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| 国際標準 | 800～900 MHzの無線周波数範囲 |
|---|---|
| 開発者 | ゼンシス |
| 紹介された | 1999 |
| 業界 | ホームオートメーション |
| 物理的範囲 | 100〜800メートル; Z-Wave LR範囲: 1.6 km以上[1] |
| Webサイト | https://www.z-wave.com |
Z-Waveは、主に住宅や商業ビルの自動化に使用される無線通信プロトコルです。これは、低エネルギーの電波を使用してデバイス間で通信するメッシュネットワークであり、 [2]スマートライト、セキュリティシステム、サーモスタット、センサー、スマートドアロック、ガレージドアオープナーなどのスマートホームデバイスのワイヤレス制御を可能にします。[3] [4] Z-Waveのブランドと技術は、 Silicon Labsが所有しています。この技術に携わる300社以上の企業がZ-Wave Allianceに集まっています。
住宅、商業、MDU、ビル市場を対象とした他のプロトコルやシステムと同様に、Z-Waveシステムは、スマートフォン、タブレット、またはコンピューターから制御できるほか、スマートスピーカー、ワイヤレスキーフォブ、またはハブまたはコントローラーとして機能するZ-Waveゲートウェイまたは中央制御デバイスを備えた壁掛けパネルを介してローカルで制御することもできます。[3] [5] Z-Waveは、アライアンスの一部であるさまざまなメーカーのホームコントロールシステム間のアプリケーション層の相互運用性を提供します。相互運用可能なZ-Wave製品の数は増加しており、2017年には1,700を超え、[6] 2019年には2,600を超え、[7] 2022年には4,000を超えると予想されています。 [8] [9]
歴史
Z-Waveプロトコルは、1999年にコペンハーゲンに拠点を置くデンマーク企業Zensysによって開発されました。 [10] [11] [12]その年、Zensysは消費者向けの照明制御システムを発表しました。これは、900MHzの範囲の無認可周波数帯域上の独自のシステムオンチップ（SoC）ホームオートメーションプロトコルとしてZ-Waveに進化しました。 [13] 100シリーズのチップセットは2003年にリリースされ、200シリーズは2005年5月にリリースされました。[3] ZW0201チップは低コストで高性能を提供しました。[14] Z-Wave Plusとしても知られる500シリーズチップは、4倍のメモリ、改善されたワイヤレス範囲、改善されたバッテリー寿命、強化されたS2セキュリティフレームワーク、およびSmartStartセットアップ機能を備え、2013年3月にリリースされました。[15] 700シリーズチップは2019年にリリースされ、ポイントツーポイントで最大100メートル、またはZ-Waveネットワーク全体で800メートルの直接通信が可能で、最大10年の延長バッテリー寿命を備え、S2およびSmartStartテクノロジーが搭載されています。[8] [1] 2019年7月、Z-Wave Plus v2認証が発表されました。これは、700プラットフォームで構築されたデバイス向けに設計されています。[8] Z-Wave Long Range（LR）仕様は、標準のZ-Waveの最大4倍の無線範囲を備えた新しい仕様である2020年9月に発表されました。[8] Z-Waveの800シリーズチップは、700シリーズよりもセキュリティとバッテリー寿命が向上し、2021年後半にリリースされました。[16]
この技術は、2005年頃にダンフォス、インガソルランド、レビトン・マニュファクチャリングを含む5社がZ-Waveを採用したことで北米で普及し始めた。[12]これらの企業はZ-Waveアライアンスを結成した。その目的は、Z-Wave技術の使用を促進し、アライアンス参加企業のすべての認定製品を相互運用可能にすることである。[11] [12] 2005年、ベッセマー・ベンチャー・パートナーズはゼンシスの3回目のシードラウンドで1600万ドルを調達した。[12] 2006年5月、インテル・キャピタルは、インテルがZ-Waveアライアンスに加盟した数日後にゼンシスに投資すると発表した。[14] 2008年、ゼンシスはパナソニック、シスコシステムズ、パラモン・キャピタル・パートナーズ、サンストーン・キャピタルから投資を受けた。[12]
