Bouw een lowtech internet

Een knooppunt met drie gerichte en drie sectorale antennes in Schotland. Tegola.

In steden staan zoveel WiFi-routers opgesteld dat het delen ervan in principe heel de stad van gratis mobiel internet kan voorzien. Maar ook buiten de stad biedt WiFi veel mogelijkheden. Door aangepaste netwerkprotocollen en het gebruik van antennes kan een WiFi-signaal tientallen of zelfs honderden kilometers ver worden verstuurd.

Dit soort lowtech netwerken vraagt weinig kapitaal, zodat ze door kleine organisaties of gemeenschappen kunnen worden opgezet. Bovendien verbruiken ze zo weinig energie dat ze volledig op zonne-energie of windkracht kunnen draaien. Het grootste gemeenschapsnetwerk -- het Spaanse Guifi.net -- telt intussen al meer dan 35.000 gebruikers.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Ongeveer 60 procent van de wereldbevolking heeft geen toegang tot het "wereldwijde" web. Het internet is tot nu toe voornamelijk een stedelijk fenomeen, zeker in armere landen. Telecom-operatoren zijn meestal niet geïnteresseerd om hun netwerk uit te breiden buiten de stad omdat de bevolkingsdichtheid te laag is om de hoge infrastructuurkosten terug te verdienen. In ontwikkelingslanden komen daar nog twee problemen bij: de zeer beperkte koopkracht (nog lager dan in de steden), en een onbetrouwbare (of niet-bestaande) elektriciteitsinfrastructuur.

Grote internetbedrijven zoals Facebook en Google halen regelmatig het nieuws met plannen voor het online brengen van die afgelegen gebieden. Facebook rekent daarvoor op drones, Google op ballonnen. [1] De technologische uitdagingen zijn groot, maar het belangrijkste bezwaar tegen deze plannen is de motivatie erachter. Het doel is om meer geld te verdienen door het aantal gebruikers van Facebook en Google te vergroten. Vooral Facebook ligt daarvoor onder vuur: het door hen geleverde internet promoot immers vooral Facebook en snijdt de meeste andere diensten de pas af.

Ondertussen worden er op het terrein veel eenvoudiger systemen gebouwd die hun deugdelijkheid al hebben bewezen, maar nauwelijks aandacht krijgen. Deze netwerken worden opgezet door kleine organisaties of de gebruikers zelf. Dat garandeert een open netwerk dat de gebruikers bevoordeelt in plaats van een handvol grote ondernemingen. Tegelijk zijn deze netwerken een inspiratiebron voor het ontwerpen van een duurzamer internet, omdat ze veel minder energie verbruiken.

WiFi op Lange Afstand

De meeste lowtech netwerken zijn gebaseerd op WiFi, dezelfde technologie die bij ons thuis een snelle draadloze verbinding mogelijk maakt met ADSL of kabelverbinding. Hoewel een WiFi-signaal standaard slechts een bereik heeft van dertig meter, kan dat fors worden uitgebreid door aanpassingen van het netwerkprotocol en door het gebruik van gerichte antennes. [2] Op die manier kunnen dunner bevolkte gebieden voor zeer weinig geld en zonder tussenkomst van een internetprovider met het internet worden verbonden.

De langste WiFi-link ter wereld, opgezet in 2007, is een draadloze verbinding van 384 kilometer in Venezuela. [3] Een op WiFi gebaseerd netwerk bestaat echter meestal uit een combinatie van dit soort point-to-point verbindingen, die elk een paar kilometer tot hooguit 50 of 100 kilometer lang zijn. Elk knooppunt bestaat uit minstens twee gerichte antennes: één daarvan is gericht op het vorige knooppunt, de andere op het volgende knooppunt. Sommige knooppunten hebben meerdere antennes die elk naar een ander knooppunt staan gericht. Op die manier kan het signaal via verschillende routes worden gestuurd, afhankelijk van de bestemming en van de kwaliteit van de verbindingen. [4,5]

FreiFunk in Berlijn. Bron.

