Beheer

Netwerken
Tolpoortjes

De tolwegen van het Internet of Things

De verschillende alternatieve netwerken voor het IoT hebben zo hun voors en tegens.

2 februari 2016

Het opnemen van ‘dingen’ in een netwerk was lange tijd een specialiteit van de sector elektrotechniek. In en om een pand werden schakelaars en voelers gemonteerd die via aparte ­kabeltjes werden aangesloten op een centrale regelkast. Voordeel: zo’n bedrade installatie was overzichtelijk en ­robuust. Grote nadeel: de aanleg kostte goudgeld. Eventueel later veranderen joeg de rekening nog verder omhoog. Vandaar dat deze oplossing vooral toegepast wordt wanneer de ‘dingen’ niet al te ver bij elkaar en de ‘vaste’ internetaansluiting uit de buurt staan. Met name bij domotica, zoals de verzameling gadgets in en om het huis wordt genoemd, wordt deze oplossing nog steeds wel gebruikt. Maar ook daar zet men vraagtekens. “Huisautomatisering werd heel vaak aangeduid als een huis met een ­netwerk dat vrijwel niet te betalen was”, zegt Diederik de Kruijff, ­automatiseerder bij ICT Waarborg.

Vandaar dat ook in deze omgeving draadloze oplossingen in opkomst zijn.Daarbij moet je onderscheid maken tussen draadloze oplossingen voor de korte en voor de lange afstand. De eerste maken gebruik van wifi, Bluetooth of andere – via de consumentenroute minder bekend ­geworden – protocollen als Zigbee. Deze technieken hebben met elkaar gemeen dat het signaal snel verslechterd bij toenemende afstand tot het netwerk, ­zeker als dat door muren of andere objecten moet dringen.

Naarmate het te bestrijken terrein in omvang toeneemt, worden deze ­oplossingen daardoor al snel onpraktisch. Het aantal access points die de ingang tot het bedrade netwerk vormen, neemt dan snel toe, of men moet gaan werken met constructies waarbij bepaalde ‘dingen’ de concentrator vormen van het verkeer met andere sensoren in de omgeving. ­Beheertechnisch leveren dergelijke constructies al snel problemen op, terwijl de kosten ervan ook snel kunnen oplopen naarmate meer access points danwel concentrators nodig zijn. Het stroomverbruik van de apparaten die met internet verbonden zijn, kan ook een probleem worden. Wifi en Bluetooth zijn niet op zuinig omspringen met energie gebouwd, omdat ze bedoeld zijn voor overdracht van grote hoeveelheden gegevens tegelijk. Dat begint overigens wel te veranderen. Van wifi is een standaard in de maak – met de naam 802.11ah – die beter geschikt is voor IoT-toepassingen en wat meer bereik heeft door in een ander deel van het spectrum te zenden en ontvangen dan wifi gemeenlijk doet. Onlangs introduceerde Rockchip zelfs een wifi-kaart die het energieverbruik met 85 procent terugdringt, voornamelijk door alle overhead in het contact met het basisstation uit te bannen; zo’n kaart kan 35 jaar toe met een batterij van het type AAA, claimt Rockchip. Van Bluetooth is een Smart-variant ontwikkeld die veel minder energie vergt en grotere afstanden kan ­overbruggen. Dat verlicht de beperkingen die ontstaan door het relatief geringe bereik en de noodzaak een structuur van access points aan te ­(laten) leggen en te (laten) onderhouden natuurlijk wel.

 

M2M via mobiele net nog vaak prijzig

Toch zijn draadloze oplossingen voor de lange afstand in veel scenario’s te verkiezen of zelfs aangewezen. De bestaande oplossing lijkt heel veel op het gebruik van een mobiele telefoon. Een sensor of groepje sensoren wordt voorzien van een SIM-kaart, zodat via het mobiele net contact kan worden gelegd. Deze methode werkt goed en is ook betrouwbaar. Er hangt alleen een hoog prijskaartje aan, vaak met dezelfde ingewikkelde structuur die men kent van abonnementen op mobiele telefonie, met aansluitkosten, maandelijkse abonnementskosten en kosten naar rato van het dataverkeer. In Zweden vraagt bijvoorbeeld ­Telenor daar omgerekend respectievelijk zo’n 13 euro, 5 euro per maand en 75 eurocent per 2 megabyte voor.