Z-Waveは2008年12月にSigma Designsに買収された。[12] [ 17]買収後、カリフォルニア州フリーモントにあるZ-Waveの米国本社は、カリフォルニア州ミルピタスにあるSigmaの本社と統合された。[12] [18]変更の一環として、Z-Waveの商標権は米国ではSigma Designsが保持し、ヨーロッパではAeotec Groupの子会社が取得した。[19] [20]
2018年1月23日、シグマはZ-Wave技術と事業資産をシリコンラボに2億4000万ドルで売却する計画を発表し、 [21]売却は2018年4月18日に完了した。[22]
2005年には、Z-Wave技術を採用した製品が6つ市場に出回っていました。2012年までにスマートホーム技術の人気が高まるにつれ、米国ではZ-Wave技術を採用した製品が約600種類販売されるようになりました[11]。2022年6月現在、Z-Wave認定の相互運用可能な製品は4,000種類以上あります。[7] [9]
相互運用性
アプリケーション層での Z-Wave の相互運用性により、デバイス間で情報を共有でき、すべての Z-Wave ハードウェアとソフトウェアが連携して動作できるようになります。ワイヤレス メッシュ ネットワーク技術により、どのノードも隣接するノードと直接または間接的に通信し、追加のノードを制御できます。範囲内にあるノードは互いに直接通信します。範囲内にない場合は、両方の範囲内にある別のノードにリンクして、情報にアクセスして交換できます。[4] 2016 年 9 月、当時の所有者である Sigma Designs が Z-Wave の相互運用性レイヤーのパブリック バージョンをリリースし、ソフトウェアが Z-Wave のオープンソース ライブラリに追加されたときに、Z-Wave 技術の特定の部分が一般に公開されました。[23] Z-Wave MAC/PHY は、国際電気通信連合によってITU 9959 無線として世界的に標準化されています。[24] Z-WaveのS2セキュリティ、IPネットワーク上でZ-Wave信号を伝送するためのZ/IP、およびZ-Waveミドルウェアは、2016年現在、すべてオープンソースです。[23] 2020年に、Z-WaveアライアンスはZ-Wave仕様を承認し、アプリケーションをオープンソース開発に追加しました。アライアンス技術ワーキンググループは、Z-Wave仕様の開発を管理し、Z-Wave準拠製品の標準実装ライブラリを維持しています。[25]
標準規格とZ-Waveアライアンス
2005年に設立され、2020年に非営利団体として再法人化されたZ-Waveアライアンスは、市場開発、技術的なZ-Wave仕様とデバイス認証、Z-Waveテクノロジーに関する教育に特化した会員主導の標準開発組織です。Z-Waveアライアンスは、住宅および商業用コネクテッドテクノロジー市場の300社を超える企業からなるコンソーシアムです。Z-Waveアライアンスは、すべての世代のZ-Waveデバイス間で完全な下位互換性を備えた相互運用性を保証する標準に従ってデバイスを認証します。これらの標準には、信頼性、範囲、消費電力、デバイスの相互運用性に関する仕様が含まれます。[5] [11] [26] [27]
2013年10月、Z-Wave Plusと呼ばれる新しいプロトコルと相互運用性の認証プログラムが発表されました。これは、500シリーズのシステムオンチップ（SoC）に必要な新機能と高度な相互運用性標準をまとめたものであり、2012年から300/400シリーズSoCで利用可能だった機能もいくつか含まれています。[28] 2014年2月、最初の製品がZ-Wave Plusによって認証されました。[29]
2016年、アライアンスはZ-Wave認定インストーラートレーニングプログラムを立ち上げ、インストーラー、インテグレーター、ディーラーに住宅や商業施設でZ-Waveネットワークとデバイスを導入するためのツールを提供しました。同年、アライアンスは、ネットワークとデバイスのセットアップ中に使用できる診断およびトラブルシューティングデバイスであり、リモート診断ツールとしても機能するZ-Wave認定インストーラーツールキット（Z-CIT）を発表しました。[30]
