Selectie en evaluatie van de optimale draadloze technologie voor een mobiele netwerkoperator Jonas Verstuyft Promotoren: prof. dr. ir. Mario Pickavet, dr. ir. Sofie Verbrugge Begeleiders: dr. ir. Bart Lannoo, ir. Erik Vanhauwaert Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. Daniël De Zutter Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2010-2011
DANKWOORD i Dankwoord Deze thesis is niet zomaar tot stand gekomen. Het is het gevolg van lang en hard werk het laatste jaar en vormt het sluitstuk van vijf jaar studies aan de universiteit. Heel wat mensen hebben op de een of andere manier een bijdrage geleverd en via deze weg wil ik ze dan ook allemaal bedanken: Mijn ouders, die me alle kansen hebben gegeven om me te ontwikkelen tot de persoon die ik nu ben. Mijn vrienden en studiegenoten, die ervoor gezorgd hebben dat ik mijn studententijd altijd zal blijven herinneren. Mijn familie, die me altijd gesteund heeft. Mijn begeleiders, Bart en Erik, die me ten volle ondersteund hebben het afgelopen jaar. Iedereen die geholpen heeft om deze thesis zonder taalfouten te kunnen afgeven. Bedankt! Jonas Verstuyft, juni 2011
TOELATING TOT BRUIKLEEN ii Toelating tot bruikleen "De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef." Jonas Verstuyft, juni 2011
Selectie en evaluatie van de optimale draadloze technologie voor een mobiele netwerkoperator door Jonas VERSTUYFT Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: computerwetenschappen Academiejaar 2010 2011 Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. PICKAVET, Dr. Ir. S. VERBRUGGE Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. B. Lannoo, Ir. E. VANHAUWAERT Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Universiteit Gent Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: Prof. Dr. Ir. D. DE zutter Samenvatting Binnen deze thesis maken we een techno-economische vergelijking tussen verschillende mobiele technologieën. De twee belangrijkste technologieën die vergeleken worden zijn de twee 4G technologieën: LTE-Advanced en WiMAX. Daarnaast wordt ook Wi-Fi overwogen als alternatief. Er wordt gekeken naar de technische keuzes die gemaakt zijn binnen de verschillende technologieën en de kosten voor een roll-out in de stad Gent worden vergeleken. De dimensioneringstool die hiervoor ontwikkeld is, presteert veel nauwkeuriger dan een theoretische berekening en dit mede door het gebruik van zeer specifieke geografische informatie. Uit de resultaten blijkt dat LTE-Advanced technisch gezien een betere technologie is dan WiMAX. De kosten van het materiaal spelen wel een grote rol bij de uiteindelijke beslissing. Als een roll-out gebeurt op een kleine schaal dan worden de 4G technologieën minder interessant door de hoge licentiekost, Wi-Fi is hiervoor meer geschikt. Het is ook gebleken dat een netwerk op een kosten-effectievere manier kan worden gedimensioneerd als de evolutie van de belasting op het netwerk nauwkeurig kan worden voorspeld. Trefwoorden Draadloze toegangsnetwerken, breedband, 4G, techno-economische analyse, dimensionering
Selection and Evaluation of the Optimal Wireless Technology for a Mobile Network Operator Jonas Verstuyft Supervisor(s): dr. ir. Sofie Verbrugge, prof. dr. ir. Mario Pickavet, dr. ir. Bart Lannoo, ir. Erik Vanhauwaert Abstract In this article we make a techno-economic comparison between different mobile technologies by calculating the cost of a roll-out in the city of Ghent. For the dimensioning we take into account geographical information and the population density. Keywords Wireless access networks, Broadband, 4G, Techno-economic analysis, dimensioning I. INTRODUCTION THE number of smartphones that are being sold is rising at an unbelievable rate and also tablets are becoming more and more popular. There is an increase in the number of users and the applications that are being used, putting a heavy load on the network. The current deployed technologies will not be sufficient to keep up with this growing demand. Mobile network operators will have to upgrade their networks in the near future if they want to keep fulfilling their users needs. 3GPP s Long Term Evolution (LTE)-Advanced and IEEE s 802.16m are two technologies designed for the 4th generation of mobile networks. Mobile operators will have to decide which of these two technologies they will deploy in the near future. In this paper we make a techno-economic analysis of the considered 4G technologies in question by comparing the costs of a roll-out in the city of Ghent. We also consider IEEE 802.11n as an alternative for the city center. II. TECHNOLOGY COMPARISON A. LTE-Advanced vs 802.16m LTE-Advanced[2], designed by 3GPP and Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Release 2, the standard based on the IEEE 802.16m [1] standard are the two technologies that could lead the next mobile revolution. LTE- Advanced and 802.16m are very similar in design. They both use Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) in the Downlink and support different Multiple Input Multiple Output (MIMO)-modes and Carrier Aggregation to increase the spectral efficiency and support more users. The biggest difference between the two is the way they handle Multiple Access in the Uplink. 3GPP chose Single Carrier (SC)-FDMA whereas IEEE continued to use OFDMA. SC-FDMA is chosen to keep the costs and the complexity of the user equipment to a low. The power of the mobile device can be used more effectively if SC- FDMA is used, but the complexity of the Base Station (BS) is higher. B. 802.11n IEEE s 802.11n is the latest standard of the 802.11 family and led to the creation of a whole new range of Wi-Fi devices. Wi-Fi is a common technology that comes standard on all new smartphones and tablets. The use of the license free 2.4 GHz and 5 GHz bands can be seen as an advantage but also as a disadvantage. Since these bands are becoming very crowded, they can cause interference problems. The ranges that can be achieved by 802.11n are lower than the two technologies described above. However, MIMO can also be used to increase the spectral efficiency. We will consider 802.11n for a roll-out in the city center of Ghent. III. METHODOLOGY We used a tool developed within the IBCN research group that was extended for the dimensioning of the network. We took geographical information about the sections in the area into account and by combining this information with population figures we obtained a good representation of the number of users in every section. To dimension the network we used data of the Belgian Institute for Postal services and Telecommunications (BIPT) about the possible site locations and also had the option to use 3D data of the city of Ghent to decide upon new locations. For every antenna we could calculate the maximum range and we used a genetic algorithm that takes a coverage and cost factor into account to calculate the optimal site locations to get the required minimum coverage. After the dimensioning we made a cost analysis. IV. RESULTS A. Granularity and theoretical calculation We tested the impact of the granularity on the population figures on the roll-out. The population density will be higher in the city center and lower in the suburbs compared to the general population density for the whole city. We looked at the effect on the ranges of the antennas for certain scenarios. The granularity has a different effect depending on the spectral efficiency of the antennas. The higher population density in the city center causes a decrease of the ranges of the antennas with a high spectral efficiency while the ranges stay about the same in the suburbs compared to the whole city. For antennas with a lower spectral efficiency we see a different effect. In the suburbs there is an increase of the ranges because of the lower population density and the ranges are slightly lower in the city center. This points out the necessity of working on a low level. We also compared the results of the tool with a theoretical calculation of the number of sites. The results of the tool are 60 to 75 % higher than the theoretical calculation. This indicates that a quick theoretical approximation is not a reliable estimate and more detailed calculations, such as those made by our tool, are
required to get an accurate view on a realistic mobile network dimensioning. B. LTE-Advanced vs WiMAX We performed a roll-out for both 4G technologies in Ghent, for a total area of 134 km 2. We had a choice between 30 MHz of Frequency Division Duplex (FDD) spectrum and 45 MHz of Time Division Duplex (TDD) spectrum. A 4x2 MIMOconfiguration that uses Spatial Multiplexing (SM) came on top for the FDD spectrum and a 2x2 configuration that uses Transmit Diversity (TD) was considered the best for the TDD. The assumed costs of the antennas for WiMAX are 50% lower than those for LTE-Advanced. For a 4x2 MIMO-configuration with SM in the FDD spectrum, 75 sites are needed for LTE-Advanced and 93 for WiMAX. For a 2x2 MIMO-configuration with TD in the TDD spectrum, 118 sites are needed for LTE-Advanced and 123 for WiMAX. The costs for these configurations can be seen in figure 1. The total costs of both technologies are similar, despite the higher number of sites that are needed to cover the area when WiMAX is used. The lower cost of the antennas compensates the need for more antennas. D. City center Fig. 2. Evolution of cumulative costs in time For the city center we also consider a roll-out of Wi-Fi. The ranges that can be achieved with Wi-Fi are lower than LTE- Advanced and WiMAX but because of the license free 2.4 GHz band and the cheaper material this becomes a profitable solution. At figure 3 we can see that the cost of the fiber connections take are a large part of the total costs for Wi-Fi and the same is true for the license cost for LTE-Advanced and WiMAX. Without the license cost LTE-A and WiMAX could be deployed at the same cost as Wi-Fi. Fig. 1. Comparison costs LTE vs WiMAX Fig. 3. Comparison costs city center C. Time dimension A roll-out will most likely happen in different stages by expanding it each year depending on the load on the network. To prove the value of prior knowledge we calculated the costs for three different scenarios: a roll-out without any prior knowledge in different stages, a roll-out with prior knowledge in different stages and a single roll-out. The adoption increases each year: 5% in the first year to 20% in year ten according to the Gompertz model. The network is dimensioned for LTE-Advanced and WiMAX. The cumulative costs for the different scenarios are plotted in figure 2. We can see the impact the prior knowledge has on the total costs. Even though there is a large initial cost for the single roll-out it will still be more advantageous than a gradual rollout without any prior knowledge. A gradual roll-out with prior knowledge is of course the best solution. It must be noted that the used discount rate of 5% has an effect on these results and that the result can be different if a different discount rate is used or if revenues are taken into account. V. CONCLUSION The used tool performs more precisely than a theoretical calculation and has the advantage of using very specific geographical information. The results show that LTE-Advanced is a better technology but that the cost of the equipment plays a major role. The 4G technologies become less advantageous for a roll-out on a smaller scale because of the high license costs. Wi-Fi becomes a profitable technology for this type of roll-outs. If the evolution of the load on the network can be accurately forecasted, the roll-out can be made more cost-effective. REFERENCES [1] Papapanagiotou, I.; Toumpakaris, D.; Jungwon Lee; Devetsikiotis, M. A survey on next generation mobile WiMAX networks: objectives, features and technical challenges, Communications Surveys & Tutorials, IEEE, 2009 [2] Stencel, V.; Mller, A.; Frank, P. LTE Advanced A further evolutionary step for Next Generation Mobile Networks, Radioelektronika (RADIOELEK- TRONIKA), 2010 20th International Conference, April 2010
Inhoudsopgave vi Inhoudsopgave Dankwoord Toelating tot bruikleen Overzicht Extended abstract Inhoudsopgave Gebruikte afkortingen i ii iii iv vi vii 1 Inleiding 1 2 Technologieën 3 2.1 Technieken...................................... 3 2.1.1 Duplexing................................... 3 2.1.2 Multiple Access................................ 4 2.1.3 Modulatieschema............................... 6 2.1.4 Code Rate................................... 6 2.1.5 SISO, SIMO, MISO en MIMO....................... 6 2.1.6 Carrier Aggregation............................. 7 2.2 Organisaties...................................... 8 2.2.1 ITU...................................... 8 2.2.2 3GPP..................................... 8 2.2.3 IEEE..................................... 8 2.2.4 WiMAX Forum en de Wi-Fi alliantie.................... 10 2.3 Frameworks...................................... 10 2.3.1 IMT-2000................................... 10 2.3.2 IMT-Advanced................................ 11 2.4 Beschouwde technologieën.............................. 12 2.4.1 LTE...................................... 12 2.4.2 LTE-Advanced................................ 14 2.4.3 802.16m.................................... 16 2.4.4 802.11n.................................... 16 2.4.5 Vergelijking.................................. 17
Gebruikte afkortingen vii 3 Methodologie 20 3.1 Modellering...................................... 20 3.1.1 Technische modellering............................ 20 3.1.2 Dimensionering................................ 21 3.1.3 Kostenmodellering.............................. 23 3.2 Input en assumpties................................. 23 3.2.1 Technische configuratie............................ 23 3.2.2 Geografische informatie........................... 27 3.2.3 Gebruiker................................... 30 3.2.4 Kosten..................................... 33 3.3 Uitwerking....................................... 36 3.3.1 Flow...................................... 36 3.3.2 Rekenblad - technische parameters..................... 37 3.3.3 Java tool - dimensionering.......................... 37 3.3.4 Rekenblad - kostenmodellering....................... 40 4 Cases 41 4.1 Inleiding........................................ 41 4.1.1 Overzicht................................... 41 4.1.2 Auction 2011................................. 42 4.2 Impact granulariteit................................. 42 4.2.1 LTE-Advanced - FDD - 8x2 MIMO..................... 42 4.2.2 LTE-Advanced - TDD - 8x2 MIMO..................... 44 4.2.3 Vergelijking granulariteit en theoretische berekening........... 44 4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent............... 48 4.3.1 LTE-Advanced................................ 48 4.3.2 WiMAX.................................... 52 4.3.3 Vergelijking LTE-Advanced - WiMAX................... 56 4.4 Impact MIMO configuratie Base Station Centrum Gent............. 57 4.4.1 LTE-Advanced................................ 57 4.4.2 WiMAX.................................... 59 4.4.3 Wi-Fi..................................... 61 4.4.4 Vergelijking LTE-Advanced - WiMAX - Wi-Fi............... 61 4.5 Tijdsdimensie Groot-Gent.............................. 62 5 Besluit en toekomstperspectieven 68 Bibliografie 70 Lijst van figuren 72 Lijst van tabellen 73
Gebruikte afkortingen viii Gebruikte afkortingen 3G 3GPP 4G ASK BIPT BPSK BS CA CapEx CapEx CDMA CoMP db dbi dbm DECT DFT DL EDGE 3rd generation mobile telecommunications 3rd Generation Partnership Project 4rd generation mobile telecommunications Amplitude Shift Keying Belgisch Instituut voor Postdiensten en Telecommunicatie Binary Phase Shift Keying Base Station Carrier Aggregation Capital Expenditure Operational Expenditure Code Division Multiple Access Coordinated Multipoint Decibel db(isotropic) db(1 mw) Digital Enhanced Cordless Telecommunications Discrete Fourier Transform Downlink Enhanced Data rates for GSM Evolution ETSI HiperMAN European Telecommunications Standards Institute High Performance Metropolitan Area Networks FDD Frequency Division Duplex
Gebruikte afkortingen ix GIS GPRS GSM HSDPA HSPA HSUPA IEEE IMT ITU LAN LMSC LTE LTE-A MAN MAPL MIMO MISO MS OFDMA PAPR PSK PV QAM QPSK Rx SC-FDMA Geographic Information System General packet radio service Global System for Mobile Communications High-Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High-Speed Uplink Packet Access Institute of Electrical and Electronics Engineers International Mobile Telecommunications Internationale Telecommunicatie Unie Local Area Network LAN/MAN Standards Commite Long Term Evolution Long Term Evolution-Advanced Metropolitan Area Network Maximum Allowable Path Loss Multiple Input Multiple Output Multiple Input Single Output Mobile Station Orthogonal Frequency Division Multiple Access Peak-to-Average Power Ratio Phase Shift Keying Present Value Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Receive Single Carrier-Frequency Division Multiple Access
Gebruikte afkortingen x SIMO SM SNR SU-MIMO TD TDD Tx UE UMTS WiMAX WLAN Single Input Multiple Output Spatial Multiplexing Signal-to-noise ratio Single User-Multiple Input Multiple Output Transmit Diversity Time Division Duplex Transmission User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless LAN
INLEIDING 1 Hoofdstuk 1 Inleiding Mobiel datagebruik blijft stijgen omdat meer en meer mensen altijd en overal online willen zijn. De smartphone is dan ook niet meer uit het straatbeeld weg te denken. Als u op een drukke plaats rondkijkt ziet u wel iemand bezig met zijn smartphone: twitteren, vlug een foto op Facebook plaatsen of even een mail versturen. Naast de smartphone is er ook de opkomst van de tablet met zijn bekendste vertegenwoordiger de ipad van Apple. Deze tablets zorgen voor een stijgende vraag van draadloze video applicaties wat heel belastend is voor een mobiel netwerk. Door de stijging van het aantal toestellen dat gebruik maakt van het netwerk en door belastende applicaties zoals VoIP en video streaming verschuift het zwaartepunt van bellen en sms en meer en meer naar mobiel dataverkeer. Als mobiele operatoren deze evolutie willen blijven volgen moeten ze hun netwerk aanpassen. Er is dan ook een opkomst van nieuwe technologieën voor de vierde generatie van mobiele netwerken. 3GPP heeft eerst een tussenstap gemaakt met LTE en heeft nu met LTE-Advanced een volwaardige 4G technologie. IEEE stelt daar 802.16m (WiMAX) tegenover en heeft met 802.11n (Wi-Fi) nog een belangrijke technologie in huis. LTE-Advanced en 802.16m zijn goedgekeurd als 4G technologieën en zullen de strijd moeten aangaan om de grootste te worden. Mobiele operatoren zullen in de toekomst zeker moeten overschakelen op een van deze technologieën als ze de stijgende vraag willen bijhouden. Binnen deze thesis is het de bedoeling om een vergelijking te maken tussen deze technologieën. Voor de verschillende technologieën zijn bepaalde ontwerpsbeslissingen genomen om hogere datarates te kunnen aanbieden, meer gebruikers te ondersteunen en hogere ranges te verkrijgen. In hoofdstuk twee zullen we dieper ingaan op deze technische keuzes en een theoretische vergelijking maken tussen de technologieën. De keuze voor een bepaalde technologie wordt gemotiveerd door de sterktes van deze technologie. Maar dit is onvoldoende voor een complete vergelijking. Voor een netwerkoperator is immers de kostprijs de bepalende factor. We zullen dan ook een vergelijking maken van deze technologieën op basis van de kostprijs van een roll-out. Voor de dimensionering van de roll-out wordt gebruik gemaakt van een tool die geografische informatie en data van de bevolking in rekening kan brengen. De ontwikkeling van deze tool
INLEIDING 2 wordt besproken in hoofdstuk drie. Door voor concrete scenario s de kosten te analyseren in hoofdstuk vier hopen we te kunnen besluiten welke technologieën in welke configuraties het meest kost-efficiënt zijn.