Het gebruik van gerichte antennes vereist dat beide knooppunten in elkaars gezichtsveld liggen -- in die zin lijkt de technologie op de achttiende-eeuwse optische telegraaf. Liggen twee knooppunten niet in elkaars gezichtsveld, dan moet er een derde knooppunt worden tussen geplaatst dat beide andere knooppunten kan "zien". Het signaal reist dan via dat intermediare knooppunt. Afhankelijk van het terrein en het aantal obstakels kunnen meerdere tussenstations nodig zijn. [6]

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Een WiFi-signaal kan over een afstand van honderden kilometers worden verzonden door gebruik van antennes en aanpassingen van het netwerkprotocol

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Point-to-point links -- die de backbone vormen van een op WiFi gebaseerd netwerk -- worden gecombineerd met knooppunten die het signaal op verschillende plaatsen verdelen naar de individuele gebruikers. Deze knooppunten bestaan uit een omnidirectionele of sectorale antenne (een kleine versie van de dingen die je in een mobiele telefoonmast ziet hangen), of een gewone WiFi-router. Voor de verdeling van het signaal op korte afstand is een gezichtsveld tussen zender en ontvanger niet nodig. [6,7]

Belangrijk is dat een op WiFi-gebaseerd langeafstandsnetwerk op één of meerdere punten een connectie maakt met het internet. Als zo'n verbinding (een "backhaul") niet beschikbaar is, dan kunnen de gebruikers van zo'n netwerk wel met elkaar communiceren en informatie op lokale servers raadplegen, maar hebben ze geen toegang tot het wereldwijde web.

Voordelen van WiFi op lange afstand

WiFi biedt een hoge bandbreedte (maximum 54 Mbps) voor een erg lage investering. WiFi-routers en antennes kunnen voor weinig geld worden gekocht. [8] Tegenwoordig worden er ook kant-en-klare pakketten aangeboden die antenne, WiFi-router en processor combineren. WiFi-knooppunten kunnen zelfs worden samengesteld uit afgedankte onderdelen zoals oude computers, routers en schotelantenne's. De knooppunten zijn ook erg licht wat geld en materiaal bespaart in het geval er een toren moet worden gebouwd. Aanbieders van dit soort WiFi-materiaal zijn onder meer Ubiquity, Alvarion en MikroTik. [3,4,6]

Een knooppunt in het Schotse Tegola-netwerk.

Daarnaast maakt de technologie gebruik van een deel van het spectrum dat ongereguleerd is. Er moet dus niet onderhandeld worden met regeringen en andere internetproviders. [7] Tot slot ligt het energieverbruik van een WiFi-knooppunt erg laag. Een typische configuratie bestaande uit twee langeafstandverbindingen (naar twee andere knooppunten) en een WiFi-router voor lokale distributie verbruikt ongeveer 30 watt. [6,9] Het is dus haalbaar om elk knooppunt met een zonnepaneel (of kleine windturbine) te doen werken.

Kortom, de technologie vermindert de kosten voor zowel de installatie als het gebruik van een netwerk spectaculair in vergelijking met traditionele netwerktechnologie. Dat brengt het opzetten van een netwerk binnen het bereik van kleine organisaties en gemeenschappen.

Telegeneeskunde

De eerste op WiFi-gebaseerde netwerken werden tien tot vijftien jaar geleden opgericht. In ontwikkelingslanden zijn twee verschillende soorten WiFi-netwerken gebouwd. Een eerste type is gericht op telegeneeskunde. Afgelegen dorpen in arme landen beschikken vaak niet over medische voorzieningen. Door die dorpen draadloos te verbinden met een hospitaal in de stad kunnen dokters via videoconferencing en beeldbestanden vanop afstand diagnoses uitvoeren en zwangerschappen opvolgen. [10]

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

WiFi-netwerken zijn zo goedkoop dat ze door gemeenschappen zelf kunnen worden opgezet

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bijvoorbeeld in Peru werden vijftien afgelegen dorpen verbonden met een hospitaal in de stad Iquitos. Het netwerk is in totaal 450 km lang en bestaat uit 17 knooppunten. De afzonderlijke draadloze verbindingen zijn tot 50 km lang [10,11] en alle knooppunten worden aangedreven door zonnepanelen. [10,11] Soortgelijke netwerken werden gebouwd in India, Malawi en Ghana. [12,13]

Een ander type WiFi-netwerk in ontwikkelingslanden is gericht op meer traditionele toepassingen van het internet. Bijvoorbeeld het Akshaya netwerk in India gebruikt WiFi om ongeveer 2.500 internetkiosken op het platteland (waar lokale inwoners toegang hebben tot een computer) aan te sluiten op het internet. [14]

AirJaldi in India.

