Eine einheitliche Funktechnik ist für den Smart-Home-Bereich nicht abzusehen. Neben allgemein üblichen Protokollen wie der IEEE-802.11-Familie, gibt es auch zahlreiche Protokolle, welche auf batteriebetriebene Geräte optimiert sind, so z.B. Bluetooth, Zigbee oder EnOcean. Auch proprietäre Lösungen einzelner Hersteller haben es geschafft, Marktrelevanz zu erlangen. Alle Funkverfahren müssen sich prinzipbedingt mit den Themen Verschlüsselung, Reichweite und Latenzen auseinandersetzen. Da es sich bei den Geräten oft um Embedded-Geräte mit geringer Stromaufnahme handelt, müssen hierbei Kompromisse gefunden werden, ohne die Nutzererfahrung zu stark einzuschränken.

1. FUNKTECHNOLOGIEN IM SMART HOME
MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN
Dipl.-Math. Kai Kreuzer

2. THEMEN
➤ Kontext
➤ Frequenzbänder
➤ Protokolle
➤ Zuverlässigkeit
➤ Sicherheit
➤ Smart Home Integration

3. DAS SMART HOME
➤ Heimautomatisierung
➤ übergreifende Vernetzung
➤ Protokolle / Technologien / Hersteller
➤ Internetdienste (Wetter, Musik, etc.)
➤ Benutzerschnittstellen
➤ physikalische Schalter
➤ Smartphone
➤ Sprachassistent
➤ Zugang über das Internet,
Push-Benachrichtigungen

4. WARUM FUNK?
Alternativen Kabel & PLC

5. PROBLEME KABELBASIERTER LÖSUNGEN
➤ praktikabel primär bei Neubau
und Kernsanierung
➤ erfordert Elektriker
➤ schwer zu erweitern
➤ hochpreisig
➤ teilweise proprietär

6. FREQUENZBÄNDER
➤ ISM-Bänder
➤ 433 MHz
➤ 868 MHz (SRD)
➤ 2.4 & 5.0 GHz
➤ Reservierte Bänder
➤ 1,9GHz (DECT)

7. 433 MHZ ISM-BAND
➤ Keine Beschränkungen
➤ Überlaufen
➤ Nutzung nicht mehr empfohlen
➤ Bsp. Brennenstuhl, Intertechno,
Baumarktware u.ä.

8. 868 MHZ SRD BAND
➤ Mehrere Sub-Bänder
863–870 MHz
➤ Duty-Cycle Regelung
➤ unterschiedliche Regionen
(US: 915MHz)
➤ Bsp. Z-Wave, Homematic,
EnOcean, KNX-RF

9. 1.9 GHZ - DECT
➤ Reserviertes Band
➤ 10 Kanäle zwischen 1880-1900 MHz
➤ unterschiedliche Regionen
(USA/Kanada 1910-1920 MHz)
➤ DECT Ultra Low Energy (DECT ULE)
➤ ULE funktioniert mit bestehender
Hardware
➤ HAN-FUN als Applikationsprotokoll

10. 2.4 GHZ (+5 GHZ) ISM-BAND
➤ Viele Sub-Bänder
➤ keine Duty-Cycle Regelung
➤ weltweit einsetzbar
➤ Bsp. Wi-Fi (IEEE 802.11),
Bluetooth, ZigBee, Thread

11. TOPOLOGIEN
➤ Peer-2-Peer / Broadcast
➤ Stern
➤ Mesh (mit/ohne Coordinator)

12. PROTOKOLLE
Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE
Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz
Topologie Stern
P2P
Mesh
Mesh Mesh Stern Stern Stern
Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s
Besonder-
heiten
stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär
Energy
Harvesting
präsent in
Routern

13. WI-FI
➤ WLAN Mesh verbessert Reichweite
➤ kostengünstige Chips wie ESP8266
eignen sich für Aktorik & Sensorik

14. PROTOKOLLE
Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE
Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz
Topologie Stern
P2P
Mesh
Mesh Mesh Stern Stern Stern
Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s
Besonder-
heiten
stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär
Energy
Harvesting
präsent in
Routern

15. ZIGBEE LIGHT LINK
➤ ZigBee definiert verschiedene „Profile“,
z.B. „Home Automation“ (HA), „Smart
Energy“ (SE) oder „Light Link“ (ZLL).
➤ ZLL erlaubt Netze ohne ZigBee
Coordinator.
➤ Beleuchtung von Philips, Osram, IKEA,
Innr, Paul Neuhaus, uvm.