TECHNOLOGIEËN 3 Hoofdstuk 2 Technologieën Er zullen verschillende technologieën beschouwd worden binnen deze thesis. Eerst zullen er een aantal technieken uitgelegd worden die gebruikt worden binnen de beschouwde technologieën. Daarna zal er kort een beeld geschetst worden van de verschillende organisaties die betrokken zijn bij de beschouwde technologieën. Ook zal er verder uitgeweid worden over twee frameworks die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën en de vooruitgang van mobiele communicatie. In het laatste deel van dit hoofdstuk komen dan de beschouwde technologieën aan bod en wordt er een vergelijking gemaakt tussen deze technologieën. 2.1 Technieken Enkele technieken die gebruikt worden binnen de beschouwde technologieën worden hier nader bekeken. 2.1.1 Duplexing Communicatie gaat meestal in twee richtingen: van de gebruiker naar het Base Station (BS) en omgekeerd. We bespreken hier kort twee manieren om deze communicatie mogelijk te maken. 2.1.1.1 Frequency Division Duplex Bij Frequency Division Duplex (FDD) gebeurt de communicatie tussen de zender en de ontvanger via twee kanalen. Voor de Downlink (DL) en de uplink (UL) worden twee verschillende, gepaarde frequentiebanden gebruikt.[1] 2.1.1.2 Time Division Duplex Bij Time Division Duplex (TDD) wordt dezelfde frequentieband gebruikt en worden verschillende tijdslots toegewezen aan de DL en de UL.[1] Er wordt gebruik gemaakt van ongepaarde frequentiebanden.
2.1 Technieken 4 2.1.2 Multiple Access Er zijn verschillende manieren om het medium te delen met verschillende gebruikers. Hier bespreken we twee gelijkaardige methoden die belangrijk zijn voor de technologieën die verder aan bod komen: OFDMA en SC-FDMA. 2.1.2.1 Orthogonal Frequency Division Multiple Access Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) (figuur 2.1) alloceert gebruikers in het tijds- en in frequentiedomein. (figuur 2.2) OFDMA zorgt voor robuustheid tegen multipath interferentie zonder dat er bij de ontvanger geavanceerde en complexe technieken moeten gebruikt worden voor kanaalequalisatie. De ontvanger wordt zo eenvoudiger en dit zorgt voor goedkopere toestellen en lagere vereisten voor het vermogen. 2.1.2.2 Single Carrier-Frequency Division Multiple Access Single Carrier-Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA), een gewijzigde vorm van Orthogonale FDMA (OFDMA), is een veelbelovende techniek voor hoge datasnelheid uplink communicatie in de toekomstige cellulaire systemen.[2] SC-FDMA heeft vergelijkbare doorvoercapaciteit en hoofdzakelijk dezelfde algemene complexiteit als OFDMA. Een belangrijk voordeel van SC-FDMA is de piek-tot-gemiddeld vermogen ratio (PAPR), die lager is dan die van OFDMA. Bij OFDMA draagt elke subcarrier informatie over een specifiek symbool (zie figuur 2.3a). Bij SC-FDMA daarentegen draagt elke subcarrier informatie over alle uitgezonden symbolen (zie figuur 2.3b). Om het signaal uit te zenden wordt maar één drager gebruikt, waardoor alle energie daarop kan geconcentreerd worden. Figuur 2.1: OFDMA[3]
2.1 Technieken 5 Figuur 2.2: Verdeling gebruikers OFDMA[3] (a) OFDM subcarriers (b) DFT-s-OFDM subcarriers Figuur 2.3: OFDM vs DFT-s-OFDM subcarriers[3]
2.1 Technieken 6 2.1.3 Modulatieschema Bij digitale modulatie wordt digitale data (0 of 1) vertaald in een analoog signaal. Dit is nodig als digitale data moet verzonden worden over een medium dat enkel analoge transmissie toelaat. [1] Phase Shift Keying (PSK) gebruikt verschuivingen in de fase van een signaal om de data voor te stellen. Als er verschoven wordt over 180 dan spreekt men van Binary PSK (BPSK). (fig. 2.4a) Er wordt maar 1 bit gecodeerd per verschuiving in de fase. Bij Quadrature PSK (QPSK) (fig. 2.4b) kunnen er hogere bit rates bekomen worden omdat er 2 bits per fase verschuiving worden gecodeerd. PSK kan gecombineerd worden met amplitude shift keying (ASK) om te komen tot quadrature amplitude modulation (QAM).[1] QAM is een multilevel codering waarbij er zowel van faseverschuivingen als van verschillende amplitudes gebruik gemaakt wordt om de data te coderen. 16-QAM (fig. 2.4c) is een 4 bit multilevel codering en 64-QAM (fig. 2.4d) is een 6 bit multilevel codering. 2.1.4 Code Rate Code rate doelt op de hoeveelheid informatie die vervat zit in een datastroom.als de code rate dus k/n is betekent dit dat er voor elke k nuttige bits er n bits gegenereerd worden door de coder. Er zijn dan n-k redundante bits. Een lagere code rate, waarbij er dus meer redundante bits zijn, zal meer fouten toelaten dan een hogere code rate en dit zal dus hogere ranges toelaten. 2.1.5 SISO, SIMO, MISO en MIMO MIMO staat voor Multiple Input Multiple Output. Dit is een techniek waarbij er van meerdere antennes aan de zenders- en ontvangerszijde gebruik gemaakt wordt om data over te dragen. Bij SIMO, Single Input Multiple Output, is er maar één antenne aan de zenderszijde terwijl er bij MISO, Multiple Input Single Output, net maar één antenne aan de ontvangerszijde is. (a) BPSK (b) QPSK (c) 16-QAM (d) 64-QAM Figuur 2.4: Modulatieschema s
2.1 Technieken 7 SISO, Single Input Single Output, is het standaard geval waar er maar één antenne aan beide zijden gebruikt wordt. Belangrijk voor de technologieën die verder zullen besproken worden, is het gebruik van MIMO, wat verder wordt uitgelegd. Bij MIMO kunnen de antennes op verschillende manieren gebruikt worden.[4] Bij Single User (SU)-MIMO worden de tijd-frequentie recources toegewezen aan één enkele gebruiker. Zo kan die ene gebruiker de maximale spectrale efficiëntie bereiken. SU-MIMO kan verschillende technieken gebruiken: Spatial Multiplexing (SM), Transmit Diversity (TD) en Beamforming. SM splitst een uitgaande stroom op in verschillende delen en de verschillende antennes worden gebruikt om deze stroom te verzenden. Zo kan de data rate opgetrokken worden. TD verzendt een uitgaande stroom redundant. Er worden verschillende stromen gegenereerd die via de verschillende antennes verstuurd worden. Door deze redundante informatie kan de ontvanger een betere beslissing nemen en kan er een hogere range bereikt worden. Bij beamforming wordt een uitgaande stroom naar de gebruiker gericht door de uitgezonden energie in een bepaalde richting te concentreren. Op deze manier kan de gebruiker zich verder van een Base Station (BS) bevinden en wordt ook de data rate opgetrokken. Multi User (MU)-MIMO alloceert verschillende gebruikers in een zelfde tijd-frequentie resource om zo multi-user diversiteit in het spatiale domein te exploiteren. Bij een 4x2 MIMO configuratie in de downlink (DL) kunnen deze 4 antennes gebruikt worden om naar 4 gebruikers tegelijk informatie te versturen en van 4 gebruikers tegelijk informatie te ontvangen. MU-MIMO technieken zorgen voor grote sector throughputs in gebieden die zwaar belast zijn. Het effect van MIMO zal logischerwijs vergroten als er meer antennes ter beschikking zijn maar dit zal natuurlijk de kostprijs omhoog drijven. 2.1.6 Carrier Aggregation Bij Carrier Aggregation (CA) (figuur 2.5) worden twee of meer component carriers van verschillende of dezelfde bandbreedte geaggregeerd om zo tot een breder spectrum te komen.[5] Zo kan er effectief een grotere bandbreedte gebruikt worden voor de DL en UL. Er kunnen aaneengesloten subcarriers gebruikt worden of er kunnen meerdere subcarriers in verschillende banden worden geaggregeerd. Figuur 2.5: Carrier Aggregation van vijf aaneengesloten dragers[6]
2.2 Organisaties 8 2.2 Organisaties Er zijn verschillende organisaties betrokken bij de ontwikkeling en commercialisatie van mobiele technologieën, de belangrijkste worden hier voorgesteld. 2.2.1 ITU De Internationale Telecommunicatie Unie (ITU) is het agentschap van de Verenigde Naties voor informatie- en communicatietechnologie. ITU s missie is om de groei en duurzame ontwikkeling van telecommunicatie en informatie-netwerken mogelijk te maken, en universele toegang te vergemakkelijken, zodat mensen overal kunnen deelnemen aan, en profiteren van de opkomende informatiemaatschappij en de mondiale economie. Er zijn drie sectoren binnen ITU: ITU-R (Radiocommunication), ITU-T (Telecommunication) en ITU-D (Development). De ITU is verantwoordelijk voor twee frameworks die belangrijk zijn voor de verdere ontwikkeling van mobiele netwerken: IMT-2000 en IMT-Advanced. Deze frameworks worden later besproken in sectie 2.3. 2.2.2 3GPP Het originele aandachtspunt van het 3rd Generation Partnership Project (3GPP) was de productie van technische specificaties en technische rapporten voor 3G mobiele systemen die gebaseerd zijn op geëvolueerde GSM core-netwerken en de draadloze toegangstechnologieën (Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) zowel FDD en TDD modes) die ondersteund worden. Het werd opgericht in 1998 en is een samenwerking tussen verschillende telecommunicatie associaties. De belangrijkste technologieën waar 3GPP verantwoordelijk voor is, zijn opgelijst in tabel 2.1. 2.2.3 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) is een internationale professionele organisatie die zich toelegt op domeinen als lucht- en ruimtevaart, computers, telecommunicatie, biomedische engineering enz. Het is de grootste professionele organisatie ter wereld met meer dan 400,000 leden in meer dan 160 landen. Het bestaat uit verschillende groepen waaronder de Communications Society en de Computer Society. Binnen IEEE Computer Society zit het IEEE-802 LAN/MAN Standards Commite (LMSC) die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van Local Area Network (LAN) en Metropolitan Area Network (MAN) standaarden. Binnen dit Commité is er een werkgroep verantwoordelijk voor de 802.11 standaard en een andere voor de 802.16 standaard. De recentste ontwikkelingen van de 802.11 en 802.16 standaarden worden later besproken in sectie 2.4.
