Ein Mesh-Netzwerk ermöglicht es einem Gerät, das Netzwerk über seine Nachbarknoten zu erreichen, statt direkt über einen einzigen Hub. Diese eine Änderung erlaubt es einem Gebäude voller Knoten, eigene Abdeckungslücken zu schließen und ausgefallene Knoten zu umgehen, ohne dass ein Techniker Kabel verlegen oder einen zweiten Access Point für einen schwachen Winkel aufstellen muss.

Zigbee und Thread sind die beiden Protokolle, die dies auf demselben zugrunde liegenden 802.15.4-Funk realisieren und das dicht belegte 2,4-GHz-Band mit WiFi und BLE teilen. Die Wahl zwischen beiden und dem Silicon, das eines davon betreibt, hat sich in den letzten Jahren unter allen verschoben, da Matter die Smart-Home-Welt in Richtung Thread zog. Eine heute startende Entwicklung wählt damit gleichzeitig ein Funkmedium und eine Software-Zukunft.

Warum ein Mesh, und was Selbstheilung bedeutet

Ein Sternnetzwerk verbindet jedes Gerät über einen einzigen Hop mit einem Access Point, was einfach ist, bis ein Knoten zu weit von diesem Punkt entfernt ist oder sich hinter zu vielen Wänden befindet. Ein Mesh hebt diese Einschränkung auf, indem Knoten füreinander weiterleiten: Ein Paket eines weit entfernten Geräts hüpft von Knoten zu Knoten, bis es einen Router mit einem Weg nach außen erreicht. Die Abdeckung wächst so mit der Anzahl der Knoten, anstatt gegen die Entfernung zu einem einzelnen Hub zu kämpfen. Das ist der Grund, warum Mesh für ein Haus, eine Gebäudeetage oder eine Sensorverteilung geeignet ist, bei der kein einzelner Punkt alle hören kann.

Selbstheilung ist der Teil, der dem Namen gerecht wird. Jeder Routing-Knoten hält ein Bild seiner Nachbarn und der Pfade durch sie, und wenn ein Knoten ausfällt, ob abgeschaltet oder einfach defekt, bemerken die anderen den verlorenen Link und leiten selbstständig um, ohne dass eine Person oder ein zentraler Controller eingreift. Ein später hinzugefügter Knoten wird auf dieselbe Weise in das Netz eingebunden: Er entdeckt seine Nachbarn und nimmt seinen Platz im Routing ein. Das Netzwerk behandelt die Topologie als etwas, das sich über seine Lebensdauer hinweg verändert, nicht als etwas, das bei der Installation festgeschrieben ist. Dieselbe Mechanik behandelt einen Knoten, der sich bewegt oder von einem Nachbarn nicht mehr sauber empfangen wird, und übergibt ihn an den Router, der jetzt den besten Link bietet. Ein Batteriesensor, der auf ein neues Regal gestellt wird, verbindet sich so über einen anderen Pfad, ohne dass jemand seine Konfiguration anfasst.

Diese Belastbarkeit ist der Grund, ein selbstheilendes Mesh mit Zigbee oder Thread statt eines Sterns aufzubauen, aber sie ist nicht kostenlos. Ein Mesh erfordert genügend dauerhaft lauschende Knoten, um den Datenverkehr zu tragen und die Pfade zusammenzuhalten, es fügt Hops hinzu, die Latenz kosten, und es bringt einen Inbetriebnahmeschritt mit sich, bei dem Geräte ins Netzwerk aufgenommen und ihren Platz zugewiesen bekommen. Für eine Handvoll Geräte nahe einem Hub ist das alles selten nötig, und dort gewinnt der einfachere Stern.