16. PROTOKOLLE
Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE
Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz
Topologie Stern
P2P
Mesh
Mesh Mesh Stern Stern Stern
Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s
Besonder-
heiten
stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär
Energy
Harvesting
präsent in
Routern

17. ENOCEAN
➤ Energy Harvesting durch Piezoelemente,
Solarzellen oder Thermoenergiewandler
➤ verbreitet im Büro- und Gewerbebau
➤ Telegramme ca. 1 ms,
meist unidirectional

18. PROTOKOLLE
Protokoll Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave BidCoS EnOcean DECT ULE
Frequenz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 868 MHz 868 MHz 868 MHz 1.9 GHz
Topologie Stern
P2P
Mesh
Mesh Mesh Stern Stern Stern
Bandbreite 450 Mbit/s 1 Mbit/s 250 Kbit/s 100 Kbit/s 9.6 Kbit/s 125 Kbit/s 800 kBit/s
Besonder-
heiten
stromhungrig omnipräsent Lichttechnik stark in USA proprietär
Energy
Harvesting
präsent in
Routern

19. WEITERE PROTOKOLLE
➤ WMBus - Zählerablesung
➤ CoSip - RWE SmartHome
➤ Lemonbeat - Innogy
➤ HomematicIP - eQ.3
➤ Thread - Konsortium um Google
➤ …

20. ZUVERLÄSSIGKEIT - HERAUSFORDERUNGEN
➤ Reichweite
➤ Störungen
➤ Duty Cycle
➤ 1 % = 36 Sekunden pro Stunde
➤ Latenz
➤ 300ms ist Akzeptanzgrenze
➤ Batterielebensdauer
➤ Bereitschaft vs. Schlafzustand

21. ZUVERLÄSSIGKEIT - MAßNAHMEN
➤ Reichweite:
➤ niedrigere Frequenzen im Vorteil
➤ niedrigere Bandbreiten
➤ Repeater & Meshing
➤ ACK Telegramme
➤ mehrfaches Senden
➤ Erhöhung Batterielebensdauer durch
➤ Listen-after-Send
➤ Burst-Telegramme

22. SICHERHEIT - HERAUSFORDERUNGEN
➤ Authentizität
➤ Ist es der richtige Absender?
➤ Ist es der richtige Empfänger?
➤ Wurde die Nachricht verändert?
➤ Vertraulichkeit
➤ Wer kann die Nachricht lesen?
➤ Nur Empfänger?
➤ Jeder im gleichen Funknetz?
➤ Jeder in der Nähe?

23. SICHERHEIT - MAßNAHMEN
➤ Symmetrische Verfahren:
➤ gemeinsamer Schlüssel benötigt
➤ 50 Teilnehmer: 1225 Schlüssel
➤ Asymmetrische Verfahren:
➤ rechenintensiv (~1000x)
➤ speicherintensiv
➤ nur relevant für Schlüsseltausch

24. SICHERHEIT - MAßNAHMEN
➤ Netzwerkschlüssel
➤ Pre-shared Key
➤ In-Band Austausch während Pairing
➤ Out-of-Band Austausch

25. SICHERHEIT - HERAUSFORDERUNGEN
➤ Authentizität
➤ Ist es der richtige Absender?
➤ Ist es der richtige Empfänger?
➤ Wurde die Nachricht verändert?
➤ Vertraulichkeit
➤ Wer kann die Nachricht lesen?
➤ Nur Empfänger?
➤ Jeder im gleichen Funknetz!
➤ Jeder in der Nähe!

26. SICHERHEIT - REPLAY-ATTACKE
➤ BidCoS:
➤ Unverschlüsselte Telegramme
➤ AES Challenge Response Verfahren

27. SICHERHEIT - REPLAY-ATTACKE
➤ Rolling Code als Basis eines CMAC
(Cypher-based Message Authentication Code)
➤ Probleme:
➤ längere Telegramme
(EnOcean sendet nur noch 2 statt 3)
➤ Gültigkeitsprüfung
➤ Überlauf

28. IP-INTEGRATION
der Weg ins Internet

29. IP-INTEGRATION
➤ Gateways als Übersetzer ins (W)LAN

30. IP-INTEGRATION
➤ USB-Dongles serielle Schnittstelle
➤ Shields für Single Board Computer

31. IP-INTEGRATION
➤ Vielzahl von Protokollen, Bsp. ZigBee:
➤ Serielles Format TI-Dongle
➤ Serielles Format Ember-Dongle
➤ Serielles Format Telegesis-Dongle
➤ Serielles Format XBee-Shield
➤ RaspBee / deCONZ REST-API
➤ REST-API auf Philips Hue Bridge
➤ CoAP-API auf IKEA TRÅDFRI-Gateway
➤ Binary-TCP auf OSRAM Lightify Gateway
➤ REST-API auf OSRAM Lightify Cloud
➤ usw.

32. BASKET OF
REMOTES
PROBLEM
Interoperabilität im Smart Home?

33. CLOUD-ZENTRIERTE INTEGRATION

34. LOKALE INTEGRATION

35. FAZIT
➤ Viele Protokolle - keine klaren
Gewinner
➤ Wi-Fi wird immer relevanter
➤ Sicherheit oft ausbaufähig
➤ eigentlicher Angriffsvektor: Internet!

36. VIELEN DANK!
Dipl.-Math. Kai Kreuzer