Bij de verwachte groei van het Internet of Things zijn dat onhanteerbare bedragen en methoden van afrekenen. Ericsson, bijvoorbeeld, voorspelt dat er in 2020 – passieve sensoren en RFID-labels niet meegerekend – wereldwijd 26 miljard ‘connected devices’ zullen zijn. Daar zitten zo’n 4 miljard stuks verbonden consumentenelektronica bij, en 7 miljard apparaten die rechtstreeks met andere apparaten communiceren (machine to machine of M2M); eind 2014 telde dat aantal M2M-communicerende ­apparaten op tot een dikke miljard.

De bestaande oplossingen via het mobiele net lijden bovendien – net als de draadloze oplossingen voor korte afstand – aan het euvel, dat de ‘eindpunten’ niet zijn ontworpen met het oog op zuinig omspringen met ­energie. Lang niet alle apparaten c.q. dingen die je wilt aansluiten op het Internet of Things hebben een geschikte stroombron in de buurt. Dan wordt aansluiten onpraktisch als communicatiemodule elke maand of enkele paar maanden een nieuwe batterij nodig heeft.

 

Alternatieven in het ongelicentieerd spectrum

Om snel in te kunnen spelen op de groei-explosie en daarbij de telecomkosten binnen de grenzen te houden, zijn een aantal goedkopere alternatieven ontwikkeld. Een van de voor Nederland meest serieuze daarvan is LoraWan, dat naar voren geschoven wordt door de LoRa Alliantie, een wereldwijde club van bedrijven die apparatuur leveren die voldoet aan de LoRa-standaard. Behalve chipfabrikant Semtech participeren onder andere IBM en Cisco in deze alliantie, en ook een aantal telecombedrijven neemt deel. Voor Nederland is de beschikbaarheid van dit netwerk aanstaande doordat KPN deelneemt aan de alliantie en plannen heeft LoRa nog dit jaar aan te bieden. Het Belgische Proximus is ver gevorderd met de uitrol van LoRa in België en Luxemburg.

LoRaWan specificeert een low power netwerk dat speciaal is gemaakt voor voorwerpen/modules die door een batterij of kleine accu worden ­gevoed. De communicatie wordt zo ingeregeld dat de aangesloten elementen zo min mogelijk vermogen gebruiken. Dat wordt onder meer ­bereikt door de snelheid van het netwerk individueel te regelen. ­Apparaatjes die erg weinig vermogen hebben kunnen zo op een lage transmissiesnelheid werken, waardoor de accu langer meegaat. De bandbreedte is instelbaar tussen grofweg 300 bits per seconde en 50 kilobits per seconde.

IBM werkt vooral aan het bereik dat de zenders/ontvangers voor LoRa kunnen hebben. Bij tests is al gebleken dat een afstand van meer dan 100 kilometer overbrugd kan worden als er weinig stoorsignalen in de buurt zijn. Dit geldt vooral op het Amerikaanse platteland. In stedelijke omgevingen wordt het bereik al snel minder. In een voorstad daalt het bereik al snel tot een kilometer of 15 en middenin een drukke stad heb je geluk als een signaal met succes over een afstand van 2 kilometer kan worden ­verstuurd. IBM rekt de bovengrens van de bandbreedte trouwens op naar 100 kilobit/seconde.

Inmiddels zijn concrete toepassingen voor LoRa gerealiseerd. Het gaat dan bijvoorbeeld om slimme olietanks, voor huisgebruik, die zelf signaleren wanneer de hoeveelheid brandstof laag is en via het netwerk een ­berichtje sturen aan de olieleverancier. Ook automaten kunnen een ­slimme sensor krijgen, zodat ze zelf alarm slaan als er een probleem is of een ­bepaald artikel bijna op is.

