What is beaconing in Zigbee?

Das Beaconing in ZigBee ist ein Mechanismus innerhalb des IEEE 802.15.4-Standards, der verwendet wird, um die Synchronisation, Zeitschlitznutzung und Weckaufgaben in einem drahtlosen Sensornetzwerk zu verwalten. ZigBee ist ein Protokoll, das auf dem IEEE 802.15.4-Standard basiert und für energiesparende, kostengünstige und drahtlose Netzwerke mit geringer Datenrate entwickelt wurde. Es findet Verwendung in verschiedenen Anwendungen wie Heimautomation, industrielle Steuerungen und Gesundheitsüberwachung.

Im Wesentlichen erlaubt das Beaconing den Geräten in einem ZigBee-Netzwerk, sich zu synchronisieren und koordinierte Netzwerkaktivitäten durchzuführen. Die Basisstation oder der Koordinator sendet periodische Signale aus, die als “Beacons” bezeichnet werden. Diese Beacons sind spezielle Rahmen, die Informationen zur Netzwerktopologie, Zeitsteuerung und verfügbaren Zeitschlitzen enthalten.

Ein typisches ZigBee-Netzwerk besteht aus mehreren Geräten, darunter:

1. Koordinator: Der zentrale Controller, der das Netzwerk initialisiert und steuert. Der Koordinator sendet die Beacons aus.
2. Router: Geräte, die Nachrichten im Netzwerk weiterleiten und untergeordnete Geräte verwalten.
3. Endgeräte: Sensoren oder Aktoren, die Daten sammeln oder Aktionen ausführen.

Funktionsweise des Beaconing
Der IEEE 802.15.4-Standard definiert zwei Hauptbetriebsarten: den beacon-fähigen Modus und den nicht-beacon-fähigen Modus. Wir konzentrieren uns auf den beacon-fähigen Modus.

- Superframe-Struktur: Der Zeitrahmen wird in eine sogenannte Superframe-Struktur unterteilt, die durch den Beacon-Intervall und die aktiven Zeitperioden (CAP, Contention Access Period und CFP, Contention-Free Period) organisiert ist. Die Superframe-Struktur wird bei jeder Beacon-Übertragung neu begonnen.

- Synchronisation: Die Beacons helfen den Geräten im Netzwerk, ihre internen Uhren zu synchronisieren, was die energiesparende Nutzung der Zeitschlitze ermöglicht. Beispielsweise können batteriebetriebene Sensoren in den energiesparenden Schlafmodus wechseln und nur dann aufwachen, wenn sie durch einen Beacon synchronisiert werden müssen.

- Netzwerkverwaltung: Beacons enthalten wichtige Netzwerkmanagementinformationen wie das PAN (Personal Area Network) Identifier, die Netzwerktopologie und Zeitsteuerungsinformationen, die von den Routern und Endgeräten verwendet werden, um ihre eigenen Kommunikationspläne zu erstellen.

Beispiele und Anwendungen
- Heimautomation: ZigBee-Beacons helfen dabei, verschiedene Smart-Home-Geräte wie Beleuchtungen, Thermostate und Sicherheitsgeräte zu koordinieren.
- Industrieautomation: In industriellen Anwendungen ermöglichen Beacons die zuverlässige Synchronisation und Kommunikation zwischen Sensornetzwerken, die zur Überwachung und Steuerung von Fertigungsprozessen verwendet werden.
- Gesundheitswesen: Medizingeräte, die vitalen Daten überwachen, verwenden ZigBee-Beacons, um ihre eigenen Übertragungen so zu positionieren, dass sie den Energieverbrauch minimieren und gleichzeitig eine zuverlässige Übermittlung sicherstellen.

Quellen
1. IEEE 802.15.4 Standard: Der IEEE 802.15.4-Standard selbst ist die primäre Quelle für technische Details zu Beaconing in ZigBee-Netzwerken.
- IEEE 802.15.4: https://standards.ieee.org/standard/802_15_4-2011.html
1. ZigBee Alliance Dokumentation: Umfassende Dokumentationen und Whitepapers der ZigBee Alliance bieten tiefere Einblicke in die Implementierung und Anwendungen von ZigBee-Standards.
- ZigBee Alliance: https://zigbeealliance.org/
1. Technische Fachartikel und Lehrbücher: Viele technische Bücher und Forschungsartikel bieten Erklärungen und konkrete Beispiele zur Anwendung des Beaconing in ZigBee-Netzwerken.
- Example Reference: “Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols, and Applications” by Kazem Sohraby, Daniel Minoli, & Taieb Znati.