Router und schlafende Endgeräte

Die Aufteilung, die jedes Mesh-Design prägt, liegt zwischen den Knoten, die routen, und denen, die schlafen, und sie wird mehr durch die Stromversorgung bestimmt als durch irgendetwas anderes. Ein Router hält sein Funkmodul ständig im Empfangsmodus, damit er den Datenverkehr eines Nachbarn sofort weiterleiten kann, wenn er eintrifft. Das bedeutet, er kann nicht schlafen und kann daher nicht lange von einer Knopfzelle betrieben werden. Router sind also die netzversorgten Mitglieder des Netzwerks: die Smart-Bulbs, die Wandschalter, die eingesteckten Hubs, die ohnehin wach bleiben. Ein Endgerät macht das Gegenteil. Es schläft mit abgeschaltetem Funk den Großteil seines Lebens und wacht nach eigenem Zeitplan auf, um eine Messung zu senden oder auf einen Befehl zu prüfen, und leitet niemals für andere weiter. Das ist es, was einem Türsensor oder einem Temperatur-Tag ermöglicht, Jahre lang von einer kleinen Batterie zu leben. Da ein schlafender Knoten nicht jederzeit erreichbar ist, stützt sich jedes Endgerät auf einen Router als Elternknoten, der alle für das Kind bestimmten Nachrichten aufbewahrt, bis das Kind aufwacht und sie abruft. Diese Eltern-Kind-Anordnung erklärt, warum ein Mesh eine Grundlage netzversorgter Router im Raum benötigt, bevor die Batteriegeräte verteilt werden können: Ein Raum voller schlafender Sensoren ohne einen Router in Reichweite hat kein Mesh, nur einen Haufen Knoten, die nichts erreichen können. Die Arithmetik einer Inbetriebnahme ergibt sich daraus. Zuerst werden die dauerhaft eingeschalteten Geräte gezählt und bestätigt, dass sie das Gebiet abdecken und den Spitzenverkehr tragen können, dann werden die Batterie-Endgeräte gegen die Elternknoten gesetzt, die ihre Nachrichten vorhalten, und die Hop-Latenz wird einkalkuliert, da ein Befehl, der über mehrere Hops zu einem weit entfernten Leuchtmittel läuft, länger dauert als einer zu einem Leuchtmittel neben dem Hub. Das Routing läuft auf Tabellen, die die Router pflegen und aktualisieren, wenn sich die Funkumgebung verändert. Ein Pfad, der gestern frei war, kann sich verschlechtern, wenn ein Mikrowellenherd oder ein stark belasteter WiFi-Kanal das Band überfüllt, das das Mesh teilt. Das Netzwerk bewertet dann neu und leitet den Datenverkehr selbstständig auf einen besseren Pfad um. Thread schärft dies, indem es dem Mesh mehr als einen routing-fähigen Knoten und keinen einzelnen Koordinator gibt, dessen Ausfall alles zum Erliegen bringt, während ältere Zigbee-Netzwerke auf einen Koordinator angewiesen waren, der wichtiger war als alle anderen. Ein Wiedereintritt nach einem Stromausfall ist ein kleines Drama für sich, da ein Knoten, der seinen Elternknoten verloren hat, einen neuen finden und sich erneut authentifizieren muss, bevor er sich wieder ins Routing eingliedert. Ein Netzwerk mit dünner Router-Abdeckung kann einen Knoten auf der Suche nach einem Elternknoten zurücklassen, den er nicht findet. Auch die Größe hat Grenzen: Jeder Hop fügt Verzögerung hinzu, und jeder Routing-Knoten hält Zustand vor. Daher wird ein großer Raum als mehrere über die Anwendungsschicht überbrückte Meshes geplant statt als ein einzelnes Mesh, das über das hinausstreckt, was die Hop-Anzahl und die Tabellen tragen können. Entwickler, die das übersehen, entdecken es als einen weit entfernten Knoten, der auf dem Prüftisch beitritt und funktioniert, dann aber im Gebäude ausfällt, weil der einzige Router, den er erreichen konnte, selbst ein Batteriegerät war, das schlafen gegangen ist. Das gesunde Muster: reichlich netzversorgte Router, eine vernünftige Obergrenze für die Anzahl der Kinder pro Elternknoten und Endgeräte, die wenig verlangen und zwischen den Anfragen tief schlafen.

Zigbee, dann Thread und Matter

Zigbee kam zuerst und dominierte die Welt der Low-Power-Meshes über ein Jahrzehnt lang, mit einer eigenen Anwendungsschicht und Profilen, die definierten, wie sich ein Leuchtmittel, ein Schalter oder ein Sensor dem Netzwerk beschrieb. Dieser in sich geschlossene Stack ließ Zigbee-Produkte innerhalb eines Ökosystems zusammenarbeiten, während die Interoperabilität zwischen Marken uneinheitlich blieb, da zwei Anbieter die Profile unterschiedlich auslegen konnten. Eine große installierte Basis läuft noch darauf, daher hat ein neues Produkt, das in einem bestehenden Zigbee-Netzwerk funktionieren muss, weiterhin einen Grund, es zu sprechen.

Das klassische Bauteil, auf dem eine ganze Generation dieser Knoten lief, ist der CC2530 für einen Zigbee-Knoten, ein auf 8051 basierender Radio-SoC, der einen einfachen Kern mit einem 802.15.4-Transceiver kombinierte: günstig, gut verstanden und noch immer in Beleuchtungs- und Sensordesigns zu finden, die zu einer bestehenden Flotte passen. Er zeigt sein Alter gegenüber modernen Bauteilen in Bezug auf Speicher und Kern-Performance, weshalb er sich für eine bekannte, abgeschlossene Aufgabe eignet statt für ein Produkt, das später in Matter hineinwachsen muss. Im Empfangsbetrieb zieht er mehr Strom als die neueren Low-Power-Bauteile und verfügt nicht über deren Hardware-Sicherheitsblöcke. Ein Design, das auf ihn zurückgreift, gleicht üblicherweise eine bestehende Flotte ab statt einen Neustart vorzunehmen.