Internationaal gezien maakt het Franse Sigfox stappen. Het heeft al overeenkomsten gesloten met netwerkuitbaters in thuisland Frankrijk, Spanje, Portugal, Groot-Brittanië, België en Nederland. In Nederland is Aerea Networks partner van Sigfox. Eerder dit jaar wist Sigfox een financiële ­injectie van 115 miljoen te krijgen voor verdere uitrol van zijn propositie in Europa, Amerika en Azië.

Sigfox specialiseert zich in het verbinden van ‘dingen’ die aan korte berichten genoeg hebben. Apparaten kunnen via een Sigfox-netwerk tot 140 keer per dag een bericht van 12 bytes sturen. Het aantal retour­berichten is beperkt tot 4 per apparaat per dag, met een maximale nuttige lengte van 8 byte.

Een derde initiatief onderscheidt zich doordat het voor open standaarden ijvert. De Weightless.org gedoopte organisatie ontstond in 2010 als Special Interest Group. Destijds was het idee om gebruik te maken van de zogeheten ‘white spaces’ in het televisiespectrum, zegt Alan Woolhouse van Weightless.org. Daarvoor is ook een standaard ontwikkeld: Weightless-W. Maar toen duidelijk werd dat die oplossing om niet-gebruikte tv-kanalen te benutten niet overal ter wereld door de regulerende instanties toegestaan zou worden, ontwikkelde Weightless.org een tweede communicatieprotocol: Weightless-N.

Weighless.org is nog wel wat verder van marktintroductie dan Lora en Sigfox. De organisatie voert inmiddels netwerkproeven uit in Londen, en beproeft zijn oplossing in de Engelse stad Milton Keynes in samenwerking met British Telecom in pilotprojecten rond slim parkeren, ter ondersteuning van de vuilophaaldienst en bij het in de gaten houden van ­luchtvervuiling.

 

Voors en tegens van ongelicentieerd spectrum

Deze initiatieven hebben een aantal karakteristieken gemeen: ze maken alle drie gebruik van ongelicentieerd spectrum in de 868 MHz-band. Daardoor kunnen ze relatief snel schakelen. Ze hebben de vrijheid zelf hun implementatie te kiezen en worden niet gehinderd door de vertraging die optreedt bij het werken in standaardisatielichamen en afstemming met concurrenten. Doordat ze hun oplossingen speciaal voor het ­Internet of Things hebben ontwikkeld, is er van aanvang af ook aandacht geweest voor energiezuinig communiceren. Door de communicatieprotocollen toe te snijden op uitwisseling van niet al te grote data­stromen waarbij gespeeld kan worden met eventuele vertraging in de communicatie, kunnen gekoppelde apparaten die op het laagste niveau ­communiceren tien jaar of langer mee op een AA-batterij. Er zijn ook vraagtekens. Om te beginnen is het voor alle drie nodig dat er geïnvesteerd wordt in nieuwe basisstations. Dat laatste probleem moet overigens niet overdreven worden, zegt Alan Woolhouse. Voor Weightless kun je volstaan met een basisstation ter grootte van een laptop met een antenne van 1 meter dat niet meer dan 4000 dollar hoeft te kosten. Door het grotere bereik heb je er ook naar verwachting ook minder van nodig dan voor de hedendaagse netwerken voor mobiele ­telefonie. Voor de andere oplossingen is dat niet veel anders. Sigfox kan naar verluidt 90 procent van de Spaanse bevolking bereiken met 1500 basisstations. Maar toch kan het daardoor wel even duren voordat er dekking is waar de geïnteresseerde klant er behoefte aan heeft. Om een idee te geven: het Belgische Proximus denkt nog dit jaar het LoRAWan te kunnen uitrollen in de grote ­Belgische en Luxemburgse steden. In 2016 zou het dan de dekking uitbreiden over het hele land.

Dan is er het vraagstuk van de interferentie. Bij uitrol kunnen niet alleen verschillende klanten van één aanbieder, maar ook de verschillende aanbieders elkaar in de weg zitten. En dat niet alleen, er zijn ook al apparaten die van dit ongelicentieerde deel van het spectrum gebruik maken. Welke maatregelen de aanbieders genomen hebben om dat probleem te pareren, is onduidelijk.

