LoRaWAN Nieuwe netwerktechnologie

  • Nieuwe netwerktechnologie LoRaWAN in Rotterdam

Zonder open netwerk geen IoT!

Het Internet der Dingen (IoT) was in 2015 niet van de beurzen, seminars en tijdschriftpagina’s weg te slaan. Maar al dat gepraat laat onverlaat: via welke technologie gaan we eigenlijk allemaal communiceren? De nieuwe technologie LoRaWAN duikt op.

Het is geen probleem om sensoren via een draadloos netwerk aan te sluiten, zolang het maar in een gebouw is. Via wifi, Zigbee, bluetooth et cetera kunnen de relatief korte afstanden makkelijk overbrugd worden. Buitenshuis wordt het al een stuk lastiger – gebruik van het gsm-net is natuurlijk mogelijk, het kent een landelijke dekking, maar de abonnementskosten zijn hoog, én het stroomverbruik maken het gebruik van batterijgevoede sensoren onpraktisch. Verder is er nog het – al lang bestaande – Mobitex, maar ook daar is de levensduur van de batterij een probleem. En WirelessHART en ISA-100 zijn weer niet bedoeld voor hele grote afstanden.

Het is hier dat LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network, of kortweg LoRa) een oplossing moet gaan bieden. Een nieuwe technologie met een groot bereik, energiezuinig en goedkoop te implementeren. Opvallend is dan ook dat het eerste Nederlandse LoRa-netwerk onlangs in Amsterdam is opgestart door vrijwilligers van The Things Network. Maar KPN ziet er ook brood in, in eerste instantie nu al in Rotterdam en Den Haag, en de plannen zijn er om dit jaar een landelijke dekking te krijgen. En ook in andere Europese landen zijn de telecomproviders er al actief mee.

Wat is LoRa?

LoRa is een nieuwe draadloze netwerktechnologie, die het gat moet vullen tussen enerzijds gsm en anderzijds IoT-netwerken. Met andere woorden: het gat tussen dekking in een land, of in een gebouw. Het is een Low-Power Wide-Area Network (LPWAN), low-power omdat het geschikt is voor batterijgevoede apparatuur, en WAN omdat grote afstanden te overbruggen zijn: tot 10 kilometer.

De technologie is oorspronkelijk ontwikkeld door IBM in samenwerking met elektronicaleverancier SemTech, maar wordt nu verder uitgebouwd door de LoRa Alliance. In juni 2015 is de eerste versie (r1.0) van de specificatie uitgekomen.

De te gebruiken frequentieband is afhankelijk van het werelddeel waarin LoRa gebruikt wordt: 433 MHz in Azië, 902..928 MHz in de VS, of 863-870 MHz binnen Europa. Dit zijn steeds ISM (Industrial, Scientific, Medical) toegewezen frequenties, waarop zonder licentie gewerkt kan worden. Het gebruik van deze lage frequenties, althans lager dan de 2,4 GHz van andere systemen, maakt dat grotere afstanden overbrugd kunnen worden, en men ook minder last heeft van obstakels door het hoger doordringingsvermogen. Bijvoorbeeld, van leverancier Libelium: met een zend­vermogen van 14 dBm (25 mWatt) én zeer gevoelige ontvangers (-134 dBm, dat is 1/20 femtoWatt!) kan in stedelijke omgevingen een afstand van meerdere kilometers overbrugd worden, en in landelijke omgevingen een kilometer of tien.
Er wordt gebruik gemaakt van spread-spectrumtechnologie, om de impact van storingen zoveel mogelijk te neutraliseren.

De snelheid kan variëren tussen 300 bit/s tot 50 kbit/s. Uiteraard heeft dit wel een invloed op de levensduur van de batterij; LoRa zal het zendvermogen van de radio zo laag als mogelijk houden. Dit is op zich niet nieuw, een mobieltje doet het ook, daarom is de accu eerder leeg als de ontvangst slecht is.

De netwerkopbouw

Een LoRa netwerk bestaat uit een aantal componenten:

1.>De zogenaamde “nodes” of “end points” meestal sensoren, maar actuatoren mogen ook. Uiteindelijk zijn alle nullen en enen voor LoRa maar bits, die deze gewoon aflevert waar ze moeten komen – zoals de meeste netwerken doen – en wat de elektronica dan met die nullen en enen doet is aan de implementatie. End points communiceren draadloos met een of meerdere gateways (zie 2).
2.>De “gateways”, die enerzijds de draadloze communicatie met de nodes uitvoeren, en anderzijds werken in opdracht van een server (zie 3). Communicatie met de server kan lopen via een eigen netwerk, internet, of een andere technologie. Een gateway kan met enkele duizenden tot tienduizenden nodes tegelijk werken.
3.>De “server” voert het beheer over het LoRa netwerk uit, filtert dubbele netwerkberichten, stuurt ontvangstbevestigingen en stelt de gewenste communicatiesnelheid naar een node vast.
4.>De besturingscomputer, die data uit de nodes leest en deze eventueel aanstuurt.

De nodes zijn beschikbaar in drie varianten, klasse A, B en C. Klasse A is het simpelst, men krijgt een van tevoren afgesproken transmissieslot, direct gevolgd door twee ontvangstslots. Het is dus niet mogelijk data op een willekeurig moment naar een node te sturen. Dit maakt het een zeer energiezuinige manier van werken, omdat een node zijn radio alleen op de juiste momenten aan hoeft hebben te staan. Alle LoRa apparaten moeten verplicht klasse A ondersteunen. Klasse B gaat stapje verder, hierbij worden extra ontvangstslots ingepland. Tenslotte biedt klasse C de meeste mogelijkheden, hierbij is het mogelijk om bijna continu actief te zijn met zenden/ontvangen van data. Dit is meestal ook netgevoede apparatuur.