Z-Wave Long Range（LR）は2020年9月に発表されました。これは、通常のZ-Wave信号よりも範囲が拡大された新しい仕様です。LR仕様は、Z-Wave Plus v2認証の下で管理および認証されています。[8] 2022年3月15日、Z-Wave Allianceは、セキュリティおよびホームオートメーションブランドのEcolinkが、Ecolink 700シリーズガレージドアコントローラーでZ-Wave LR認証を最初に完了したことを発表しました。[31]
Z-WaveアライアンスはZ-Wave認証プログラムを管理しています。Z-Wave認証には、技術認証と市場認証の2つの要素があります。[32]
2019年12月、Z-WaveはZ-Waveソースコードプロジェクトを発表し、新設されたOSワークグループの監督の下、メンバーが標準規格の発展に貢献できるよう、プラットフォームのソースコードを公開すると発表した。このプロジェクトは、アライアンスメンバーがGitHubで利用できる。[33] [34]
2019年12月、Z-Waveアライアンスは、Z-Wave仕様が批准されたマルチソースのワイヤレス標準になると発表しました。これには、ITU.G9959 PHY / MAC無線仕様、アプリケーション層、ネットワーク層、およびホストデバイス通信プロトコルが含まれます。これは、単一ソースの仕様ではなく、Z-Waveアライアンスの共同ワーキンググループメンバーによって開発されたマルチソースのワイヤレススマートホーム標準になります。[35] Z-Waveアライアンスは、認証プログラムを引き続き管理しながら、標準化団体（SDO）になります。 [36] 2020年8月、Z-Waveアライアンスは、新しいSDO構造の下で7つの創設メンバーであるAlarm.com、Assa Abloy、Leedarson、Ring、Silicon Labs、StratIS、およびQolsysを擁する独立した非営利の標準化団体として正式に法人化されました。 SDOの下には、機能に特化した技術ワーキンググループ、認証、セキュリティ、マーケティンググループなど、新しいメンバーシップレベル、ワークグループ、委員会があります。[37]
技術的特徴
無線周波数
Z-Wave は、最大 100 kbit/s のデータ レートで、信頼性が高く、低遅延の小さなデータ パケット送信を提供するように設計されており、[38 ] 主に高データ レート向けに設計されているWi-Fiやその他のIEEE 802.11ベースの無線 LANシステムとは異なり、制御およびセンサー アプリケーションに適しています[39]。2 つのノード間の通信距離は、屋外では見通し距離 200 メートル、屋内では見通し距離 50 メートルです[40]。また、ノード間で最大 4 回までメッセージをホップできるため、ほとんどの住宅に十分なカバレッジが得られます。変調はマンチェスター符号化による周波数シフト キーイング(FSK) であり、[39]その他のサポートされている変調方式には、 GFSKと DSSS-OQPSK があります。[41]
Z-Waveはパート15の無免許産業、科学、医療（ISM）帯域を使用し、[42]世界的にさまざまな周波数で動作します。たとえば、ヨーロッパでは868〜869 MHz帯域で動作しますが、北米では、Z-Waveがメッシュネットワークとして動作している場合は908〜916 MHz、Z-WaveがZ-Wave LRモードでスタートポロジーで動作している場合は912〜920 MHzで動作します。[43] [4] Z-Waveのメッシュネットワーク帯域は、一部のコードレス電話やその他の民生用電子機器と競合しますが、混雑した2.4 GHz帯域で動作するWi-Fi、Bluetooth、およびその他のシステムとの干渉を回避します。[5]下位層のMACおよびPHYはITU-T G.9959で説明されており、完全に下位互換性があります。 2012年、国際電気通信連合（ITU）は、1GHz未満の無線デバイス向けのG.9959規格にZ-Wave PHYおよびMAC層をオプションとして含めました。データレートは9600ビット/秒と40kビット/秒で、出力は1mWまたは0dBmです。[4]
Z-Waveは、世界各地で以下の周波数帯域で使用できるようにリリースされています。[44] [43]
ネットワーク設定、トポロジー、ルーティング