Het netwerk omvat de volledige deelstaat Kerala en is een van de grootste WiFi-netwerken ter wereld. Een ander voorbeeld, ook in India, zijn de AirJaldi netwerken die internettoegang bieden aan ongeveer 20.000 mensen in zes deelstaten. Al deze netwerken bevinden zich in afgelegen gebieden en op moeilijk terrein. Ook hier worden alle knooppunten van energie voorzien door zonnepanelen. [15]

Gemeenschapsnetwerken

De WiFi-netwerken in ontwikkelingslanden werden allemaal opgezet door ngo's, overheden, universiteiten of kleine bedrijven. Maar ook de gebruikers zelf kunnen het initiatief nemen. Dat is het geval met een aantal grootschalige WiFi-netwerken in Europa, zoals Guifi.net (Spanje), Athens Wireless Metropolitan Network (Griekenland), FunkFeuer (Oostenrijk) en Freifunk (Duitsland).

Er zijn ook kleinere gemeenschapsnetwerken in Schotland (Tegola), Slovenië (wlan slovenija), België (Wireless Antwerpen) en Nederland (Wireless Leiden). Australia heeft Melbourne Wireless en in Latijns-Amerika zijn er onder andere Bogota Mesh (Colombia) en Monte Video Libre (Uruguay).

Het grootste van deze "gemeenschapsnetwerken" is Guifi.net in de Catalaanse pyreneeën, één van de dunst bevolkte gebieden in Spanje. Het netwerk onstond in 2004 en bestaat vandaag uit 30.000 knooppunten en meer dan 50.000 km draadloze verbindingen (al is een klein deel gebaseerd op glasvezelverbindingen). Het netwerk groeit snel -- in 2012 waren er "slechts" 17.000 knooppunten -- en heeft ook voet aan de grond in andere delen van Spanje.

Knooppunten en verbindingen in het Spaanse guifi.net (Castellon). Bron.

Het Spaanse guifi netwerk in Catalonië. Bron.

In een gemeenschapsnetwerk zijn de gebruikers zelf eigenaar van het netwerk. Ze zijn verantwoordelijk zijn voor de bouw, het onderhoud en de energievoorziening ervan. Iedereen kan zich gratis aansluiten bij een gemeenschapsnetwerk, maar in ruil daarvoor installeer je zelf een knooppunt (al dan niet geholpen door technisch onderlegde vrijwilligers of commerciële installateurs). [5,16]

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Het Spaanse Guifi netwerk bestaat uit 30.000 knooppunten en meer dan 50.000 km draadloze links

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Net als bij het delen van WiFi-routers in de stad is het systeem dus gebaseerd op geven en nemen. De gebruiker investeert in een WiFi-router en antenne, en betaalt daar ook de elektriciteitsrekening voor. Dat knooppunt geeft hem of haar gratis toegang tot het netwerk, maar zorgt er tegelijk voor dat het netwerk wordt uitgebreid omdat het internetverkeer van andere gebruikers ook via het knooppunt kan worden geleid. Met elke nieuwe gebruiker wordt het netwerk dus groter. Een gemeenschapsnetwerk wordt niet van bovenuit gepland. Het is een "bottom-up" netwerk. Het enige wat een nieuwe gebruiker moet doen, is zijn of haar knooppunt draadloos verbinden met ten minste één ander bestaand knooppunt. [5,7,16,17]

Prestaties

De prestaties van een WiFi-netwerk worden bepaald door twee factoren: enerzijds de bandbreedte van de knooppunten die contact maken met het internet (de "backhauls"), en anderzijds het aantal gebruikers dat tegelijk online is. Als de enige backhaul een ADSL-verbinding is met een bandbreedte van 4 Mbps en er zijn honderd gebruikers tegelijk online, dan heeft elke gebruiker 40 kbps ter beschikking -- ongeveer de snelheid van een dial-up verbinding. Bestaat de backhaul uit twee glasvezelverbindingen van elk 100 Mbps en zijn er 50 gebruikers tegelijk online, dan heeft elk van die gebruikers ongeveer 4 Mbps ter beschikking -- wat overeenkomt met de snelheid van een ADSL-verbinding.