2.2 Organisaties 9 Technologie Karakteristieken Downlink Uplink GSM EDGE Evolved EDGE UMTS HSPA HSPA+ LTE LTE-Advanced Meest gebruikte mobiele technologie in de wereld. Biedt spraak-en datadiensten via GPRS / EDGE. Data service voor GSM-netwerken. Een verbetering van de oorspronkelijke GSM-data service GPRS. Geavanceerde versie van EDGE die de data rate kan verdubbelen en zelfs verviervoudigen, de latentie kan halveren en de spectrale efficiëntie kan vergroten. 3G-technologie met spraak en data mogelijkheden. Data service voor UMTS-netwerken. Een verbetering van de oorspronkelijke UMTS data service. Evolutie van HSPA in verschillende fasen om de throuhgput en de capaciteit te verhogen en de latency te verlagen. Nieuwe radio-interface die brede radiokanalen kan gebruiken en zeer hoge doorvoersnelheden kan leveren. Alle communicatie wordt behandeld in het IP-domein. Geavanceerde versie van LTE ontworpen om aan de IMT-Advanced eisen te voldoen. 70-135 kbps 70-135 kbps 175-700 kbps 150-300 kbps 200-300 kbps 200-300 kbps 1-4 Mbps 500 kbps - 2 Mbps 1.9-8.8 1-4 Mbps Mbps tot 300 Mbps tot 75 Mbps > 1 Gbps > 0.5 Gbps Tabel 2.1: Karakteristieken van 3GPP technologieën.[7]
2.3 Frameworks 10 2.2.4 WiMAX Forum en de Wi-Fi alliantie Het WiMAX Forum werd opgericht in 2001 en is verantwoordelijk voor het promoten en certificeren van draadloos breedband apparatuur die gebaseerd is op de IEEE 802.16 en ETSI HiperMAN (European Telecommunications Standards Institute High Performance Metropolitan Area Networks) standaarden. De organisatie geeft het WiMAX Forum Certified label (Worldwide Interoperability for Microwave Access) aan producten die voldoen aan de specificaties die opgesteld zijn door het WiMAX Forum. Door de certificatie van producten wordt de interoperabiliteit gegarandeerd tussen de verschillende producten. Dit wordt niet gegarandeerd als de producten gewoon met de 802.16 standaard compatibel zouden zijn omdat men er voor kan kiezen om verschillende subsets van de standaard te implementeren. Om ervoor te zorgen dat de fabrikanten niet alle subsets van de standaard moeten implementeren stelt het WiMAX Forum een subset van de standaard op. Als het product voldoet aan deze subset dan krijgt dit het WiMAX Forum Certified label en is de interoperabiliteit gegarandeerd tussen de verschillende producten die hetzelfde label dragen. De Wi-Fi alliantie heeft een gelijkaardige doel als het WiMAX Forum voor de IEEE 802.11 standaard. Zij geven het Wi-Fi Certified label aan producten die voldoen aan de door hen opgestelde specificaties voor Wireless LAN (WLAN) netwerken. 2.3 Frameworks In de geschiedenis van mobiele communicatiesystemen zijn we nu al aan de vierde generatie (4G) toe. De eerste generatie (1G) bestond uit analoge systemen en dateert al van de jaren 70. Onder de tweede generatie van systemen (2G) vinden we de GSM standaard die momenteel nog wereldwijd gebruikt wordt en wel nog een tijdje naast 3G zal blijven bestaan. 3G systemen zijn systemen die voldoen aan de specificaties van IMT-2000. De laatste generatie van mobiele systemen, 4G, zijn de systemen die binnen IMT-Advanced passen. Er zijn ook nog enkele generaties die net voor en na 3G komen: 2.5G (GPRS), 3.5G (HSDPA) en 3.75G (HSUPA). Twee opeenvolgende frameworks zijn belangrijk in de evolutie van het mobiele dataverkeer: IMT-2000 en IMT-Advanced. Beide zijn opgesteld door de ITU. De twee frameworks omvatten een hele lijst aan voorwaarden waaraan mobiele systemen moeten voldoen. In de volgende delen worden enkele belangrijke vereisten van deze twee frameworks voorgesteld samen met de technologieën die voldoen aan de vereisten. 2.3.1 IMT-2000 International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) is een programma ontwikkeld door de ITU voor de 3e generatie van mobiele communicatiesystemen. Belangrijk aan IMT-2000 was dat ze goedgekeurd werd door verschillende partijen binnen de ITU en erbuiten. De mobiele markt was voordien immers gekenmerkt door fragmentatie. Met IMT-2000 werd het
2.3 Frameworks 11 eerste wereldwijde framework voor mobiele communicatie geïntroduceerd. Enkele eigenschappen zijn globale roaming, de compabiliteit met 2G standaarden en een modulair design. Met modulair design wordt bedoeld dat de technologieën opgenomen binnen het IMT-2000 framework makkelijk uitbreidbaar moeten zijn om volgende zaken aan te kunnen: nieuwe services, groter aantal gebruikers, grotere dekkingsgebieden, en dit met een minimum aan investeringen. IMT-2000 biedt ook hogere datarates aan dan voordien: minimaal 2 Mbit/s voor stationaire of wandelende gebruikers en 384 kbit/s voor gebruikers in een bewegend voertuig, tot 250 km/h. 2G systemen boden datarates tussen 9.6 kbit/s en 28.8 kbit/s aan. Volgende belangrijke standaarden voldoen aan de IMT-2000 vereisten: EDGE UMTS CDMA2000 Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) DECT CDMA2000 was het Amerikaanse voorstel voor IMT-2000 en UMTS werd naar voor geschoven als het Europese voorstel voor IMT-2000. In België is deze, samen met EDGE, de vaakst gebruikte technologie om dataverkeer aan te bieden aan mobiele gebruikers. Alle operatoren zijn nu ook overgegaan op HSPA waarbij Mobistar al HSPA+ heeft uitgerold. 1 Met IMT-2000 wou men een betaalbaar systeem op poten zetten maar de mobiele providers hebben grote investeringen moeten doen om de licenties binnen te halen. De theoretische snelheid van 2 Mbit/s voor elke gebruiker bleek ook een belofte die niet waargemaakt kon worden. 2.3.2 IMT-Advanced Om mobiele communicatienetwerken naar de toekomst te leiden waren de IMT-2000 vereisten niet voldoende meer. Daarom was het nodig om nieuwe vereisten op te stellen voor de toekomstige netwerken om aan de noden van de gebruikers te kunnen voldoen. Deze vereisten werden gebundeld in IMT-Advanced, in de media vaak beschreven als 4G. In figuur 2.6 is te zien waarnaar men streeft met de opvolger van IMT-2000. IMT-2000 wordt niet gezien als een afgewerkt geheel, maar wordt nog uitgebreid en verder afgewerkt. Daarnaast bestaat IMT-Advanced die streeft naar hogere mobility en hogere data-rates dan IMT-2000. De belangrijkste kenmerken van IMT-Advanced zijn de volgende: [8] 1 Global 3G and 4G Deployment Status HSPA / HSPA+ / LTE /May 20, 2011
2.4 Beschouwde technologieën 12 Figuur 2.6: Capaciteiten IMT-2000 en zijn opvolgers[9] Een hoge graad van gemeenschappelijke functionaliteit wereldwijd en flexibileit om een breed scala van services en applicaties te ondersteunen op een kosteneffectieve manier; Wereldwijd gebruik van User Equipment (UE); Compatibiliteit van diensten binnen IMT en met vaste netwerken ; Wereldwijde mogelijkheid tot roaming; Verhoogde piek data rates om geavanceerde diensten en applicaties aan te kunnen bieden: 100 Mbit/s voor hoge mobiliteit en 1 Gbit/s voor lage mobiliteit. Er zijn maar twee standaarden die voldoen aan de IMT-Advanced vereisten. De ene is IEEE 802.16m met Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) Release 2, de standaard gebaseerd op de IEEE standaard. WiMAX release 2 is de opvolger van Mobile en Fixed WiMAX (IEEE 802.16d/e gebundeld in IEEE 802.16-2009). De andere is Long Term Evolution (LTE)-Advanced, ontwikkeld door 3GPP. 2.4 Beschouwde technologieën 2.4.1 LTE LTE (Release 8) is de opvolger van UMTS en HSPA. LTE Release 8 werd voltooid in december 2008 en Release 9 in december 2009. Release 9 introduceerde slechts enkele verbeteringen (oa. locatiegebaseerde services, verhoogde piek data rates met beamforming en ondersteuning van femtocellen) ten opzichte van Release 8. LTE kwam tot stand omdat 3GPP een competitieve
2.4 Beschouwde technologieën 13 positie wou blijven behouden na 3G. In vergelijking met de evolutie van UMTS naar HSPA is de overgang naar LTE een grote stap voorwaarts met de introductie van nieuwe technieken om de spectrale efficiëntie te verbeteren. Voor de downlink wordt Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) gebruikt zoals voorgesteld in figuur 2.1. Voorgaande releases zoals UMTS en HSPA maken gebruik van Code Division Multiple Access (CDMA). Voor de uplink moet er rekening gehouden worden met de mogelijkheden van het User Equipment (UE) en er moet voor hoog vermogen-efficiënte transmissie gezorgd worden. Er wordt Single-Carrier transmissie, gebaseerd op Discrete Fourier Transform (DFT)-precoded ODFM gebruikt, ook wel Single-Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) genoemd. DFT-precoded ODFM heeft een kleinere Peak-to-average-Power ratio dan gewone OFDM en dit zorgt voor minder complexe terminals. Verschillende frequentiebanden worden ondersteund, zowel gepaarde als ongepaarde frequentiebanden. Er worden ook verschillende bandbreedtes ondersteund van 1.4 tot 20 MHz en er kan gekozen worden om een verschillende bandbreedte te gebruiken voor de DL en UL. LTE ondersteunt volgende modulatieschema s: QPSK, 16-QAM en 64-QAM. Dit zowel in de DL als UL, er is wel hogere klasse van UE nodig om 64-QAM te ondersteunen in de UL. Het gebruik van gepaarde en ongepaarde frequentiebanden was niet nieuw voor 3GPP maar er werden altijd verschillende radio-interface specificaties gebruikt om FDD en TDD te ondersteunen. Bij LTE wordt TDD en FDD nu mogelijk met één enkele radio-interface (zie figuur 2.7). Bij TDD wordt er gebruik gemaakt van speciale subframes voor de omschakeling van DL naar UL en zijn er DL/UL ratios mogelijk van 2:3 tot 9:1. Er wordt verondersteld dat de ontvanger beschikt over twee antennes, zo mag er voor de netwerkplanning al verondersteld worden dat er DL-receive diversity is. Zowel SIMO als MIMO worden door LTE ondersteund. Er is ondersteuning tot 4 transmit en receive antennes voor het BS, tot 2 transmit antennes voor het UE en tot 4 receiver antennes voor het UE. SU- MIMO wordt op drie manieren aangeboden: TD, SM en beamforming. Er is ook ondersteuning voor MU-MIMO. Figuur 2.7: framestructuur LTE[10]
2.4 Beschouwde technologieën 14 2.4.2 LTE-Advanced LTE-Advanced is de opvolger van LTE Release 8/9. Met Release 8 en 9 maakte 3GPP een grote stap voorwaarts maar de technologie werd nog niet erkend als 4G technologie. LTE- Advanced voldoet wel aan de vereisten van IMT-Advanced en wordt dus gezien als een 4G technologie. Belangrijk bij de ontwikkeling was dat LTE-Advanced compatibel bleef met LTE. LTE-Advanced maakt zowel gebruik van de frequentiebanden van LTE als toekomstige IMT- Advanced frequentiebanden. Er wordt ook OFDMA en SC-FDMA gebruikt voor de DL en UL, net zoals bij LTE. Ook dezelfde bandbreedtes en modulatieschema s worden overgenomen. Maar om aan de vereisten van IMT-Advanced te voldoen waren er nog enkele verbeteringen nodig om de spectrale efficiëntie te verbeteren, vooral voor gebruikers op de celrand.[11] Om de piek data-rate vereisten van IMT-Advanced te bereiken wordt onder meer Carrier Aggregation (CA)[5] gebruikt (zie figuur 2.5). CA zorgt niet voor verbeterde spectrale efficiëntie maar wordt gebruikt om de piek data rate hoger te krijgen. Er kan een bandbreedte van 100 MHz bereikt worden in verschillende banden om zo tot 1 Gbit/s in de DL mogelijk te maken. Een probleem van CA is wel de grotere complexiteit van de UE. Bij LTE-Advanced wil men een hogere spectrale efficiëntie behalen door tot 8x8 MIMO in DL en tot 4x4 MIMO in UL te ondersteunen. Deze hogere orde MIMO zorgt voor een verhoogde piek en gemiddelde data rate. Net zoals bij LTE worden TD, SM en beamforming ondersteund. Coordinated Multipoint (CoMP) transmissie- en ontvangsttechnieken worden ook geïntroduceerd in LTE-Advanced. Bij CoMP technieken werken Base Stations samen om de interferentie te verminderen en zo de performantie te verbeteren. In de DL kan er bijvoorbeeld joint transmissie zijn waarbij een gebruiker bediend wordt door verschillende Base Stations zoals voorgesteld in figuur 2.8. In de UL kan er tussen samenwerkende Base Stations informatie uitgewisseld worden om de signaaldetectie te verbeteren. Door gebruik te maken van CoMP kan men de inter-cell interferentie naar beneden halen en kan men de performantie van het systeem verhogen.[12] Om in moeilijke condities de coverage te verbeteren kan er gebruik gemaakt worden van relaying. De relay node is verbonden met het BS en onderlinge communicatie gebeurt via een draadloze link. De gebruiker is op zijn beurt verbonden met de relay node. Een mogelijk scenario van relaying is te zien in figuur 2.9. Door de exponentiële groei van het mobiele dataverkeer zal macrolaag capaciteit niet meer voldoende zijn om de vraag van de komende jaren aan te kunnen. Daarom wordt er gekeken naar de introductie van femto en picocellen om hotspots te kunnen blijven bedienen. Daardoor ontstaat er een meer heterogeen en complexer netwerk en dit brengt nieuwe uitdagingen met zich mee.