従来のハブアンドスポークネットワークには、ルーターに接続するワイヤレスデバイスなど、すべてのデバイスが接続される1つの中央ハブまたはアクセスポイントが含まれます。Z-Waveデバイスはメッシュネットワークを作成し、中央ハブに加えてデバイスが相互に通信できるようにします。メッシュネットワークの利点には、範囲と互換性が広く、ネットワークが強力になることなどがあります。[45]
Z-Wave LRデバイスは、メッシュネットワークのように目的の宛先に到達するまでノードからノードへ信号を送信するのではなく、ハブを中央点に配置して各デバイスに直接接続するスターネットワークトポロジーで動作します。スターネットワークとメッシュネットワークの主な違いは、ハブからデバイスへの直接接続です。Z-Wave LRノードと従来のZ-Waveノードはどちらも同じネットワーク内で共存できます。[41]
最もシンプルなネットワークは、制御可能なデバイス 1 台とプライマリ コントローラ 1 台です。デバイスは、中間ノードを使用して、家庭内の障害物や、家庭内のマルチパス環境で発生する可能性のある無線デッド スポットをアクティブに迂回して迂回することで、相互に通信できます。 [39]ノード A からノード C へのメッセージは、3 番目のノード B がノード A および C と通信できる場合、2 つのノードが範囲内になくても正常に配信できます。優先ルートが利用できない場合、メッセージの発信者は、C ノードへのパスが見つかるまで他のルートを試します。したがって、Z-Wave ネットワークは、単一ユニットの無線範囲よりもはるかに広範囲に及ぶことができます。ただし、これらのホップが複数あると、制御コマンドと目的の結果の間にわずかな遅延が生じる可能性があります。[46]
追加のデバイスはいつでも追加できます。また、従来のハンドヘルド コントローラー、キー フォブ コントローラー、壁スイッチ コントローラー、Z-Wave ネットワークの管理と制御用に設計された PC アプリケーションなどのセカンダリ コントローラーも追加できます。Z-Wave ネットワークは、最大 232 台のデバイス、または Z-Wave LR を使用した単一のスマート ホーム ネットワーク上の最大 4,000 台のノードで構成できます。どちらも、より多くのデバイスが必要な場合にネットワークをブリッジするオプションがあります。[4]
Z-Wave 経由でデバイスを制御するには、まずデバイスを Z-Wave ネットワークに「組み込む」必要があります。このプロセス (「ペアリング」および「追加」とも呼ばれます) は通常、コントローラとネットワークに追加されるデバイスのボタンを順に押すことで実行されます。このシーケンスは 1 回だけ実行すればよく、その後はデバイスがコントローラによって常に認識されます。デバイスは同様のプロセスで Z-Wave ネットワークから削除できます。コントローラは組み込みプロセス中にデバイス間の信号強度を学習し、ルートを計算するときにこの情報を使用します。デバイスが移動され、以前保存された信号強度が間違っている場合、コントローラは 1 つ以上の探索フレームを通じて新しいルート解決を発行することがあります。
各 Z-Wave ネットワークはネットワーク ID によって識別され、各デバイスはさらにノード ID によって識別されます。ネットワーク ID (ホーム ID とも呼ばれます) は、1 つの論理 Z-Wave ネットワークに属するすべてのノードの共通 ID です。ネットワーク ID の長さは 4 バイト (32 ビット) で、デバイスがネットワークに「組み込まれた」ときに、プライマリ コントローラによって各デバイスに割り当てられます。異なるネットワーク ID を持つノードは相互に通信できません。ノード ID は、ネットワーク内の 1 つのノードのアドレスです。ノード ID の長さは 1 バイト (8 ビット) で、ネットワーク内で一意である必要があります。[47]
Z-Waveチップは電池駆動のデバイス用に最適化されており、ほとんどの時間は消費電力を抑えるために省電力モードになっており、機能を実行するときだけ起動します。[13] Z-Waveメッシュネットワークでは、家中の各デバイスが無線信号を家中に反射するため、消費電力が少なくなり、デバイスは電池を交換することなく何年も動作することができます。[23] Z-Waveユニットが迷惑メッセージをルーティングできるようにするには、スリープモードにすることはできません。したがって、電池駆動のデバイスはリピーターユニットとして設計されていません。Z-Waveでは、ネットワーク内のすべてのリピーター対応デバイスが元の検出された位置に留まると想定されているため、リモコンなどのモバイルデバイスも除外されます。