De WiFi-netwerken voor telegeneeskunde in ontwikkelingslanden hebben meestal een goede backhaul (in het stedelijk ziekenhuis) en relatief weinig gebruikers. De bandbreedte ligt dan ook erg hoog (+ 40 Mbps), wat toepassingen zoals videoconferencing mogelijk maakt. Een studie van (een klein deel van) het Spaanse Guifi netwerk, dat over tientallen backhauls beschikt, concludeerde dat de gemiddelde bandbreedte per gebruiker ongeveer 2 Mbps bedraagt, wat overeenkomt met de snelheid van een slome ADSL-verbinding. Er werden echter grote verschillen opgetekend, van 700 kbps tot 8 Mbps. [18]

http://freifunk-bielefeld.de/freifunk/vorlagen/ff-bielefeld-router-big.png

Soortgelijke WiFi-netwerken in ontwikkelingslanden kunnen veel lagere snelheden hebben. Bijvoorbeeld een universiteitscampus in Kerala, India, gebruikt een "backhaul" van 750 kbps die gedeeld wordt door 400 computers die tijdens de piekuren bijna altijd bezet zijn. De bandbreedte per persoon bedraagt in het slechtste geval dus 1.9 kbps, wat zelfs traag is in vergelijking met een dial-up verbinding (56 kbps). Bovendien heeft dit soort netwerken vaak ook nog eens te maken met stroomstoringen [19]

Niettemin is het mogelijk om ook in deze gevallen -- en met alleen maar hernieuwbare energie -- een goed werkende communicatie-infrastructuur op te zetten. Maar dat is voor een volgend artikel: Een Internet op zonne-energie.

Nog niet geabonneerd op de vernieuwde nieuwsbrief? Het kan via deze link.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bronnen:

[1] Connecting the unwired world with balloons, satellites, lasers & drones, Slahsdot, 2015

[2] A QoS-aware dynamic bandwidth allocation scheme for multi-hop WiFi-based long distance networks, Iftekhar Hussain et al., 2015

[3] Long-distance, Low-Cost Wireless Data Transmission (PDF), Ermanno Pietrosemoli, 2011

[4] WiLDNet: Design and Implementation of High Performance WiFi based Long Distance Networks (PDF), Rabin Patra et al., 2007

[5] Topology Patterns of a Community Network: Guifi.net (PDF), Davide Vega et al., 2012

[6] A Brief History of the Tegola Project, Tegola Project, retrieved October 2015

[7] Global Access to the Internet for All, intermet draft, Internet Engineering Task Force (IETF), 2015

[8] The case for technology in developing regions (PDF), Eric Brewer et al., 2005

[9] Beyond Pilots: Keeping Rural Wireless Networks Alive (PDF), Sonesh Surana et al., 2008

[10] "A telemedicine network optimized for long distances in the Amazonian jungle of Peru" (PDF), Carlos Rey-Moreno, ExtremeCom '11, September 2011

[11] "Telemedicine networks of EHAS Foundation in Latin America", Ignacio Prieto-Egido et al., in "Frontiers in Public Health", October 15, 2014.

[12] On a long wireless link for rural telemedicine in Malawi (PDF), M. Zennaro et al., 2008

[13] A Survey of Delay- and Disruption-Tolerant Networking Applications, Artemios G. Voyiatzis, 2012

[14] http://www.akshaya.kerala.gov.in/

[15] http://main.airjaldi.com/

[16] Supporting Cloud Deployment in the Guifi Community Network (PDF), Roger Baig et al., 2013

[17] "The design of a wireless solar-powered router for rural environments isolated from health facilities" (PDF), Francisco Javier Simo Reigadas et al., in "IEEE Wireless Communications", June 2008.

[18] Proxy performance analysis in a community wireless network, Pablo Pitarch Miguel, 2013

[19] RuralCafe: Web Search in the Rural Developing World (PDF), Jay Chen et al., 2009

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Uit het archief:

• Koken zonder vuur: het isolatiefornuis
• Hoe veilig is de zelfrijdende auto?
• Zonnepanelen: steeds goedkoper, maar ook minder duurzaam
• Waarom verdwijnt de Europese nachttrein?