2.4 Beschouwde technologieën 15 Figuur 2.8: CoMP[6] Figuur 2.9: Relaying[6]
2.4 Beschouwde technologieën 16 2.4.3 802.16m IEEE 802.16m en WiMAX Release 2, de standaard van het WiMAX Forum gebaseerd op 802.16m, zijn de laatste evoluties op vlak van WiMAX technologie. De specificaties van WiMAX Release 2 worden bepaald door het WiMAX forum, een organisatie geleid door de industrie. 802.16m is de opvolger van 802.16-2009 die mobile en fixed WiMAX omvat. Net zoals LTE-Advanced voldoet IEEE 802.16m aan de vereisten van IMT-Advanced. 802.16m kan werken binnen alle frequentiebanden lager dan 6 GHz. Zowel FDD als TDD worden ondersteund en voor de DL en UL wordt OFDMA als multiple access systeem gebruikt. 802.16m ondersteunt QPSK, 16-QAM en 64-QAM als modulatieschema s, zowel voor DL als UL.[13][14] Net zoals in alle technologieën hierboven wordt er ook bij 802.16m gebruik gemaakt van MIMO. Net zoals bij LTE-Advanced zijn er MIMO configuraties voor 2, 4 of 8 Tx antennes en minimum 2 Rx antennes in de DL. Voor de UL worden 1, 2 of 4 antennes in de UL ondersteund met hier ook een minimum van 2 Rx antennes. Zowel in de DL als UL worden SU-MIMO en MU-MIMO ondersteund. Het gebruik van de extra antennes is op verschillende manieren mogelijk: SM, TD en beamforming. SM om de capaciteit te verhogen, TD om de coverage te verhogen en via beamforming kan de capaciteit en coverage nog verhoogd worden. Ook bij 802.16m kan er gebruik gemaakt worden van de aggregatie van meerdere kanalen om zo, net als bij LTE-A, tot een bandbreedte van maximum 100 MHz te komen. WiMAX Release 2 is achterwaarts compatibel met Release 1 gebaseerd op IEEE 802.16-2009. En er is voor een verbeterde samenwerking gezorgd met andere technologieën zoals Wi-Fi, HSPA, LTE en LTE-A. Door een verkorte handover interruption time is de overgang van het ene naar het andere netwerk vlotter. 2.4.4 802.11n IEEE 802.11n is de laatste evolutie van Wireless Local Area Network (WLAN) technologie. Het is de opvolger van 802.11 a/b/g en biedt niet enkel hogere data rates aan maar ook grotere ranges dan zijn voorgangers. 802.11n kan gebruik maken van volgende modulatieschema s: BPSK, QPSK, 16-QAM en 64-QAM. Er is een kortere guard interval geïntroduceerd in de nieuwe standaard die de mogelijkheid biedt om in plaats van 800 ns maar 400 ns te pauzeren. Deze pauze is nodig om Intersymbool-interferentie (ISI), die ontstaat door effecten van multipath, tegen te gaan. In de meeste gevallen voldoet een guard interval van 400 ns en dit zorgt voor een hogere data rate. Bij 802.11n bestaat ook de mogelijkheid om verschillende modulatie schema s te gebruiken voor verschillende spatiale stromen. Op MAC-layer niveau zijn er ook verbeteringen geïntroduceerd die tot een lagere overhead leiden.[15] In 802.11n wordt MIMO geïntroduceerd om hogere ranges of data rates te kunnen aanbieden. Verschillende antenne configuraties worden ondersteund: van 1x1 tot 4x4. Er zijn verschillende mogelijkheden om de meerdere antennes te gebruiken: Spatial Multiplexing (SM), Space-Time Block Coding (STBC) en Transmit Beamforming (TxBF). Bij SM moeten Access Points zeker 2
2.4 Beschouwde technologieën 17 spatiale stromen kunnen verzenden. Voor het UE zijn er geen eisen opgesteld. Een combinatie van SM en STBC is ook mogelijk indien er meer Tx antennes zijn dan Rx antennes zijn. Bij 802.11n kan er gebruik gemaakt worden van een bandbreedte van 20 MHz of 40 MHz. Bij de voorgangers was er enkel een bandbreedte van 20 MHz voorhanden. 802.11n kan gebruik maken van de 2.4 GHz en 5 GHz banden. Binnen de 2.4 GHz frequentieband zijn er wel maar 3 niet-overlappende kanalen van 20 MHz, binnen de 5 GHz zijn dat er 12. 40 MHz kanalen zijn dus meer geschikt voor de 5 GHz frequentieband. 2.4.5 Vergelijking LTE-Advanced en WiMAX 802.16m voldoen beide aan de vereisten van IMT-Advanced. De technieken die gebruikt worden om hier aan te voldoen zijn grotendeels gelijk. Beide gebruiken ze MIMO tot 8 streams in de downlink en 4 streams in de uplink. Er wordt bij beide gebruik gemaakt van carrier aggregation om zo tot 1 Gbit/s in downlink te kunnen komen. Ook de data rates liggen dicht bij elkaar zoals te zien is in tabel 2.3. De data rates voor TDD zijn hier weergegeven waarbij een DL:UL ratio van ongeveer 0.75 gebruikt is Bij beide technologieën wordt OFDMA gebruikt in de DL. Het enige opmerkelijke verschil ligt bij de UL. Daar heeft 3GPP gekozen voor SC-FDMA terwijl IEEE net zoals bij de DL voor OFDMA kiest. 3GPP verantwoordt de keuze voor SC-FDMA omdat deze veel efficiënter is voor batterij gestuurde handheld devices. De kost van deze toestellen moet laag kunnen blijven om in massa-productie te kunnen gaan en door te kiezen voor SC-FDMA wordt dit mogelijk gemaakt. De twee technologieën verschillen enkel op vlak van de uplink. Het is moeilijk in te schatten welke technologie de strijd zal winnen. WiMAX heeft het voordeel dat het al vroeger dan LTE werd ontwikkeld en uitgerold. Volgens het WiMAX forum zijn er immers al meer dan 519 implementaties wereldwijd met meer dan 10 miljoen abonnees[16]. Het gaat hier wel om Fixed en Mobile WiMAX, maar de kost om deze netwerken up te graden naar WiMAX 802.16m liggen beduidend lager dan de kost om over te schakelen op een nieuwe technologie. LTE-Advanced LTE LTE-Advanced WiMAX Wi-Fi 802.11n 802.16m Fysische laag DL: OFDMA DL: OFDMA DL: OFDMA DL: OFDMA UL: SC-FDMA UL: OFDMA UL: OFDMA UL: OFDMA Duplex mode TDD en FDD TDD en FDD TDD en FDD TDD Bandbreedte 1.4, 3, 5, 10, 1.4, 3, 5, 10, 5, 7, 8.75, 10, 20 15, 20 15, 20 20 CA nee ja, tot 100 MHz ja, tot 100 MHz ja, tot 40 MHz MIMO DL: 4, UL: 1 DL: 8, UL: 4 DL: 8, UL: 4 DL: 4, UL: 4 Tabel 2.2: Vergelijking technologieën[16]
2.4 Beschouwde technologieën 18 Modulatie QPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM Code rate 1/3 1/2 2/3 1/2 2/3 5/6 2/3 5/6 DL 8.8 13.2 17.6 26.4 35.2 44.0 52.8 66.1 UL 2.2 3.4 4.5 6.7 9.0 11.2 13.5 16.8 Total 11.1 16.6 22.1 33.2 44.2 55.3 66.3 82.9 (a) LTE/ LTE-Advanced Modulatie QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM Code rate 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 2/3 3/4 5/6 DL 12.6 18.9 25.2 37.8 37.8 50.4 56.7 63.0 UL 3.7 5.6 7.4 11.1 11.1 14.8 16.7 18.5 Total 16.3 24.5 32.6 48.9 48.9 65.2 73.4 81.5 (b) WiMAX 802.16m Modulatie BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 64-QAM Code rate 1/2 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4 5/6 DL 5.4 10.8 16.3 21.7 32.5 43.3 48.8 54.2 UL 1.8 3.6 5.4 7.2 10.8 14.4 16.3 18.1 Total 7.2 14.4 21.7 28.9 43.3 57.8 65.0 72.2 (c) Wi-Fi 802.11n Tabel 2.3: Data rates voor TDD en 20 MHz bandbreedte, DL : UL 0.75 (in Mbps)
2.4 Beschouwde technologieën 19 heeft wel het voordeel dat het ontwikkeld wordt door telecom bedrijven en deze bedrijven zullen natuurlijk de voorkeur geven aan de standaard die ze zelf hebben ontwikkeld. Aangezien de technologische verschillen dicht bij elkaar liggen zal het afhangen van hoe succesvol beide technologieën worden geïmplementeerd en gebruikt. Het zal belangrijk zijn om te volgen welke piste fabrikanten van mobiele toestellen volgen. Als het aanbod aan toestellen voor de ene technologie de bovenhand neemt dan zou de strijd wel eens kunnen beslecht zijn. Operatoren zullen ook erkennen dat mobiele gebruikers hun toestellen wereldwijd zullen willen gebruiken. De steun van telecom bedrijven voor LTE-Advanced zou dus wel de doodsteek voor WiMAX kunnen zijn. WiMAX zal wel blijven bestaan, maar voor andere doeleinden waar het nu ook al voor dient: slecht bereikbare gebieden voorzien van een internetconnectie en minder om mobiele gebruikers te bedienen. LTE-Advanced en WiMAX 802.16m worden nu nog maar getest en nog niet op grote schaal uitgerold. LTE wordt wel al gebruikt en de voorganger van WiMAX 802.16m, Mobile WiMAX is ook al wereldwijd in gebruik genomen. Wi-Fi 802.11n past eigenlijk niet in het rijtje van LTE en WiMAX maar wordt hier toch bestudeerd omdat het een geschikte technologie kan zijn om een klein en drukbevolkt gebied van internet te voorzien. Als we Wi-Fi vergelijken met de andere technologieën dan merken we weinig verschillen. Er wordt ook OFDMA gebruikt voor de DL en UL net als bij WiMAX. Ook MIMO en CA worden ondersteund maar zoals te zien is in tabel 2.2 wordt CA maar tot 40 MHz aangeboden en MIMO maar tot 4 streams in DL en UL. De data rates liggen wel iets lager dan bij LTE en WiMAX zoals te zien is in tabel2.3. De grote voordelen van Wi-Fi zijn dat het kan gebruikt worden in de licentie-vrije 2.4 GHz band en dat er Wi-Fi standaard aanwezig is in veel toestellen.
METHODOLOGIE 20 Hoofdstuk 3 Methodologie We maken een vergelijking tussen de verschillende technologieën door een roll-out te doen in een stad. De modellering en dimensionering van deze roll-out gebeurt in verschillende stappen, deze worden besproken in sectie 3.1. Voor de modellering is er heel wat input nodig en moeten er enkele assumpties gemaakt worden, dit komt aan bod in sectie 3.2. In het laatste deel van dit hoofdstuk komt de uitwerking van de modellering aan bod. 3.1 Modellering De modellering gebeurt in drie luiken. Eerst is er een technische modellering op basis van parameters voor het scenario en de beschouwde technologie. Daarna volgt de dimensionering waarbij er bepaald wordt hoe men een gebied gaat bedekken. Als laatste stap komt de kostenmodellering. 3.1.1 Technische modellering Voor elke technologie moet berekend worden wat de mogelijke datarates zijn bij elk modulatieschema, dit gebeurt volgens formule 3.1. Dit hangt af van de eigenschappen van de technologie en verschilt tussen FDD en TDD. Voor TDD moet ook een DL:UL ratio gespecifieerd worden. bit rate = BW n NData (data bits per symbool) 1 overhead (T DD DL/UL ratio) (3.1) N F T T 1 + G met BW de bandbreedte n de bemonsteringsfactor N data het aantal beschikbare subcarriers en N F T T het totaal aantal subcarriers data bits per symbool bepaald door de code rate en het modulatieschema G het guard interval Op basis van de datarates kan in een latere stap berekend worden hoeveel gebruikers er kunnen gebruik maken van de service. Om het bereik van een BS te kunnen berekenen moet een link budget berekend worden. In het link budget worden alle gains en losses van de zender, via het medium naar de ontvanger
3.1 Modellering 21 en de receiver sensitiviteit in rekening gebracht. Voor de bepaling van het maximale bereik wordt het maximaal toegelaten padverlies P L MAX (in db) waaraan een uitgezonden signaal kan worden onderworpen om nog detecteerbaar te zijn door de ontvanger, berekend. Het padverlies stelt de verhouding tussen het uitgestraalde vermogen en het ontvangen vermogen van het signaal voor. Dit gebeurt volgens formule 3.2. P L MAX = Input P ower + Gains Losses Margins Receiver Sensitivity (3.2) De input power, gains, losses en margins worden beschreven in subsectie 3.2.1. De receiver sensitivity wordt berekend door de thermische noise, receiver noise en receiver implementatie verlies in rekening te brengen. De receiver sensitiviteit is verschillend voor elk modulatieschema en dit zorgt er voor dat hogere modulatieschema s lagere ranges bereiken. De P L MAX wordt dan gebruikt om de ranges van de antennes te berekenen door een padverlies model te gebruiken die de relatie tussen het padverlies en de range van een antenne voorstelt. In deze thesis zal gebruik gemaakt worden van het Erceg C model[17]. Dit model is immers het best geschikt voor een suburban omgeving en de frequentie die gebruikt wordt bij onze scenario s. Het gemiddelde padverlies wordt berekend met formule 3.3. De parameters bepaald voor het type gebied die gebruikt worden in de formule staan in tabel 3.1. ( ( ) ( 4πd0 P L = 20 log 10 )+10γ log λ 10 +6 log 10 dd0 met λ de golflengte (in m) f 2000 γ de padverlies variabele met γ = (a b h BS + c/h BS ) h BS de hoogte van het Base Station a, b en c constanten die een terreintype voorstellen ) +20 log 10 ( hm 2 d de afstand tussen het Base Station en de gebruiker (in m) d 0 = 100 m f de frequentie (in MHz) h m de hoogte van het Mobile Station (in m) AF de correctie factor voor de omgeving. AF = 0 voor suburban gebieden ) +AF +s voor d > d 0 s de shadowing fading component die signaal variaties tussen verschillende locaties op dezelfde afstand van de zender in rekening brengt 3.1.2 Dimensionering (3.3) De ranges van alle antennes worden eerst bepaald. Door gebruik te maken van het padverlies model kan men de ranges berekenen voor elk modulatieschema. Door rekening te houden met de service die wordt aangeboden en de vraag binnen het gebied kan het laagst mogelijke