De specificatie van LoRa is voor iedereen te vinden op de eerder genoemde website. Interessant is natuurlijk, hoe stabiel is deze specificatie? Ervaringen met specificaties van andere netwerken leren dat aanpassingen en functionele uitbreidingen elkaar in de eerste jaren in hoog tempo opvolgen. Dat is lastig voor eindgebruikers, die steeds geconfronteerd kunnen worden met apparaten die mogelijk niet (meer) met elkaar kunnen samenwerken. Nu is dat voor een klein netwerk nog wel overkomelijk. Maar als de beloofde aantallen “things” er ook inderdaad gaan komen, dan is compatibiliteit een must. Het zou paradoxaal zijn als we een technologie hebben waar we de batterij maar eens per vijf jaar hoeven te vervangen, terwijl we vanwege de software er toch weer elk half jaar naar toe moeten.

LoRa in Nederland

Het eerste LoRa netwerk is in 6 weken opgezet in Amsterdam door een aantal vrijwilligers van The Things Network. Met een tiental gateways, kostprijs ca. € 1.100 per stuk, is een netwerk opgezet dat de hele Amsterdamse regio afdekt en hier lopen nu experimenten. Een nieuwe versie van de gateway moet nog maar € 200 gaan kosten; via KickStarter is een community-fundingproject gestart die dit mogelijk moet gaan maken. En: de software is open-source.

Inmiddels heeft ook KPN aangekondigd om in 2016 in heel Nederland LoRa aan te gaan bieden. De eerste opstellingen zijn reeds functioneel in Den Haag en Rotterdam. Hier zal straks wel een abonnement voor nodig zijn. De manier van gebruik is wel heel anders dan bij gsm: berichten tot maximaal 50 bytes, tot 700 berichten per dag. Dat is wel wat anders dan 12 Mbit/s bij gsm met 4G, maar anderzijds de accu van de mobiele telefoon is wel elke dag leeg. Met LoRa zou een sensor het op 2 AA-batterijen 15 jaar moeten kunnen uithouden – claimt KPN. Het voordeel van KPN boven vrijwilligers is dat KPN reeds een landelijke infrastructuur heeft om gateways te plaatsen: op de gsm-zendmasten. Die gateways kunnen dan via het KPN-interne netwerk communiceren met de elders in het land geplaatste server(s).

LoRa kan ook gebruikt worden voor mobiele toepassingen via de zgn. “roaming” functie. Een node schakelt dan steeds van netwerk naar netwerk, net zoals een mobieltje van zendmast wisselt tijdens een autorit. KPN stelt dat ook in het buitenland zo met LoRa gewerkt kan worden: in 2016 in België, Frankrijk en Zwitserland. Of dat ook zo gaat werken met door vrijwilligers beheerde netwerken is nog onduidelijk. Voor gastgebruik van andermans netwerk zal te zijner tijd vast betaald moeten gaan worden. Maar deze ontwikkelingen moeten bij LoRa allemaal nog plaatsvinden, het is nu nog erg jong.

KPN zal de markt overigens moeten delen met anderen – zo is in Eindhoven sinds 27 oktober 2015 al DraadloosEindhoven in de lucht met een LoRa netwerk met 500 km2 dekking. Dit wil men uitbreiden naar Den Bosch, Tilburg, Breda en Antwerpen en later dit jaar een landelijke dekking.

Wat is ermee te doen?

Er zijn al enkele toepassingen van LoRa actief, zoals het bewaken van de status van lantarenpalen in Rotterdam. De gemeente Amsterdam wil er meerpalen in de haven mee monitoren. De vrijwilligers van The Things Network zijn erg actief om op diverse plaatsen in Nederland allemaal gateways te plaatsen. Maar met gateways alleen zijn we er natuurlijk nog niet. Er zijn ook nodes nodig, en software. Datgene wat nu te koop is, is nog niet zo geschikt voor eindgebruikers. Er is elektronicakennis nodig, en softwarekennis. Over enkele jaren zullen er kant-en-klare producten op de markt komen, dan zal het verder doordringen in de zakelijke en consumentenmarkt. Het lijkt een beetje op wat begin 90’er jaren gebeurde: vrijwilligers zetten hun lokale internetknooppunt op. Veel van deze initiatieven zijn of verdrongen door professionele bedrijven, of zijn zelf in bedrijfsvorm verder gegaan.

Industrieel gebruik van LoRa zal ook nog moeten uitkristalliseren. Qua snelheid moeten we niet al te veel verwachten, maar voor veel toepassingen hoeft dit geen probleem te zijn. Juist die toepassingen waarbij tot voor kort nooit aan een draadloze link werd gedacht vanwege kosten en/of bereik, zouden tot interessante gebruiksmogelijkheden kunnen leiden. Wie had er ooit gedacht om een meerpaal in een haven van een draadloze link te voorzien?

Aan de slag

Het leuke van LoRa is dat je er ook als particulier mee aan de slag kunt, bijvoorbeeld door mee te doen aan het Kickstarter project van The Things Network. Via de RDM Makerspace uit Rotterdam kan ook een één-avond LoRa cursus gevolgd worden (á € 185, mét pizza) waarna men de apparatuur mee naar huis mag nemen en kan werken op een proeflicentie van KPN. De technologie is nog erg jong, dus wie mee doet kan zelf helpen hem verder te ontwikkelen!

Advertisment ad adsense adlogger