Bij de keuze voor één van de drie ontstaat bovendien vendor lock-in. De radiotechnologie waarop de LoRA Alliantie, Sigfox en Weightless.org hun IoT-netwerk baseren wijkt onderling zo fundamenteel af, dat het niet mogelijk zal zijn met dezelfde communicatiemodule op een ander netwerk over te stappen. Weightless.org biedt hier een voordeel, stelt Alan Woolhouse, omdat zijn techniek op open standaarden is gebaseerd. Maar dat voordeel materialiseert pas wanneer er in een gebied meerdere aanbieders van een Weightless-netwerk zijn.

 

Comeback van het mobiele-telefonienetwerk

En dan is er nog de vraag of deze oplossingen ook op wat langere termijn kunnen concurreren met M2M-communicatie over de bestaande mobiele-telefonienetten. Want in de technologie die daaraan ten grondslag ligt, vinden ontwikkelingen plaats die veel van de eerdergenoemde bezwaren wegnemen. Analisten willen nog wel eens twijfelen over de snelheid waarmee die ontwikkelingen tot marktrijpe aanbiedingen zullen leiden. Sommige spreken dan van 2018, of nog later. Maar dat is te pessimistisch, stelt Patrick Blankers, head sustainability and Corporate responsibility bij Ericsson – dat dicht op het vuur van de ontwikkelingen zit. Standaarden die veel van de bezwaren van mobiele telefonienetten in IoT-toepassingen wegnemen zijn bijna klaar. Netwerkapparatuur om dergelijke netwerken te bouwen komt in de eerste helft van 2016 in voldoende mate op de markt. Het Israëlische Altair heeft begin dit jaar al testexemplaren opgeleverd van chipsets om die functionaliteit in te bouwen. Dat betekent dat netwerkleveranciers eind 2016, begin 2017 netwerkfunctionaliteit kunnen aanbieden op basis van de op IoT afgestemde standaarden.

Dat mobiele-telefonienetwerken op afzienbare termijn ruimer toepasbaar worden in IoT-netwerken, is mede te danken aan het feit dat in afgeronde versies van de standaard daar al op is voorgesorteerd. In Release 13 wordt de kroon op dat werk gezet met verbeterde voorzieningen voor ‘machine type communication’. Het werk aan de protocollen voor mobiele telefonie – dat standaardisatielichaam 3GPP.org coördineert – betreft zowel de GSM-netwerken van de derde generatie als LTE/4G.

 

Substantiële verbeteringen

Een van de belangrijkste sprongen vooruit is een verbetering van het zendvermogen met 20 decibel, wat een significante verbetering van de dekking geeft, zegt Simon Biemond, solution director radio network bij Ericsson. Wat dat precies betekent voor de dekking, hangt net als bij de alternatieven af van omgevingsfactoren. Maar volgens Biemond zouden de mobiele-telefonienetwerken met deze verbetering de achterstand op de alternatieven in het ongelicentieerde spectrum ombuigen in een voorsprong. Blankers vult aan dat dit wel wat ambitieus is; maar zelfs als die 20 dB niet ten volle gerealiseerd wordt, is er een substantiële verbetering in de dekking op komst. Daarmee zullen ook apparaten die inpandig in bijvoorbeeld kelders staan opgesteld, binnen bereik kunnen komen. Voor LTE is het doel overigens iets lager gesteld: op 15 dB verbetering.

Daarnaast specificeert de volgende release maatregelen die de complexiteit van de communicatiemodules sterk reduceren. Zo komt het vereiste om de volledige bandbreedte van 20 Mhz te ondersteunen, te vervallen, is er een halfduplex-modus – waarbij een apparaat niet gelijktijdig hoeft te kunnen zenden en ontvangen en één antenne volstaat en kan de zend­capaciteit beperkt worden tot 1 megabit per seconde. Dat beperkt het energieverbruik enorm. Daarnaast krijgt men meer mogelijkheden om apparaten in slaapstand te zetten en te houden. Voor eenvoudige ‘internetdingen’ met lichte communicatie-eisen kun je dan makkelijk tien jaar toe met één AA-batterij, zegt Biemond.