3.1 Modellering 22 Parameter Waarde a 3.6 b 0.005 c 20 s 10.5 Tabel 3.1: Parameters voor Erceg C model modulatieschema berekend worden. Dit komt dan overeen met de maximale range van die antenne. Als alle ranges bepaald zijn kan bepaald worden wat het minimum aantal sites is dat moet ingenomen worden om aan de coverage vereiste te voldoen. Voor deze dimensionering wordt er gebruik gemaakt van een genetisch algoritme. De zoekruimte is bepaald door alle mogelijke antennes. Eerst wordt er een intitiële populatie gegenereerd en voor elke generatie wordt een mutatie uitgevoerd waarbij er enkele antennes worden weggelaten of bijgevoegd. Op basis van de resulterende fitness wordt dan beslist of deze oplossing behouden wordt. Na enkele generaties wordt de slechtste oplossingen verwijderd en worden er nieuwe oplossingen gegenereerd door cross-overs te doen van bestaande oplossingen. Het algoritme stopt als het maximum aantal generaties bereikt is of als de tijd is verstreken. De fitness (eq. 3.4) stelt voor hoe geschikt een oplossing is en bevat hier een coverage component (eq. 3.5) en een kost component (3.6). De kostfactor (eq. 3.7) bepaalt in hoeverre rekening gehouden wordt met de kost. Deze is 0 tot cov min, om zo snel mogelijk aan cov min te geraken. Tussen cov min en cov max stijgt de factor kwadratisch: hoe meer dekking hoe belangrijker de kost wordt, met een maximale factor van 5. Indien cov max is gehaald, kan de factor niet meer stijgen. In de praktijk blijkt dit een goede balans te zijn tussen f cov en f cost. Totale fitness: Coverage fitness: F itness = f cov + kostfactor(f cov ) f cost (3.4) f cov = 100 oppervlakte(doelcoverage effectieve coverage) oppervlakte(doelcoverage) (3.5) Kost fitness: f cost = 100 100 cost(actieve antenne) cost(antenne) (3.6) De teller bevat de kosten van alle actieve antennes terwijl de noemer de totale mogelijke kost
3.2 Input en assumpties 23 bevat. 0 indien f cov < cov min ( ) 2 kostfactor(f cov ) = 5 fcov covmin 10 indien cov min < f cov cov max (3.7) 5 indien f cov cov max 3.1.3 Kostenmodellering De modellering beschreven in het vorige deel geeft als oplossing de locaties van de antennes die gebruikt worden om het gebied te coveren. Op basis van deze output en gegevens over de kosten van de Base Stations kan dan een kostenmodellering gemaakt worden. Zowel eenmalige CapEx kosten als OpEx kosten moeten in rekening worden gebracht. CapEx kosten zijn de kosten die gemaakt worden bij de opzet en OpEx kosten zijn kosten die elk jaar terugkomen, hier omvatten de OpEx kosten het onderhoud en de huur. De modellering gebeurt voor een periode van 10 jaar waarbij voor de OpEx kosten de Present Value (PV) wordt berekend door een disconteringsvoet van 5% te gebruiken. Dit gebeurt volgens formule 3.8. P V = t R t (1 + i) t (3.8) met R t de uitgave in jaar t en i de disconteringsvoet. Alle kosten die verder aan bod komen zijn verdisconteerd en stellen de huidige waarde voor. 3.2 Input en assumpties Voor de modellering wordt er gebruik gemaakt van heel wat input data en moeten er enkele assumpties gemaakt worden. In subsectie 3.2.1 worden alle technische parameters besproken die nodig zijn om de berekeningen te kunnen doen voor het linkbudget en de data rates. In subsectie 3.2.2 komen dan alle mogelijke locaties die belangrijk zijn voor de modellering aan bod. De mogelijke gebieden komen in subsectie 3.2.2.1 aan bod. Alle asumpties die gemaakt worden voor de gebruikers zijn terug te vinden in subsectie 3.2.3. Ten slotte worden ook nog de assumpties voor alle kosten besproken in subsectie 3.2.4. 3.2.1 Technische configuratie In dit deel wordt gespecifieerd welke parameters er nodig zijn om P L MAX te berekenen. 3.2.1.1 Vaste parameters Heel wat parameters blijven vast bij alle scenario s. Deze parameters staan opgelijst in tabel 3.2. De vaste instellingen van zowel het Base Station als het Mobile station worden hier gespecifieerd. Daarnaast zijn hier ook de margins te vinden. Enkele termen vragen misschien
3.2 Input en assumpties 24 Parameter Waarde Base station BS antenne gain 17 dbi BS feeder loss (Tx / Rx) 0.5 db Noise Figure (Rx) 2 db Implementatie verlies 2 db Sectoren 3 Mobile station MS hoogte 1.5 m MS feeder loss (Tx / Rx) 0 db Noise Figure (Rx) 7 db Implementation loss (Rx) 2 db Margins Fade margin 10 db Cell interference margin (DL) 2 db Cell interference margin (UL) 3 db Tabel 3.2: Vaste parameters wat meer uitleg zoals de fade margin en de noise figure. De fade margin brengt temporele fading (bv veranderende weersomstandigheden) in rekening en is bepaald door de verwachte jaarlijkse beschikbaarheid van het systeem. De noise figure is een maat voor de degradatie van de SNR veroorzaakt door componenten in de radiofrequentie signaal ketting. Al deze parameters zijn nodig om het link budget te kunnen berekenen. Naast de vaste parameters zijn er nog heel wat parameters die kunnen variëren, deze worden besproken in de volgende delen. 3.2.1.2 Spectrale parameters Twee parameters die kunnen gewijzigd worden zijn de draagfrequentie en de bandbreedte. Voor LTE, LTE-Advanced en WiMAX 802.16m kan gekozen worden tussen 2.6 GHz en 3.5 GHz. Voor Wi-Fi 802.11n zal gebruik gemaakt worden van de licentie-vrije 2.4 GHz band. Bij elke technologie kan ook gebruik gemaakt worden van verschillende bandbreedtes. De grootte die gekozen wordt zal altijd gespecifieerd zijn. Ook zal er aangegeven worden of er gebruik gemaakt wordt van FDD of TDD. 3.2.1.3 Parameters Base Station De belangrijke parameters die kunnen variëren, zijn de hoogte van het BS en de input power. Deze zijn afhankelijk van de gebruikte technologie en het scenario. Voor LTE(-Advanced) en
3.2 Input en assumpties 25 WiMAX zal altijd een hoogte van 30 m en een input power van 46 dbm verondersteld worden. Voor Wi-Fi kiezen we een input power van 35 dbm. De hoogte bij Wi-Fi kan variëren en dit zal gespecifieerd worden in het scenario. Voor de Base Stations kunnen ook het aantal Tx en Rx antennes variëren. De mogelijke configuraties worden bepaald door de technologie. Later volgt nog een deel over de MIMO configuraties. 3.2.1.4 Parameters Mobile Station Naast de vaste parameters die te vinden zijn in tabel 3.2 zijn er ook nog een aantal parameters die kunnen variëren voor de mobiele gebruiker. Er worden twee types van toestellen gespecifieerd: een low-end en een high-end toestel. De waarden die gebruikt worden in de scenario s voor deze toestellen staan in tabel 3.3. Het aantal Tx en Rx antennes hoort ook bij de klasse van toestellen die gebruikt wordt. De mogelijke configuraties worden hier, net zoals bij het Base Station bepaald door de technologie die gebruikt wordt. In het volgende deel wordt hier verder op ingegaan. 3.2.1.5 MIMO parameters MIMO kan gebruikt worden om de range van een antenne op te drijven of juist de bandbreedte omhoog te krijgen. Een combinatie van beide is ook mogelijk. MIMO wordt bij de recente technologieën als een goede techniek gezien om een grotere kanaalcapaciteit te bekomen. Er moet ook beslist worden welke configuratie men gaat gebruiken. Dit wil zeggen dat men moet kiezen hoeveel antennes men wil inschakelen per sector. Als men kiest voor een systeem met 4 antennes ipv 2 antennes zal men een hoger bereik of hogere bandbreedte kunnen verwezelijken maar dit zal gepaard gaan met een hogere kost van het basisstation. Om de invloed van MIMO aan te tonen zullen er verschillende configuraties getest worden waarbij de configuraties aan de kant van het Base Station en de gebruiker kunnen variëren. De maximale configuraties die zullen beschouwd worden, zijn opgelijst in tabel 3.4. Let op, dit is niet gelijk aan het aantal streams die kunnen verzonden worden in de DL en de UL. Voor LTE zijn de mogelijke MIMO configuraties in de DL: 2x2, 4x2 en 4x4. Ook SIMO in de DL is mogelijk. Voor de UL is er enkel SIMO mogelijk tot 4 receiver antennes. Bij LTE-Advanced komen de volgende configuraties er bij in de DL: 8x2 en 8x4. Voor de UL wordt nu ook MIMO ondersteund in de volgende configuraties: 2x2, 4x2, 4x4 en 4x8. Alle Input power MS antenne gain low-end toestel 24 db 0 db high-end toestel 31 db 0 db Tabel 3.3: Toestellen gebruiker
3.2 Input en assumpties 26 LTE LTE-Advanced WiMAX Wi-Fi BS 4 8 8 4 MS 4 4 4 4 Tabel 3.4: Maximale MIMO-configuraties configuraties die aangeboden worden bij LTE-Advanced zijn ook mogelijk bij WiMAX. Bij Wi-Fi lopen de configuraties maar tot 4x4, zowel in DL als UL. Om de invloed van TD op de range van de antenne uit te drukken wordt er gebruik gemaakt van een MIMO gain G MIMO.[18] Deze wordt ook gebruikt in het link budget. G MIMO = 10 log 10 (n T x n Rx ) (3.9) G MIMO in vergelijking 3.9 is misschien een overschatting voor realistische cases[19] maar ze wordt gebruikt voor alle technologieën om een eerlijke vergelijking te kunnen maken. Als er meerdere Tx antennes gebruikt worden, komt er ook een Cyclic combining gain van 3dB bij in het linkbudget. Deze gain kan enkel in het linkbudget gebruikt worden als er meerdere Tx antennes zijn en er gebruik gemaakt wordt van Transmit Diversity. Als SM gebruikt wordt dan zal het aantal antennes aangeven hoeveel streams verzonden worden. Ook hier kan dit een overschatting zijn, zeker als er een groot verschil is tussen het aantal antennes op het BS en het MS. Maar aangezien het theoretisch mogelijk is dat het aantal streams gelijk is aan het aantal antennes die aanwezig zijn gaan we hiervan uit. Het aantal streams dat mogelijk is bij SU-MIMO is opgelijst in tabel 3.5.[4] 3.2.1.6 Technologie specifieke parameters Bij WiMAX wordt er zowel in de DL als in de UL gebruik gemaakt voor OFDMA maar in de UL worden niet alle subcarriers gebruikt om een signaal te versturen. Om dit effect uit te drukken wordt er een UL Subchanneling Gain in rekening gebracht. Dit wordt berekend op basis van formule 3.10. N UsedSubChUL is afhankelijk van het aantal subchannels dat nodig is voor de uplink data rate per gebruiker en hangt ook af van het modulatieschema. In tabel 3.6 zijn het aantal beschikbare subchannels te zien voor de verschillende bandbreedtes. ( ) NUsedSubChUL UL SubChGain = 10 log 10 N SubChUL (3.10) LTE LTE-Advanced WiMAX Wi-Fi DL 4 8 8 4 UL 1 4 4 4 Tabel 3.5: SU-MIMO streams[4]
3.2 Input en assumpties 27 Bandbreedte UL Subchannels 5 15 7 30 8.75 30 10 30 20 60 Tabel 3.6: UL Subchannels WiMAX 802.16m Bij LTE en LTE-Advanced wordt er in de UL gebruik gemaakt van SC-FDMA en dit zorgt er voor dat het signaal maar over één drager verstuurd wordt. Om dit effect uit te drukken wordt er gebruik gemaakt van een gelijkaardige gain als bij WiMAX (eq. 3.10), met het verschil dat het aantal mogelijke subchannels in de vergelijking vervangen wordt door het aantal mogelijke subcarriers. Voor alle technologieën die beschouwd worden, staan de vereiste Signal-to-noise ratio (SNR) waarden opgelijst in tabel 3.7. Deze waarden hangen af van de code rate en de codeertechniek die gebruikt wordt bij elke technologie. Deze waarden worden gebruikt in het link budget om de receiver sensitivity te berekenen. 3.2.2 Geografische informatie Naast de technische parameters wordt er ook gebruik gemaakt van heel wat geografische data. Hieronder volgt wat meer uitleg over de specifieke data die gebruikt wordt. 3.2.2.1 Gebieden Geografische data voor afgebakende gebieden worden op twee manieren gebruikt: om de granulariteit te bepalen en om het gebied dat moet gecoverd wordt af te bakenen. Er is geografische data beschikbaar over de verschillende deelgebieden van Gent. Zo kunnen zowel de locaties van de stadsdelen (fig. 3.1b), de stadswijken (fig. 3.1c) en de statistische sectoren (fig. 3.1d) als data van Groot-Gent (fig. 3.1a) gebruikt worden. De data die beschikbaar is voor de verschillende deelgebieden van Gent worden ook gebruikt om de doelcoverage te bepalen. Er zullen twee gebieden bestudeerd worden. Een groot gebied dat volledig Gent omvat, te zien in figuur 3.1a en een kleiner gebied dat bestaat uit enkele sectoren, te zien in figuur 3.2. Voor Groot-Gent is de doelcoverage 95% en voor het centrum van Gent is dit 99%. Groot-Gent heeft een oppervlakte van ongeveer 157 km² terwijl het centrum van Gent een oppervlakte van ongeveer 7 km² heeft. 3.2.2.2 Antenne locaties Er zijn twee mogelijkheden bij het kiezen van een locatie, ofwel wordt een locatie van het Belgisch Instituut voor postdiensten en telecommunicatie (BIPT) in gebruik genomen, ofwel
3.2 Input en assumpties 28 (a) Gent (b) Stadsdelen Gent (7) (c) Stadswijken Gent (25) (d) Statistische sectoren Gent (201) Figuur 3.1: Verschillende niveaus Gent