安全
Z-Waveは、主要なチップベンダーであるSigma Designsによってサポートされている独自の設計に基づいていますが、Z-Wave事業部門は2018年にSilicon Labsによって買収されました。[22] [4] [48] 2019年12月、Silicon Labsは、Z-Wave Allianceによって認定される開発のためのオープンワイヤレス標準としてZ-Wave仕様をリリースすると発表しました。[36]
AES 暗号化された Z-Wave ドアロックに初期の脆弱性が発見されました。この脆弱性は、暗号化キーを知らなくてもリモートからドアのロックを解除できるもので、キーが変更されたため、「ドアが開いている」などの後続のネットワークメッセージは、ネットワークの確立されたコントローラによって無視されます。この脆弱性は、Z-Wave プロトコル仕様の欠陥によるものではなく、ドアロック製造元の実装エラーによるものでした。[49]
2016年11月17日、Z-Waveアライアンスは、2017年4月2日時点でZ-Wave認証を受けるデバイスに対するより強力なセキュリティ基準を発表しました。セキュリティ2（またはS2）として知られるこの規格は、スマートホームデバイス、ゲートウェイ、ハブに高度なセキュリティを提供します。[27] [50]これは、ノード間の送信の暗号化標準を強化し、各デバイスに固有のPINまたはQRコードを使用した新しいペアリング手順を義務付けています。新しい認証レイヤーは、ハッカーがセキュリティ保護されていない、またはセキュリティが不十分なデバイスを制御するのを防ぐことを目的としています。[51] [52] Z-Waveアライアンスによると、新しいセキュリティ標準は、スマートホームデバイスとコントローラー、ゲートウェイ、ハブ向けに市場で入手可能な最も高度なセキュリティです。[53] 2021年後半にリリースされた800シリーズチップは、標準のS2セキュリティ機能とSilicon Labs Secure Vaultテクノロジーを引き続きサポートし、ワイヤレスデバイスにPSA認証レベル3のセキュリティを提供します。
2022年に研究者らは、オープンソースのプロトコル固有のファザーに基づいて、700シリーズまでのZ-Waveチップセットにいくつかの脆弱性を公開しました[54] 。 [55]その結果、チップセットとデバイスによっては、Z-Waveの無線範囲内の攻撃者がサービスを拒否したり、デバイスをクラッシュさせたり、バッテリーを消耗させたり、トラフィックを傍受、監視、再生したり、脆弱なデバイスを制御したりすることができます。関連するCVE（CVE-2020-9057、CVE-2020-9058、CVE-2020-9059、CVE-2020-9060、CVE-2020-9061、CVE-2020-10137）がCERTによって公開されました。[56] 100、200、300シリーズのチップセットを搭載したZ-Waveデバイスは、脆弱性を修正するために更新することはできません。 500および700チップセットシリーズを搭載したデバイスでは、これらの脆弱性はファームウェアのアップデートによって軽減される可能性があります。[57]
ハードウェア
Z-WaveノードのチップはZW0500で、内部システムクロックが32MHzのIntel MCS-51 マイクロコントローラをベースに構築されています。チップのRF部分には、ソフトウェアで選択可能な周波数用のGisFSKトランシーバーが含まれています。電源は2.2〜3.6ボルトで、送信モードでは23mAを消費します。[39]その機能には、AES-128暗号化、100kbit/sワイヤレスチャネル、複数チャネルの同時リスニング、USB VCPサポートなどがあります。[58]
2018年1月8日のコンシューマーエレクトロニクスショーで、シグマデザインズはZ-Wave 700プラットフォームを発表しました。[59] 700シリーズチップは2019年にリリースされました。[8]これにより、屋外で最大300フィートの範囲で使用でき、コイン型電池で最大10年間動作できる新しいクラスのスマートホームデバイスが可能になります。700シリーズは32ビットARM Cortex SoCを使用していますが、他のすべてのZ-Waveデバイスとの下位互換性が維持されています。[59]強化されたS2セキュリティフレームワークとSmartStartセットアップ機能が含まれています。[8] 2019年7月、Z-Waveアライアンスは、700プラットフォームで構築されたデバイス向けに設計された、より強力な相互運用性とセキュリティ、およびより簡単なインストールプロセスを実現するZ-Wave Plus v2認定を発表しました。[8]