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Comments

[Geplaatst door: Alain]

(1)

Wonende in Spanje in een grotwoning, 7 km van de weg , 16 km van het dorp, zijn wij aangesloten via Habland..es met een gerichte antenne zoals hierboven .

We hebben een abonnement van 3 Mb en betalen 15 euro hiervoor per maand, ongelimiteerd .

Het stroomverbruik wordt opgevangen door ons off grid installatie met zonnepanelen.

[Geplaatst door: Gerold Manders]

(2)

Hier in Paraguay heeft de grond een rode kleur (die moeilijk uit te wassen is). Doordat de zon hier nogal vaak schijnt (45 graden Celcius in de zomer is eerder regel dan uitzondering) wordt deze grond keihard.

Vandaar dat men hier dus geen enkele kabel in de grond legt. Graafmachines zijn er hier niet zo veel en daardoor kostbaar in gebruik. Mankracht is vele malen goedkoper, echter de harde grond en de vele zonneuren maken het graven van een gat, put of graf een werkelijke straf.

Veel woorden om aan te geven dat alle bekabeling aan palen hangt. Internet wordt hier voornamelijk via WiFi en WiMax verbindingen opgezet.

Goedkoop mag deze werkwijze dan wel zijn, qua betrouwbaarheid is het knudde. Mede doordat het electriciteitsnetwerk vele malen storingsgevoeliger is, vanwege kabels die breken doordat er ergens een boom omvalt, een auto-ongeluk of ontploffende wijktransformator (overhitting).

Als dit al niet genoeg is, het nationale telefoonbedrijf Copaco verzorgt het grootste deel van alle internet verbindingen en er is maar een ander bedrijf (Tigo) wat groot genoeg is om zelf internationale internetverbindingen heeft.

Beide bedrijven zijn nou niet geweldig qua service en het maakt niet uit via welke ISP je je internet aanschaft, je gaat altijd via een van deze twee aanbieders het grote wijde internet op.

Dit is in Europa veel beter geregeld. Een simpele ADSL verbinding van 1Mbit/384kb voor consumenten kost 35 euro per maand. Naast brakke verbindingen is het ook nog eens duur. Het maandelijks budget van vele mensen, die in de buitengebieden leven, heeft geen ruimte voor frivoliteiten als internet. En voor anderen is een 1Mbit verbinding het maximale. Erg weinig bandbreedte om te delen dus.

WiFi verbindingen en het delen daarvan is vast een optie in de delen van de wereld waar het internet goed geregeld is en relatief weinig kost. Maar in landen zoals Paraguay haal je je een hoop hoofdpijn op de hals voor (zeer) onbetrouwbare en dure verbindingen.

Het concept is er een waar ik wel achter sta, maar hier in Paraguay is het niet echt een haalbaar idee, ben ik bang.

[Geplaatst door: Thijs Bollen]

(3)

Mijn vader verzorgde in 1963 voor de Nederlandse TelevisieStichting (voorloper NOS) een straalverbinding van Madrid naar Lissabon om de wedstrijd Benfica-Feyenoord live in de Nederlandse huiskamers te kunnen brengen. Met ezeltjes werden tientallen straalzenders naar elke bergtop gebracht en elke dag kwam de vordering van de verbinding in de krant: zou hij op tijd afkomen? In de pauze van de wedstrijd legde mijn vader uit hoe het uiteindelijk gelukt was. Toen de modernste techniek, nu de revival? (Voor de Olympische Spelen van Tokyo een jaar later had hij een plan klaar m.b.v. een Amerikaanse satelliet, een straalvliegtuig, etc., maar toen is hij directeur van Teleac (wie kent het nog?!) geworden...) Voor een foto, zie de facebookpagina van Lowtech.

https://www.facebook.com/photo.php?fbid=735557386548231&set=p.735557386548231&type=3&theater

[Geplaatst door: Benfatto]

(4)

Bij zulke netwerken is de latency vaak een probleem, niet de bandbreedte. Een hoge latency (vertraging) zorgt ervoor dat een de ene computer niet meer kan communiceren met de andere computer of server, waardoor een beveiligde verbinding als bijvoorbeeld email of skype automatisch verbroken wordt. Zolang er genoeg knooppunten zijn lukt het wel, maar bv. één verbinding delen over een heel groot gebied is onbegonnen werk

[Geplaatst door: Martin]

(5)

@Benfatto: WiFi is een radiosignaal en gaat dus met de snelheid van het licht en dat is zelfs een beetje sneller dan een signaal door een kabel incl. een glasvezel. Het probleem is dus niet snelheid.