3.2 Input en assumpties 29 Modulatie Code rate QPSK 1/2 QPSK 3/4 16-QAM 1/2 16-QAM 3/4 64-QAM 1/2 64-QAM 2/3 64-QAM 3/4 64-QAM 5/6 SNR 2.9 6.3 8.6 12.7 13.8 16.9 18 19.9 (a) SNR waarden WiMAX 802.16m Modulatie Code rate BPSK 1/2 QPSK 1/2 QPSK 3/4 16-QAM 1/2 16-QAM 3/4 64-QAM 2/3 64-QAM 3/4 64-QAM 5/6 SNR 4.5 7.5 9.5 12.5 16.5 20.5 21.5 22.5 (b) SNR waarden Wi-Fi 802.11n Modulatie Code rate QPSK 1/3 QPSK 1/2 QPSK 2/3 16-QAM 1/2 16-QAM 2/3 16-QAM 5/6 64-QAM 2/3 64-QAM 5/6 SNR 0.9 2.1 3.8 7.7 9.8 12.6 15 18.2 (c) SNR waarden LTE/LTE-Advanced Tabel 3.7: Vereiste SNR waarden (a) GIS-data Centrum Gent (b) Centrum Gent op kaart Figuur 3.2: Centrum Gent
3.2 Input en assumpties 30 wordt er gekozen voor een nieuwe locatie. Er zijn gegevens over de locaties van bestaande antennes gekend. De gebruikte data voor Gent is te zien in figuur 3.3. In deze data kan men van elke antenne gegevens over de provider, de technologie en instellingen van de antenne terugvinden. Deze data is vrij verkrijgbaar op de site van het BIPT 1. Binnen de modelleringstool kan er op twee manieren omgegaan worden met deze data. Ofwel gebruikt men enkel de locaties, ofwel kiest men een bepaalde provider. Binnen deze thesis worden enkel de locaties gebruikt aangezien we een roll-out doen van nieuwe technologieën en we dus geen gebruik kunnen maken van de instellingen voor de verschillende antennes. De instellingen van de antennes in de cases worden dan bepaald door de technische parameters. Om de locaties van nieuwe antennes in rekening te brengen wordt gebruik gemaakt van informatie over de hoogtes van gebouwen. Op basis van de hoogte van een gebouw wordt beslist of de locatie in aanmerking komt om een antenne te plaatsen. Deze locaties worden gecombineerd met de technische parameters van de Base Stations om zo een nieuwe beslissingsruimte te vormen. Voor Gent is er informatie beschikbaar voor een groot deel van het centrum zoals te zien is in figuur 3.4. 3.2.2.3 Fiberaansluitingen Informatie over plaatsen waar het mogelijk is om een fiberaansluiting te bereiken, kunnen ook gebruikt worden. Op basis van deze locaties wordt berekend wat de goedkoopste manier is om een backhaul verbinding te voorzien voor een nieuwe antennelocatie. Deze kost wordt mee in rekening genomen door het algoritme om de optimale locaties te vinden. In deze thesis wordt er gebruik gemaakt van dummy-punten die strategisch gekozen zijn: openbare gebouwen, universiteitsgebouwen, hogescholen en stations. Deze locaties zijn weergegeven op figuur 3.5. 3.2.3 Gebruiker Het aantal gebruikers van de service wordt berekend door rekening te houden met de bevolkingsdichtheid van het gebied (subsectie 3.2.3.1) en de adoptie (subsectie 3.2.3.2) die verondersteld wordt. Daarnaast moet ook vastgelegd worden wat de aangeboden data rate is per gebruiker. (subsectie 3.2.3.3) 3.2.3.1 Demografische gegevens Bij het uitrollen van een netwerk is het belangrijk om de gebruikers in kaart te brengen. Als dit zeer specifiek kan gebeuren zal dit een gunstige invloed hebben op de berekening van de roll-out. Hier gaan we gebruik maken van gegevens over de bevolkingsdichtheid van 1 Belgisch Instituut voor postdiensten en telecommunicatie: http://www.bipt.be, Kadaster antennesites: http://www.sites.bipt.be/
3.2 Input en assumpties 31 Figuur 3.3: Locaties antennes BIPT Gent Figuur 3.4: 3D data Gent
3.2 Input en assumpties 32 Figuur 3.5: Fiberaansluitingen Gent 2009 die te vinden zijn op de website van de stad Gent.2 De totale bevolkingsdichtheid voor volledig Gent is gegeven maar ook op diepere niveaus is er data voorhanden. Zo wordt de bevolkingsdichtheid voor de stadsdelen, de stadswijken en zelfs de statistische sectoren gegeven. Deze data worden gecombineerd met geografische data van de gebieden. Ook hier kunnen de verschillende niveaus gebruikt worden: volledig Gent (zie figuur 3.1a) de stadsdelen (zie figuur 3.1b), de stadswijken (zie figuur 3.1c) en de statistische sectoren (zie figuur 3.1d). Deze gegevens zullen gebruikt worden voor de dimensionering. 3.2.3.2 Adoptie We beschikken over voldoende informatie wat betreft de bevolkingsdichtheid in Gent, zoals blijkt uit het vorige deel. Belangrijk is om een goede keuze te maken voor de adoptie. Die zal immers aangeven aan hoeveel gebruikers we onze diensten moeten verlenen. Voor de adoptie baseren we ons op een model gebruikt in [20]. Hier wordt gebruik gemaakt van het Gompertz model om een inschatting te maken van de adoptie van mobiel internet over de jaren. De formule (3.11) bevat drie parameters: het buigpunt (a), de helling (b) en de grootte (m). Het geeft een beeld van de totale adoptie en dit kan dan nog opgesplitst worden per speler. Voor deze thesis wordt er voor gekozen om deze niet op te splitsen per speler maar om de totale adoptie te gebruiken. De parameters die gebruikt worden, zijn weergegeven in tabel 3.8 en de adoptie curves zijn te zien in figuur 3.6. Belangrijk voor deze thesis is de adoptie bepaald voor de inwoners. Door deze te combineren met de bevolkingsdichtheid kan bepaald worden 2 http://gent.buurtmonitor.be/
3.2 Input en assumpties 33 hoeveel gebruikers er zijn per km². S(t) = m e e b(t a) (3.11) De adoptie zullen we op 2 verschillende manieren bekijken. Ofwel bekijken we 1 moment in de tijd en dit moment kiezen we in de toekomst. Gebaseerd op het Gompertz model zullen we het jaar 2020 nemen waar er een adoptie is van 20% bij inwoners. We kunnen ook een tijdspanne bekijken waarbij de adoptie in de tijd varieert. We zullen dan een tijdspanne van 10 jaar bekijken en de adoptie laten variëren volgens het Gompertz model. We gaan uit van de cijfers weergegeven in tabel 3.9. 3.2.3.3 Aangeboden data rate Op basis van de bevolkingsdichtheid en de adoptie kan er een goede inschatting gemaakt worden van het aantal gebruikers. Nu is het nog nodig om te beslissen welke data rates aangeboden worden. Er zal voor gekozen worden om 5 Mbps in de downlink en 1 Mbps in de uplink aan te bieden. Voor mobiel gebruik is dit ruim voldoende. Naast de aangeboden data rates wordt er ook een overbooking van 5% in rekening gebracht. Dit wil zeggen dat we inschatten dat maar 5% van de gebruikers tegelijk zal gebruik maken van onze services. 3.2.4 Kosten Voor de kostenmodellering en berekening van de kostfactor moet de kostprijs van een site bepaald worden. Alles wat in rekening wordt gebracht voor die berekening wordt in deze sectie besproken. 3.2.4.1 Algemeen Voor LTE(-Advanced) en WiMAX zal er altijd gekozen worden om een locatie van het BIPT te huren. Voor Wi-Fi zijn beide opties mogelijk. In tabel 3.10 staan alle CapEx en OpEx opgelijst voor alle technologieën. In de volgende subsecties worden alle mogelijke kosten overlopen en uitgelegd. De disconteringsvoet die gebruikt wordt is 5%. Type gebruiker a b m Inwoners 2011.5 0.64 20% Studenten 2011.5 0.64 33.33% Toeristen 2011.5 0.64 5% Industrie 2011.5 0.64 5% Tabel 3.8: Adoptie parameters voor de verschillende marktsegementen voor draadloze breedband
3.2 Input en assumpties 34 Figuur 3.6: Gompertz adoptie curves jaar adoptie (%) 2011 5 2012 9.7 2013 13.6 2014 16.3 2015 18 2016 18.9 2017 19.4 2018 19.7 2019 19.8 2020 20 Tabel 3.9: Adoptie
3.2 Input en assumpties 35 3.2.4.2 BS uitrusting en installatie Voor de BS uitrusting en de installatie wordt zowel voor WiMAX, LTE en LTE-Advanced een kostprijs van 20,000 euro aangerekend. Voor Wi-Fi is dit 5,000 als een locatie gehuurd wordt van het BIPT en 7,000 als er gekozen wordt voor een nieuwe locatie. 3.2.4.3 Antennes Wat betreft de antennes van de verschillende technologieën wordt een onderscheid gemaakt. Voor WiMAX wordt een kost van 2,000 per antenne aangerekend. Voor LTE en LTE- Advanced is dit 3,000 en voor Wi-Fi maar 500. LTE en LTE-Advanced is een recentere technologie en het BS is complexer dan WiMAX, dus daar wordt een hogere kostprijs voor gerekend. Voor Wi-Fi wordt een lagere prijs aangerekend op basis van de sterkte en capaciteiten van de antenne. Dit is de prijs per antenne, dus dan moet nog rekening gehouden worden met het aantal sectoren en het aantal antennes per sector als er MIMO wordt gebruikt. In tabel 3.10 staat de prijs, berekend op drie sectoren. 3.2.4.4 Bouwvergunning Als er gekozen wordt om een nieuwe locatie in te nemen, dus geen locatie van het BIPT dan moet er een bouwvergunning in rekening worden gebracht. Binnen deze thesis worden er enkel nieuwe locaties overwogen voor Wi-Fi en hiervoor kiezen we een kost van 500 voor een bouwvergunning. 3.2.4.5 Huur locatie Voor een locatie van het BIPT wordt een jaarlijks percentage van 15% van de kostprijs van 16,000 voor een paal en 4,000 voor de installatie in rekening gebracht, voor Wi-Fi wordt een kost van 2,000 voor de installatie in rekening gebracht. Als het gaat om een nieuwe locatie dan moet er jaarlijks 250 aan huur betaald worden. 3.2.4.6 Onderhoud Voor alle elektrisch materiaal wordt er 10% van de aankoopprijs als jaarlijkse kost genomen en voor de antennes is dit 7%. 3.2.4.7 Licentie Voor de 2.6 GHz band wordt een kost van 1,000 /MHz aangerekend voor volledig Gent. Zoals eerder gezegd is de 2.4 GHz band een licentie-vrije band dus hiervoor moet er geen kost in rekening worden gebracht.
3.3 Uitwerking 36 LTE(-Advanced) WiMAX Wi-Fi nieuw Wi-Fi BIPT BS uitrusting 16,000 16,000 3,000 3,000 Installatie 4,000 4,000 4,000 2,000 Antenne kost 6,000 9,000 1,500 1,500 Bouwvergunning 0 0 500 0 Totaal (CapEx) 26,000 29,000 9,000 6,500 Huur locatie 3,000 3,000 250 2,700 Onderhoud BS 2,000 2,000 700 500 Onderhoud antennas 420 630 105 105 Totaal (OpEx) 5,420 5,630 1,055 3,305 Tabel 3.10: Kosten verschillende technologieën, uitgaande van 3 sectoren 3.2.4.8 Backhaul Als een locatie gehuurd wordt van het BIPT dan wordt er verondersteld dat de kost voor de backhaul vervat zit in de jaarlijkse huurkost. Bij een nieuwe locatie moet een nieuwe verbinding worden aangelegd en wordt er een kost van 50/m in rekening gebracht. 3.3 Uitwerking In deze sectie staat beschreven hoe de modellering beschreven in sectie 3.1 is uitgewerkt en op welke manier er gebruik gemaakt wordt van alle input data en assumpties uit sectie 3.2. 3.3.1 Flow De modellering en de input worden gelinkt met elkaar zoals te zien is in figuur 3.7. Alle geografische data wordt ingelezen uit Geographic Information System (GIS)-data. De ligging van bepaalde locaties en gebieden kunnen hieruit uitgelezen worden. Ook kan er extra informatie opgeslagen worden over deze locaties en gebieden. We gebruiken GIS-data om het coverage gebied af te bakenen, om de locaties van de antennes te bepalen, om nieuwe locaties in rekening te brengen en fiberlocaties aan te duiden. De technische parameters worden in een rekenblad opgeslagen waar een technische modellering kan gebeuren. Gebruiker data en de kosten dienen als input voor de dimensioneringstool. Ook wordt gebruikersdata gecombineerd met GIS-data, namelijk de bevolkingsdichtheden van de gebieden. De dimensionering gebeurt via een Java tool en daarna wordt er gebruik gemaakt van een rekenblad om een kostenmodellering te maken. Als resultaat bekomen we dan een opdeling van de kosten voor het beschouwde scenario.
3.3 Uitwerking 37 Input Modellering Output Gebruikers data GIS-data Technische parameters Technische modellering Dimensionering Kostenmodellering Kosten kosten Figuur 3.7: Flow modellering 3.3.2 Rekenblad - technische parameters Alle technische parameters beschreven in 3.2.1 worden samen gebracht in een rekenblad. Voor elke technologie kan hier de DL en UL data rate berekend worden. Voor elk scenario worden hier eerst alle parameters ingesteld en kunnen al enkele berekeningen gemaakt worden. De output dient dan als input voor de dimensionering. Op basis van deze gegevens kan er al een theoretische berekening gebeuren van de Maximum Allowable Path Loss (MAPL). Door een pathlossmodel te gebruiken kunnen dan ook de ranges van de antennes berekend worden. Uiteindelijk kan dan ook een theoretische inschatting gemaakt worden van het aantal antennes dat nodig zal zijn om een gebied te coveren. 3.3.3 Java tool - dimensionering Voor de modellering van de roll-out zal gebruik gemaakt worden van een Java-tool die gebruikt wordt binnen de IBCN vakgroep. Deze tool neemt als input GIS-data met locaties en specificaties van antennes en technische parameters en bepaalt via het genetisch algoritme dat beschreven staat in subsectie 3.1.2, welke antennes aan- en afgeschakeld moeten worden om de optimale fitness te bekomen. Deze totale fitness wordt bepaald door een coverage- en kostfactor. Deze tool is uitgebreid op een aantal punten om een meer precisie dimensionering te bekomen.