Z-Wave Long Range（LR）は2020年9月に発表されました。これは、通常のZ-Wave信号よりも範囲が改善された新しい仕様です。[8]この仕様は最大出力30dBmをサポートしており、これを使用して伝送範囲を最大数マイル強化できます。テストでは、Z-Wave LRは+14dBmの出力電力を使用して、直接見通し1マイル（1.6km）の伝送距離を実現しました。[60] Z-Wave LRは、Z-Waveプロトコルに追加された100kb/s DSSS OQPSK変調です。この変調は4番目のチャネルとして扱われ、ゲートウェイは既存のZ-WaveチャネルスキャンにLRノードを追加できます。Z-Wave LRは、単一のスマートホームネットワークのスケーラビリティを最大4,000ノードまで向上させ、Z-Waveと比較して20倍の増加となります。[60] Z-Wave LRは低消費電力で動作するため、センサーはコイン型電池1個で10年間使用できます。他のZ-Waveデバイスとの下位互換性と相互運用性があります。[8]
2021年12月、シリコンラボは、Z-Waveスマートホームおよびオートメーションエコシステム向けのZ-Wave 800システムオンチップおよびモジュールの提供開始を発表しました。これは、700シリーズと比較してバッテリー寿命が向上し、IoTデバイス向けの安全で超低消費電力、ワイヤレスであると説明されています。[16]
他のプロトコルとの比較
スマートホームのワイヤレスネットワークでは、多数の技術が連携して機能しています。Z-Wave は、低消費電力、長距離、RF 干渉の低減というアプリケーションレベルのメリットを活用するために、2.4 GHz (高帯域幅) ではなく 1 GHz 未満 (低帯域幅) で動作します。WiFi と Bluetooth は、大量の電力を消費するデバイス間の大量のトラフィックを管理する 2.4 GHz 帯域幅で動作します。その他のネットワーク標準には、Bluetooth LE とThreadがあります。Z-Wave はZigBeeよりも相互運用性に優れていますが、ZigBee の方がデータ伝送速度が速いです。Thread と Zigbee は混雑した Wi-Fi 標準周波数 2.4 GHz で動作しますが、Z-Wave は 1 GHz 未満で動作するため、ノイズと混雑が軽減され、カバー範囲が広くなります。これら 3 つはすべてメッシュ ネットワークです。[61] [62]
Z-Wave MAC/PHYは国際電気通信連合によってITU 9959無線として世界的に標準化されており、Z-Wave相互運用性、セキュリティ（S2）、ミドルウェア、Z-Wave over IP仕様はすべて2016年にパブリックドメインにリリースされ、Z-Waveは開発のための完全に承認されたオープンソースプロトコルになりました。[62]
OpenZWaveはC++で書かれたライブラリで、ラッパーやサポートプロジェクトがあり、さまざまな言語やプロトコルをインターフェースし、Z-Waveプロトコルの詳細な知識を必要とせずに、誰でもZ-Waveネットワーク上のデバイスを制御するアプリケーションを作成できるようにします。このソフトウェアは現在、Z-Wave機能をアプリケーションに組み込みたいアプリケーション開発者を対象としています。[63] 2022年11月17日現在、OpenZWaveは積極的にメンテナンスされていません。[64]
マターは、コネクティビティ・スタンダード・アライアンスによって提唱され、2019年12月19日に設立されました。ワイヤレス技術とスマートホームエコシステムの両方で接続されたデバイスが連携できるように、デバイス通信を統一することを目的としています。Z-WaveネットワークはゲートウェイレベルでIPを持ち、マターへのクラウド接続を可能にします。また、ローカルネットワークレベルで連携することもできます。[65]
参照
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外部リンク
- 公式サイト