategien zum vernetzten Heim konzentrieren sich darauf, fortschrittliche Teilnehmerendgeräte mit den entsprechenden Services bereitzustellen. Wie die Consumer Electronics Show 2008 gezeigt hat, werden Heimnetzwerkprodukte für die Zielgruppe der Service Provider immer ausgereifter, da diese ihren Kunden verbesserte Features und Anwendungen zur Verfügung stellen wollen.“

Laut Scherf sollte die Strategie für Residential Gateways und weitere CPE-Entwicklungen (Customer Premises Equipment) darin bestehen, Funktionen wie z.B. Multiroom DVR, Streaming-Multimedia-Anwendungen, verbesserte Kommunikationsfunktionen sowie Home Monitoring bereitzustellen. Zudem reduziere der Einsatz fernwartbarer Teilnehmerendgeräte die Support-Kosten für den Serice-Provider.

Aufgrund dieser Marktentwicklung scheint Z-Wave dank seiner Fokussierung auf den Home-Control-Markt und Interoperabilität ZigBee den Rang abzulaufen – zumal die Zahl der international verfügbaren Z-Wave-Produkte kontinuierlich wächst.

*Mathias Hein ist freier Consultant Networking und Lehrbeauftragter an verschieden Universitäten

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