3.3 Uitwerking 38 Koppeling technische modellering De tool maakt gebruik van de technische parameters voor de technologieën en de resulterende technische modellering. De berekende data rates en receiver sensitivity zijn nodig om de ranges van de antennes te kunnen berekenen. Voordien werden de parameters ingelezen uit een XML-document maar aangezien de modellering gebeurt in een rekenblad kan dit als input gebruikt worden. Dit maakt het gemakkelijker om de gewijzigde parameters en uitkomst van de technische modellering te gebruiken als input voor de dimensionering. Range antennes Voor het berekenen van de ranges van de antennes hield de modelleringstool geen rekening met de verschillende modulatieschema s en vereiste SNR waarden. Er werd uitgegaan van 1 vaste receiver sensitivity en op basis daarvan werd berekend wat de range van de antenne was. De tool werd zo uitgebreid dat er voor elke antenne gekeken wordt naar de bandbreedtevereisten van het omliggende gebied. Bij hoge modulatieschema s kan er een grotere datarate bekomen worden maar is het gecoverde gebied veel kleiner dan bij een lager modulatieschema. Er wordt geprobeerd om de ranges te verhogen door lagere modulatieschema s te gebruiken zolang er nog kan voldaan worden aan de bandbreedtevereisten. Indien er dus een hoge vraag is kan er bijvoorbeeld maar een klein gebied gecoverd worden door gebruik te maken van 64-QAM maar indien de vraag lager is kan de range vergroot worden doordat lagere modulatieschema s nog voldoende zijn. Hogere modulatieschema s laten immers een hogere data rate toe maar de ranges zullen wel lager zijn zoals aangegeven in figuur 3.8 Nieuwe locaties De modelleringstool maakte enkel gebruik van vooraf bepaalde locaties van antennes maar wat ontbrak, was de bepaling van nieuwe locaties. Nu worden nieuwe locaties gezocht op basis van GIS-data van gebouwen. Er wordt een minimale hoogte opgelegd waar gebouwen moeten aan voldoen. Als aan deze voorwaarde voldaan is dan wordt deze locatie opgenomen in de zoekruimte. Grote gebouwen zijn opgedeeld in verschillende delen en voor elke deel wordt er een locatie opgenomen als aan de vereiste voor de hoogte is voldaan. Startoplossing en vaste antennes Om de evolutie van een roll-out in de tijd, op basis van de evolutie van de adoptie beschreven in subsectie 3.2.3.2, te bestuderen was het nodig om de tool vaste antennes als input te laten nemen. Deze antennes worden gedurende het algoritme vast aangeschakeld gelaten. Zo kan er rekening gehouden worden met een geleidelijke roll-out waarbij er elk jaar meer antennelocaties nodig zijn maar waar de oude locaties behouden worden. Ook kan er gekozen
3.3 Uitwerking 39 Figuur 3.8: Modulatieschema s en range worden om als startpunt bepaalde antennes aan te schakelen of random al antennes op te nemen als startoplossing. Kosten In de originele tool werd de kostfitness bepaald door enkel te kijken naar het aantal antennes dat aangeschakeld werd. De verhouding tot het aantal mogelijke antennes werd als kostfactor genomen. Er werd echter geen echte kost in rekening gebracht. Nu kan er een kost in rekening worden gebracht voor elke antenne. Er is ook een methode toegevoegd om te berekenen welke kost er gepaard gaat met het voorzien van een fiberkabel. De tool kan overweg met GIS-data waarop punten aangebracht zijn die fiber aansluitingen aanduiden en dan kan berekend worden wat de minimale kost is om fiber te trekken naar een punt waar een antenne zou geplaatst worden. Optimalisatie algoritme Het genetisch algoritme verdeelt de oplossingsruimte in 9 delen waarbij de sites gelijk verdeeld worden over de verschillende delen. Per deel wordt de fitness berekend. Al deze resultaten voor de fitness worden dan samen genomen om tot de totale fitness van de oplossing te komen. Aangezien er altijd in elk deel afzonderlijk berekeningen worden uitgevoerd wordt er geen rekening gehouden met wat er gebeurt in andere delen. Hier wordt een oplossing voor geboden door per 100 generaties voor de volledige oplossing de overlap te berekenen. De coverage van een antenne die aan de rand van een deelgebied ligt kan immers volledig bedekt zijn door een combinatie van een aantal antennes binnen hetzelfde gebied en binnen een gebied dat er aan grenst. Het is dan ook niet nodig om deze antenne aan te schakelen en zo de kost te verhogen. Dit resulteert in een filtering van het aantal sites.
3.3 Uitwerking 40 Erceg C Voor het berekenen van de ranges van de antennes zal gebruik gemaakt worden van het Erceg C model, zoals eerder al aangehaald. Dit model is dan ook toegevoegd aan de modelleringstool. 3.3.4 Rekenblad - kostenmodellering In de dimensionering wordt beslist welke sites er ingenomen worden. In de laatste stap gebeurt dan de kostenmodellering. De Capex kosten voor alle sites worden in rekening gebracht samen met de verdisconteerde Opex kosten berekend op 10 jaar. Dan wordt ook nog de eventuele kost voor de licentie en de backhaul in rekening gebracht. Zo bekomen we de totale kost om een netwerk uit te rollen waarbij we ook een verdeling van de kosten verkrijgen.
CASES 41 Hoofdstuk 4 Cases Om de kracht van de dimensioneringstool aan te tonen en een goede vergelijking te kunnen maken tussen de verschillende technologieën worden er een aantal cases uitgewerkt. Eerst is er een inleiding waar een overzicht gegeven wordt van de cases die worden uitgewerkt. In de secties die daarop volgen worden de resultaten van de cases voorgesteld. 4.1 Inleiding 4.1.1 Overzicht De impact van de granulariteit wordt onderzocht door een LTE-Advanced netwerk te dimensioneren met ideale instellingen voor de BSs. LTE-Advanced en WiMAX zullen vergeleken worden in drie verschillende cases: door een roll-out te doen in Groot-Gent, in het centrum van Gent en door een tijdsdimensie toe te voegen aan een roll-out in groot Gent. De twee 4G technologieën worden ook vergeleken met Wi-Fi bij een roll-out in het centrum van Gent. De minimale MIMO configuratie die beschouwd wordt is een 2x2 MIMO-configuratie. LTE wordt niet onderzocht binnen de cases omdat de mogelijkheden ondergeschikt zijn aan die van LTE-Advanced en de klemtoon meer gelegd wordt op de vergelijking van 4G technologieën. Overzicht van de beschouwde technologieën en de scenario s: LTE-Advanced Granulariteit Groot-Gent: FDD en TDD spectrum, verschillende MIMO-configuraties Centrum Gent: FDD en TDD spectrum, verschillende MIMO-configuraties Tijdsdimensie roll-out groot Gent WiMAX Groot-Gent: FDD en TDD spectrum, verschillende MIMO-configuraties Centrum Gent: FDD en TDD spectrum, verschillende MIMO-configuraties
4.2 Impact granulariteit 42 Wi-Fi Tijdsdimensie roll-out Groot-Gent Centrum Gent: verschillende MIMO-configuraties 4.1.2 Auction 2011 Voor LTE-Advanced en WiMAX wordt gebruik gemaakt van de 2.6 GHz band. Op het einde van dit jaar vindt een veiling plaats voor bandbreedte in de 2.6 GHz band. 1 Het beschikbare spectrum ligt tussen 2500 MHz en 2690 MHz. Dit spectrum is opgesplitst in enkele FDD percelen en een TDD perceel. Voor de FDD percelen is er vastgelegd dat een relevante groep niet meer dan 2x20 MHz kan bezitten. Als er vier of meer kandidaten zijn voor het FDDspectrum, zal het FDD-spectrum aangeboden worden in 6 blokken (2 blokken van 2x5 MHz en 4 percelen van 2x15MHz). Als er minder dan vier kandidaten zijn voor het FDD-spectrum, zal het FDD-spectrum aangeboden worden in 5 blokken (2 blokken van 2x5 MHz en 3 percelen van 2x20MHz). Het TDD perceel dat geveild wordt heeft een grootte van 45 MHz. Deze frequentie is geschikt voor WiMAX, LTE en LTE-Advanced. Zoals eerder al vermeld, beschouwen we BSs met 3 sectoren. Dus voor FDD kan elke sector maar maximaal over 2x5 MHz beschikken en voor TDD is dit 15 MHz. Technisch gezien kan er voor FDD gebruik gemaakt worden van 2x(20/3) MHz maar dit wordt niet ondersteund door de beschouwde technologieën. De 2 FDD blokken van 2x5 MHz zijn ook niet bruikbaar en zullen ook niet beschouwd worden. Om realistische scenario s uit te werken wordt hier rekening mee gehouden als beperking op de beschikbare bandbreedte. 4.2 Impact granulariteit 4.2.1 LTE-Advanced - FDD - 8x2 MIMO Het is de bedoeling om voor de verschillende niveaus van geografische informatie te kijken naar de impact op de kosten van een roll-out. Hiervoor doen we een roll-out van LTE-Advanced in de stad Gent en stellen een doelcoverage van 95% voorop. We beschikken over 2x5 MHz per sector in het FDD spectrum en kiezen een MIMO configuratie van 8x2 waarbij er Spatial Multiplexing gebruikt wordt. Door de lage bandbreedte zullen de data rates laag zijn en we compenseren dit door SM te gebruiken. Als draagfrequentie kiezen we 2.6 GHz. Al deze instellingen worden opgelijst in tabel 4.1. Als we deze instellingen gebruiken bekomen we de resultaten die te zien zijn in tabel 4.2a en in figuur 4.1. De grens van 95% wordt nooit gehaald en we zien dat dit te wijten is aan de grote inter-site afstand in het noorden van Gent. Aangezien deze grens niet gehaald wordt 1 http://www.auction2011.be
4.2 Impact granulariteit 43 Parameter Waarde Technologie LTE-Advanced Frequentie 2.6 GHz Duplexing FDD Bandbreedte 2x5 MHz Base Station Tx antennes 8 Rx antennes 8 Cyclic Combining Gain (Tx) 0 db Mobile Station Tx antennes 2 Rx antennes 2 Cyclic Combining Gain (Tx) 0 db Indoor Nee MIMO configuratie Spatial Multiplexing gain (Tx/Rx) 0 db Tabel 4.1: Parameters LTE-Advanced gaat de kracht van de modelleringstool verloren. De tool streeft immers naar deze grens en gaat daardoor sites innemen die maar een minieme coverage-winst opleveren. Daardoor is er veel overlap te zien in het centrum. Om de invloed van die grote inter-site afstand weg te werken verkleinen we het gebied dat moet gecoverd worden. Er worden een aantal sectoren weggelaten in het noorden van de stad. Als we dezelfde parameters gebruiken bekomen we de resultaten in tabel 4.2b en figuur 4.2a. Nu wordt de grens van 95% wel vlot gehaald en is er minder overlap. In het vervolg gebruiken we dit kleinere gebied wanneer we spreken over volledig Gent of Groot-Gent. Als we de resultaten in tabel 4.2b bekijken dan zien we dat er meer sites nodig zijn als er op sectorniveau gekeken wordt. Dat kunnen we verklaren als we kijken naar de figuren in 4.2. Voor de randgebieden zijn de ranges van de antennes in beide figuren gelijk maar in het centrum verkleinen deze ranges als er op sectorniveau wordt gekeken. Het dichtbevolkte centrum zorgt er voor dat de vraag hoog is en dat er dus van hoge modulatieschema s moet gebruik gemaakt worden om aan deze vraag te voldoen. De randgebieden zijn dunner bevolkt en daar zijn de lage modulatieschema s nog voldoende om aan de vraag te voldoen. Deze lage modulatieschema s zijn ook voldoende voor de algemene bevolkingsdichtheid van Gent aangezien we geen verschil zien tussen de ranges van de antennes in de randgebieden en de ranges van de antennes als de bevolkingsdichtheid van Gent bekeken wordt. Het is interessant om een vergelijking te maken met een theoretische berekening van het
4.2 Impact granulariteit 44 aantal sites. De bevolkingsdichtheid van Gent bedraagt 1562 inwoners per km² en het gebied dat bekeken wordt, is 133 km² groot. Zoals eerder gezegd bieden we een downlink snelheid van 5 Mbps en een uplink snelheid van 1 Mbps aan. Er wordt ook een overbooking van 5% in rekening gebracht. Met deze parameters komen we tot een theoretische berekening van 31 sites om het gebied voor 100% te coveren. Volgens de modelleringstool zijn er 50% meer sites nodig om 96.6 % te coveren. Dit verschil is te verklaren door de constraints die opgelegd zijn aan de berekening met de modelleringstool. De modelleringstool heeft als input locaties van sites en moet zich hier aan houden. Bij een theoretische berekening moet men hier geen rekening mee houden en kan men de sites op optimale locaties plaatsen, men houdt enkel rekening met de coverage per antenne en berekent dan hoeveel sites er nodig zijn om het gebied te coveren. 4.2.2 LTE-Advanced - TDD - 8x2 MIMO We bekijken ook een tweede scenario om de impact van de granulariteit te testen. We beschikken nu over 15 MHz per sector en maken gebruik van TDD. Als technologie kiezen we weer LTE-Advanced in de stad Gent maar we kiezen nu een MIMO configuratie van 8x2 waarbij er Transmit Diversity wordt gebruikt. Nu gebruiken we MIMO om het link budget te verhogen omdat de grotere bandbreedte er voor zorgt dat het link budget verlaagd wordt. De DL/UL ratio is 0,786. We kiezen deze zo ideaal mogelijk voor de aangeboden data rates maar worden beperkt door de mogelijkheden van de technologie. De parameters voor dit scenario staan in tabel 4.3. Als we dan kijken naar de resultaten in tabel 4.4 dan zien we een ander effect dan in het vorige scenario. De verklaring zien we in figuur 4.3. Terwijl de vorige configuratie toeliet om lage modulatieschema s te gebruiken om aan de vraag te voldoen is dit hier niet meer het geval. De aangeboden data rates zijn niet hoog genoeg om aan de vraag te voldoen en daardoor verkleinen de ranges van de antennes. Transmit Diversity heeft een grote impact als er een lage vraag is, zoals te zien is in figuur 4.3a waar de ranges van de antennes in de randgebieden veel groter zijn dan die in het centrum. We maken hier weer de vergelijking met een theoretische berekening. Nu komen we uit op 70 sites waarbij we dus 100% coverage bereiken. Dit ligt een heel stuk lager dan de 122 sites voor maar 87.4 % coverage maar dit is te verklaren door de grote overlap. Omdat de grens van 90% hier zelf niet gehaald wordt zullen er veel meer antennes dan nodig aangeschakeld worden om te proberen de coverage op te krikken. Maar zelfs als de 95% grens gehaald wordt zoals bij de sectoren dan zien we nog altijd een significant verschil met de theoretische berekening. 4.2.3 Vergelijking granulariteit en theoretische berekening We kunnen besluiten dat de precisie waarmee de bevolking kan voorgesteld worden een grote impact heeft op het resultaat. Het effect is niet gelijk voor de twee scenario s hierboven. In het FDD spectrum zien we een stijging van het aantal antennes bij een hogere precisie terwijl er in het TDD spectrum net een daling is. Bij een hoge spectrale efficiëntie, zoals