Thread änderte das Modell, indem es IPv6 über 6LoWPAN bis zum Knoten brachte: Jedes Gerät erhält eine echte IP-Adresse, und das Mesh wirkt wie ein Subnetz statt wie eine abgeschlossene Welt, ohne einen einzelnen Koordinator, dessen Ausfall das Netzwerk zu Fall bringt. Matter setzte sich dann als gemeinsame Anwendungsschicht über Thread und WiFi, was schließlich die Branche in Richtung geräteübergreifender Interoperabilität direkt aus der Verpackung heraus trieb. Für ein neues Smart-Home-Produkt ist die Anziehungskraft von Thread und Matter stark, und das Silicon folgte. Deshalb sprechen die aktuellen Bauteile fast alle mehr als ein Protokoll auf demselben Funk. Die Verschiebung ist nicht nur technischer Natur: Matter brachte die großen Plattformen hinter einen einzigen Weg zur Geräte-Interoperabilität, und ein Produkt mit dem Logo erreicht diese Ökosysteme ohne eine eigene Integration pro Plattform, was für viele Hersteller mehr bedeutet als jede einzelne Funkspezifikation.

Als Brücke zwischen den Epochen bewältigt der JN5189 Low-Power-Zigbee und Thread auf einem moderneren Low-Power-Kern als das klassische Bauteil, mit dem tiefen Schlafstrom, den ein batteriebetriebenes Endgerät benötigt, und dem Speicher, um jeden der beiden Stacks zu betreiben. Das macht ihn zu einer Brücke für ein Design, das von einer Zigbee-Vergangenheit in eine Thread-Zukunft wechselt, ohne die Low-Power-Klasse zu verlassen.

Den Mesh-SoC heute auswählen

Die Bauteile, aus denen ein neues Design heute schöpft, sind standardmäßig multiprotokollfahig und darauf ausgelegt, Zigbee, Thread und häufig BLE auf einem Funk zu betreiben, damit ein Produkt über Bluetooth in Betrieb genommen werden und auf Thread laufen kann, oder ein Zigbee- und ein Matter-Netzwerk von derselben Hardware aus bedienen kann. Die Entscheidung zwischen ihnen dreht sich um Reichweite, darum, welche Protokolle und Zertifizierungen ein Bauteil mitbringt, und darum, ob das Design einen nackten SoC oder ein Modul möchte.

Für Reichweite und eine Rolle als Router oder Hub betreibt der CC2652P7 ein Multiprotokoll-Mesh mit integriertem Leistungsverstärker und liefert eine höhere Sendeleistung, die die Reichweite der dauerhaft eingeschalteten Knoten erweitert, die ein Mesh zusammenhalten. Dort zählt die zusätzliche Reichweite, da die Router bestimmen, wie weit sich das Netz erstreckt. Er betreibt Thread, Zigbee und BLE und eignet sich für einen netzversorgten Hub oder ein Router-Klasse-Gerät, das das Netzwerk verankert. Der Verstärker zieht Strom, den ein Batterieknoten nicht entbehren könnte, was genau seiner Aufgabe entspricht: Die dauerhaft eingeschalteten Router sind die Mitglieder, die sich das laute Senden leisten können, und diejenigen, deren Reichweite darüber entscheidet, wie weit sich das Netz in einem großen Haus erstreckt.

Für ein Batteriegerät, das auf das neue Ökosystem ausgerichtet ist, zielt der EFR32MG24 auf Matter- und Thread-Geräte mit den Low-Power-Werten, die ein Endgerät benötigt, einem leistungsfähigen Kern für eine reichhaltigere Anwendung und den Sicherheitsfunktionen, die Matter für Inbetriebnahme und Attestierung fordert. Er ist ein verbreiteter Ausgangspunkt für einen neuen Sensor oder ein Steuergerät, das gleichzeitig das Matter-Logo tragen und von einer Batterie leben muss.

Wenn Zertifizierungszeit die entscheidende Größe ist, ist das MGM240P ein vorzertifiziertes Modul für Matter, das auf derselben Silicon-Familie aufbaut und dem Team Antennendesign sowie regulatorische und Protokollzulassungen abnimmt, das ein Matter-Produkt auf den Markt bringen möchte, ohne die Funkentwicklung selbst zu übernehmen. Pro Stück kostet es mehr als der nackte SoC und macht das bei einem Erstprodukt oder einer kleineren Auflage wieder wett, dieselbe Abwägung, die bei jedem Funk in diesem Bereich auftaucht. Die mitgelieferten Zulassungen gehen über Regulierungstests hinaus bis hin zur Matter- und Thread-Zertifizierung, die ein Logo erfordert. Ein Team übernimmt damit einen Block, der die Teile bereits abgeschlossen hat, die am längsten dauern, und kann seine Zeit dem Produkt widmen statt dem Funk.

Bei all diesen Bauteilen ist der Funk nahezu gesetzt; was sich unterscheidet, ist die Protokollkombination und der Stromverbrauch.