Een hoge latency ontstaat vaak haast altijd overbelasting en dat heeft alles met bandbreedte te maken.

[Geplaatst door: Martin]

(6)

@Gerold Manders: De situatie die jij beschrijft leent zich juist denk ik goed voor zoiets als het Spaanse Guifi netwerk, wat nog makkelijker is dan kabels aan palen hangen is, is een WiFi-router aan een paal hangen.

Het Internet is ooit is opgezet door het Amerikaanse ministerie van Defensie als netwerk met redundantie en dat is nog steeds zo, als een verbinding uit valt dan wordt de data automatisch geherrouteerd over alternatieve verbinding als die er tenminste zijn.

[Geplaatst door: Gerold Manders]

(7)

Qua project is het zeker interessant, maar waar ik op doelde is het feit dat veel mensen hier amper een internet kunnen bekostigen. En voor diegenen die dit wel kunnen, dan is het vaak maar een 1Mbit (download) verbinding.

Dat is op zichzelf een povere verbinding, zeker met het gemiddelde bandbreedte verbruik van internet paginas tegenwoordig. Dit is ook geen gegarandeerde 1Mbit verbinding.

Herinnert iemand nog de kwaliteit van verbindingen in Nederland/België, zo rond de eeuwwisseling? Diezelfde wild-west mentaliteit van providers toen (overbooking), heerst hier nog. Voor meer uitleg over deze praktijk, zie deze (Engelstalige) pagina: http://mypccenter.blogspot.com/2006/12/internet-overbooking.html

Al met al betaal je hier veel voor een povere verbinding, die je dan ook nog eens moet delen met anderen, zodat deze nog slechter word?

Ik kan je verzekeren dat de animo voor een project als dit heel laag zal zijn.

In Nederland/België heb je voor hetzelfde maandelijkse bedrag een veel betere verbinding, waar je het amper "voelt" wanneer je een gedeelte opoffert aan een project als dit.

Was de situatie hier gelijk, dan komen alternatieven als dit echt wel van de grond hier in Paraguay. Het is niet zo, dat men hier asociaal is, maar de prijs/kwaliteit verhouding van verbindingen moet eerst flink verbeteren.

[Geplaatst door: Steven]

(8)

@Martin(5): Wat latency/snelheid betreft: de afstand tussen de knooppunten aan lichtsnelheid is niet zo'n probleem, maar de doorgestuurde data moeten in het knooppunt ook nog verwerkt worden, wat ook wat tijd nodig heeft. Naar gelang het aantal knoopunten tussen uw computer en het backhaul-punt zou dat kunnen oplopen. Zelf heb ik geen ervaring met zo'n netwerken. Voor videoconferentie kan dat vervelend zijn, maar ik betwijfel of een toepassing als email daar last van heeft?

@Gerold Manders: Één enkele 1Mbit-verbinding als backhaul voor een heel netwerk is inderdaad pover, maar ik vermoed dat de meeste gemeenschapsnetwerken veel betere aansluitingen hebben dan een gewone consumenten-ADSL. Mits een voldoende aantal gebruikers en de juiste "connecties" schijnt me dat dit ook in Paraguay mogelijk moet zijn. Anderzijds kan men ook een aantal diensten op het gemeenschapsnetwerk zelf aanbieden, waarvoor men dus niet of minder afhankelijk is van een verbinding met de buitenwereld: email bijvoorbeeld is dikwijls heel lokaal, een webcache voor populaire sites, uw foto's op een lokale server zetten in plaats van op een ander continent...

[Geplaatst door: Renaat]

(9)

http://www.standaard.be/cnt/dmf20151126_01990810