 

Prijs zakt snel

Dankzij de aanpassingen in de eisen aan de communicatiemogelijkheden van apparaten worden de communicatiemodules ook stukken goedkoper. De prijs van zogeheten Cat(egorie) 0-modules voor LTE-netwerken zakt volgend jaar naar een niveau tussen de 5 en de 10 dollar, voorspelt Biemond. Er wordt ook al gewerkt aan apparaten van Cat -1; die komen naar verwachting in 2017 op de markt voor een prijs beneden de 5 dollar. (Dat er afgeteld wordt heeft te maken met het feit dat de communicatiemodules voorheen steeds krachtiger werden naarmate mobiele telefoons meer eisen stelden; een smartphone zit in Cat 3 of 4.) Voor GSM-netwerken daalt de prijs van een communicatiemodule van tussen de 5 en de 10 dollar nu naar 1 tot 3 dollar in 2018, verwacht Biemond.

De aanbieders van oplossingen in het ongelicentieerde spectrum lijken hier in het voordeel. Die beloven communicatiemodules van enkele dollars. Maar of ze dat op korte termijn waar kunnen maken, is ook voor hen oplossing de vraag. De eerste LoRa-modules van Microchip Technology kostten bij grotere bestellingen bijna 11 dollar het stuk. Voor Weightless ligt dat rond de 12 dollar.

De uitbaters van mobiele netwerken hebben ook nog enkele andere troeven uit te spelen. Netwerkoperators kunnen de dekking haast met een druk op de knop op het niveau van hun mobiele-telefonienetwerk brengen. “Invoering vraagt niet meer dan softwarematige aanpassing van de bestaande basisstations. Daar hoef je geen monteur voor langs te sturen, dat kan gewoon vanuit de centrale”, zegt Biemond. Daarnaast bieden de mobiele netwerken beproefde beveiligingsvoorzieningen en mogelijk­heden om prioriteiten aan verschillende typen verkeer toe te kennen die voor andere oplossingen niet vanzelf spreken. De alternatieve oplossingen zijn ook geen optie in de situatie waarin de ‘internetdingen’ geen vaste positie hebben, aldus Biemond. En hoewel hij niet namens de toekomstige uitbaters kan spreken, verwacht Biemond dat nieuwe aanbiedingen via het mobiele-telefonienetwerk qua tarifering simpeler en goedkoper zullen zijn dan nu het geval is.

 

Geen simpele keuzes

De conclusie is, dat er geen simpele keuzes zijn bij het kiezen van een IoT-netwerk. Veel zal afhangen van de gevraagde prestaties. Bij sensoren die slechts enkele tientallen bytes per dag hoeven uit te wisselen, zullen de afwegingen anders zijn dan bij systemen voor het monitoren van patiënten, die kilobytes zullen genereren, of – aan de andere kant van het spectrum, met bijvoorbeeld bewakingscamera’s die gigabytes per dag moeten transporteren. Sigfox komt daarbij alleen in aanmerking voor sensorgebaseerde toepassingen waar een geringe gegevensoverdracht ­volstaat, LoRa en Weightless kunnen ook in zwaardere toepassingen een rol spelen. Als de gegevensoverdracht echt omvangrijk wordt, komen ­alleen 3G en LTE nog in aanmerking.

Ook van de toelaatbare vertraging in de communicatie en andere kwaliteitsaspecten in de afhandeling van de communicatie, de dekking van het netwerk en de vraag of dingen mobiel moeten kunnen zijn ( of worden) moet de koper zich een goed beeld vormen voor hij aan het selectieproces begint. En dan is er natuurlijk nog de vraag, hoe groot de haast is om een positie te verwerven op het Internet of Things, welke netwerken op het gewenste moment überhaupt beschikbaar zijn en wat het allemaal mag kosten…

Dit artikel verscheen eerder in AutomatiseringGids nr.14 2015
 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Inloggen

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!