4.2 Impact granulariteit 45 Granulariteit Coverage (%) Sites Gent 91.58 72 Stadsdelen 92.48 72 Stadswijken 92.47 77 Sectoren 92.51 86 (a) Volledig Gent Granulariteit Coverage (%) Sites Gent 96.58 45 Stadsdelen 95.80 45 Stadswijken 95.08 50 Sectoren 95.20 54 (b) Deel van Gent Tabel 4.2: Granulariteit LTE-Advanced FDD Figuur 4.1: Coverage volledig Gent LTE-Advanced FDD
4.2 Impact granulariteit 46 (a) Sectorniveau (b) Niveau Gent Figuur 4.2: Coverage verschillende granulariteiten LTE-Advanced FDD Parameter Waarde Technologie LTE-Advanced Frequentie 2.6 GHz Duplexing TDD Bandbreedte 15 MHz Base Station Tx antennes 8 Rx antennes 8 Cyclic Combining Gain (Tx) 3 db Mobile Station Tx antennes 2 Rx antennes 2 Cyclic Combining Gain (Tx) 3 db Indoor Nee MIMO configuratie Transmit Diversity gain (Tx/Rx) 12 db Tabel 4.3: Parameters LTE-Advanced
4.2 Impact granulariteit 47 Granulariteit Coverage (%) Sites Gent 87.40 122 Stadsdelen 93.75 130 Stadswijken 96.09 111 Sectoren 95.12 113 Tabel 4.4: Granulariteit LTE-Advanced TDD (a) sectorniveau (b) niveau Gent Figuur 4.3: Coverage verschillende granulariteiten LTE-Advanced TDD
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 48 in het FDD spectrum, kunnen er lage modulatieschema s gebruikt worden om aan de vraag te voldoen en zal dus de maximale range bereikt kunnen worden. Op sectorniveau is de bevolkingsdichtheid in de stadsrand lager en in het centrum hoger dan op stadsniveau. Indien op stadsniveau al lage modulatieschema s voldoende zijn om aan de vraaag te voldoen dan zullen de ranges niet verhogen in de standsrand als op sectorniveau gekeken wordt. In het stadscentrum zullen de ranges verkleinen door de hogere vraag. Dit zorgt voor een stijging in het aanal sites als op sectorniveau wordt gekeken. Bij een lage spectrale efficiëntie moeten hoge modulatieschema s gebruikt worden om aan de vraag te voldoen en zullen de ranges lager liggen dan wat mogelijk is. In het stadscentrum zullen er meer antennes nodig zijn als op sectorniveau wordt gekeken. Maar in de stadsrand kunnen de ranges van de antennes verhogen door de lagere vraag. Daardoor kan het zijn dat het totaal aantal sites verlaagt, wat hier het geval is. Het is dus belangrijk om zo precies mogelijk te werken en dit wordt mogelijk gemaakt door de modelleringstool. Er is ook een groot verschil met een theoretische berekening. Voor de verdere cases zal er altijd gebruik gemaakt worden van de informatie over de bevolking op sectorniveau. 4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent MIMO kan, zoals eerder vermeld, gebruikt worden op verschillende manieren: SM, TD of beamforming. Het aantal antennes dat gebruikt wordt speelt ook een grote invloed. In deze case zullen we de impact van SM en TD onderzoeken en de invloed van de verschillende configuraties. We zullen dit doen voor LTE-Advanced en WiMAX. We kiezen een vaste configuratie voor de gebruiker van 2 Rx en 2 Tx antennes en variëren het aantal antennes die beschikbaar zijn op het Base Station. Het doelgebied is hier Groot-Gent. 4.3.1 LTE-Advanced De maximale configuratie voor het BS laat 8 antennes toe. Voor deze maximale configuratie bekijken we de invloed van TD en SM op FDD en TDD. De resultaten hiervoor staan in tabel 4.5. Zoals te zien is, hebben de twee MIMO configuraties een verschillende invloed op het FDD en TDD spectrum. In het FDD spectrum is duidelijk te zien dat SM een veel grotere invloed heeft dan TD. Dat is te verklaren door het feit dat SM gebruikt wordt om een hogere throughput per gebruiker te garanderen. De beschikbare bandbreedte van 5 MHz in de DL en UL laat geen hoge data rates toe en daardoor zullen er ook hoge modulatieschema s moeten gebruikt worden wat dan ten koste gaat van de ranges. Door SM te gebruiken wordt de data rate opgetrokken en kunnen er lagere modulatieschema s gebruikt worden. TD zorgt enkel voor een verhoging van de ranges maar aangezien de data rate laag ligt, zal dit weinig invloed hebben omdat er nog altijd hoge modulatieschema s moeten gebruikt worden. In het TDD spectrum is dan weer de invloed van TD veel groter. De hogere bandbreedte zorgt ervoor dat er hogere data rates
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 49 kunnen aangeboden worden maar dit zorgt voor een verlaging van het link budget. Door TD te gebruiken kan dit link budget verhoogd worden. In de volgende delen worden voor TDD en FDD de beste MIMO configuraties verder uitgewerkt. Voor FDD is dit Spatial Multiplexing en voor TDD is dit Transmit Diversity zoals te zien is in tabel 4.5. 4.3.1.1 FDD spectrum Het is duidelijk gebleken in het vorige deel dat SM een grotere invloed heeft dan TD. We zullen hier lagere configuraties bekijken die gebruik maken van SM. De resultaten voor 2x2 en 4x2 MIMO staan samen met de resultaten voor 8x2 MIMO in tabel 4.6. Zoals te verwachten neemt het aantal antennes af als er een hogere configuratie gebruikt wordt. Maar om een goede vergelijking te maken tussen de verschillende configuraties moet een kostenvergelijking gemaakt worden. De kosten worden berekend op 20 jaar met een discontovoet van 5%. In tabel 4.7 staan de prijzen opgelijst voor een roll-out van LTE-Advanced voor de beschouwde configuraties. Eerder was een kost van 3,000 per antenne voor LTE en LTE-Advanced verondersteld en dan zien we dat de MIMO configuratie 4x2 SM de goedkoopste is. Er is wel weinig verschil met de MIMO configuratie 8x2 SM, deze wordt zelf goedkoper dan 4x2 SM indien de antennes goedkoper zijn. 4.3.1.2 TDD spectrum Voor het TDD spectrum was het duidelijk dat Transmit Diversity een positievere invloed had dan Spatial Multiplexing. In tabel 4.8 staan de resultaten opgelijst voor verschillende configuraties. Het aantal antennes schommelt voor alle configuraties rond 115 en door deze kleine verschillen is het normaal dat de laagste configuraties de goedkoopste zal zijn zoals te zien is in tabel 4.9. Terwijl in het vorige deel een andere configuratie de voorkeur kreeg als er een verschil was in de prijs van de antennes is dit hier niet meer het geval. Bandbreedte MIMO Coverage (%) Antennes FDD 2x5 MHz 8x2 TD 82.05 199 FDD 2x5 MHz 8x2 SM 95.20 54 TDD 15 MHz 8x2 TD 95.12 113 TDD 15 MHz 8x2 SM 91.57 109 Tabel 4.5: LTE-Advanced MIMO FDD en TDD
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 50 Bandbreedte MIMO Coverage (%) Sites FDD 2x5 MHz 2x2 SM 94.79 140 FDD 2x5 MHz 4x2 SM 96.70 75 FDD 2x5 MHz 8x2 SM 95.20 54 Tabel 4.6: LTE-Advanced FDD SM MIMO MIMO Sites Antenne 3,000 Antenne 2,000 Antenne 1,000 2x2 SM 140 14,225,695 12,908,955 11,592,215 4x2 SM 75 10,572,811 9,162,019 7,751,226 8x2 SM 54 11,163,737 9,132,195 7,100,653 Tabel 4.7: Kost roll-out LTE-Advanced FDD SM Bandbreedte MIMO Coverage (%) Sites TDD 15 MHz 2x2 TD 95.01 118 TDD 15 MHz 4x2 TD 95.38 117 TDD 15 MHz 8x2 TD 95.12 113 Tabel 4.8: LTE-Advanced TDD TD MIMO MIMO Sites Antenne 3,000 Antenne 2,000 Antenne 1,000 2x2 TD 118 13,173,086 12,063,262 10,953,438 4x2 TD 117 16,385,586 14,184,749 11,983,912 8x2 TD 113 22,294,486 18,043,297 13,792,108 Tabel 4.9: Kost roll-out LTE-Advanced TDD TD
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 51 4.3.1.3 Vergelijking resultaten LTE-Advanced In figuur 4.4 zijn een aantal resultaten grafisch voorgesteld. De bovenste twee figuren stellen de impact van Spatial Multiplexing voor en de onderste twee de impact van Transmit Diversity. Het is duidelijk te zien dat Spatial Multiplexing een grote invloed heeft op dichtbevolkte gebieden. De ranges van de antennes zijn veel groter in het geval van 8x2 MIMO in het centrum van de stad, terwijl de ranges in de rand bijna niet vergroten. Bij Transmit Diversity zien we dat de ranges net in de randgebieden vergroten, terwijl de ranges in het centrum gelijk blijven. Er zijn minder antennes nodig in het FDD spectrum waar er gebruik gemaakt wordt van een 4x2 MIMO-configuratie met SM. Als de keuze kan gemaakt worden tussen het FDD spectrum en het TDD spectrum is het FDD spectrum interessanter. Het kleinere FDD spectrum zorgt ervoor dat er hogere ranges kunnen bekomen worden maar de data rate liggen lager dan bij TDD. Door dit te combineren met de kracht van SM om de data rate te verhogen blijkt dit een ideale combinatie. In figuur 4.5 is een opdeling van de kosten uitgezet voor de twee beste resultaten in het FDD en TDD spectrum. In deze figuur worden de licentiekosten aangepast naar 50% en 200% van de originele prijs van een licentie. Als er een prijsverschil optreedt voor het FDD en TDD spectrum is het mogelijk dat het ene spectrum interessanter wordt dan het andere door de impact van de licentiekost. Hier gebeurt dit wel pas als de prijs per MHz in het FDD spectrum meer dan vier maal zo hoog ligt als de prijs per MHz in het TDD spectrum. We zullen ook de verdeling van de kosten verder onderzoeken. De zes configuraties waarvoor in de delen hierboven een berekening van de kosten is gedaan, zijn uitgezet in figuur 4.6. Deze kosten stellen de PV voor waarbij de onderhoudskosten en de huur op 10 jaar zijn berekend. De licentie is 20 jaar geldig. We vinden hier de drie configuraties waar SM is gebruikt voor het FDD spectrum en de drie configuraties met TD voor het TDD spectrum. Wat eerst en vooral opvalt is het verschil in de kost voor de licentie. Het FDD spectrum is 30 MHz groot terwijl het TDD spectrum een grootte heeft van 45 MHz. Er is ook duidelijk te zien dat bij het FDD spectrum MIMO een positief effect heeft. Een hogere MIMO configuratie zorgt voor een verlaging van het aantal sites. Dit is te zien aan de kosten voor de uitrusting en het onderhoud van het BS. De kosten voor de plaatsing en het onderhoud van de antennes daarentegen blijft ongeveer gelijk daarentegen. Deze verhouding is ideaal bij een 4x2 MIMO configuratie waarbij SM wordt gebruikt. Bij het TDD spectrum heeft het gebruik van een hogere MIMO configuratie weinig effect. Aan de kosten voor het BS is te zien dat het aantal sites ongeveer gelijk blijft terwijl de kosten voor de antennes sterk stijgt. Dit resulteert in een hogere totaalkost. Een hogere MIMO-configuratie heeft dus niet altijd een positief effect. Er moet altijd een afweging gemaakt worden tussen de verschillende kosten die in rekening worden gebracht. In figuur 4.7 staat een opdeling van de kosten voor een 4x2 en een 8x2 MIMO- configuratie waarbij er SM is gebruikt. En dit voor verschillende kostprijzen voor de antennes. Zoals
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 52 besproken in subsectie 4.3.1.1 zorgt een hogere MIMO-configuratie in een daling van het aantal sites. Maar een hogere configuratie zorgt voor een verhoging van de kosten voor de antennes. Als we kijken naar figuur 4.7 is dit effect duidelijk te zien. Maar afhankelijk van de kostprijs van een antenne kan een andere configuratie interessanter worden. Bij een kostprijs van 3,000 is een 4x2 configuratie nog interessanter dan een 8x2 configuratie. Maar indien de prijs van een antenne zou zakken tot onder 2,000 dan wordt het interessanter om een hogere configuratie te gebruiken wat leidt tot minder sites. Dit toont het belang aan van een goede inschatting van alle kosten. Dit kan immers meespelen in de uiteindelijke beslissing. 4.3.2 WiMAX Ook bij WiMAX kan er gebruik gemaakt worden van MIMO configuraties waarbij er 8 antennes aanwezig zijn op het BS. We zullen hier ook voor deze maximale configuratie de invloed van TD en SM onderzoeken. Dit doen we zowel bij TDD, waar er 15 MHz bandbreedte per sector beschikbaar is, als bij FDD, waar er 2x5 MHz bandbreedte per sector beschikbaar is. WiMAX kan ook gebruik maken van TDD met een bandbreedte van 15 MHz door gebruik te maken van Carrier Aggregation en een band van 5 MHz te combineren met een van 10 MHz. De resultaten voor de maximale configuraties zijn te vinden in tabel 4.10. De invloed van de MIMO configuraties is exact dezelfde als in het scenario voor LTE- Advanced. Spatial Multiplexing heeft een positievere invloed op het FDD spectrum dan Transmit Diversity en het omgekeerde geldt voor het TDD spectrum. We zullen dan ook enkel de scenario s verder uitwerken waarbij de 95% grens wordt gehaald. 4.3.2.1 FDD spectrum Net zoals in het scenario voor LTE-Advanced bekijken we hier ook de impact van verschillende MIMO configuraties. Zoals te verwachten, zijn er minder antennes nodig als er een hogere configuratie wordt gebruikt, zoals te zien is in tabel 4.11. Belangrijker dan het aantal antennes is natuurlijk de kostprijs, deze staat opgelijst in tabel 4.12 voor verschillende prijzen voor de antennes. Zoals eerder gezegd, kiezen we een kostprijs van 2,000 per antenne voor WiMAX. Maar we zetten ook eens een aantal prijzen naast elkaar om te kijken of een andere situatie interessanter wordt. We zien dat een 8x2 configuratie de meest interessante is bij een prijs van Bandbreedte MIMO Coverage (%) Sites FDD 2x5 MHz 8x2 TD 82.27 201 FDD 2x5 MHz 8x2 SM 95.53 72 TDD 15 MHz 8x2 TD 95.13 113 TDD 15 MHz 8x2 SM 91.03 120 Tabel 4.10: WiMAX MIMO FDD en TDD
4.3 Impact MIMO configuratie Base Station Groot-Gent 53 (a) 2x2 MIMO SM (b) 8x2 MIMO SM (c) 2x2 MIMO TD (d) 8x2 MIMO TD Figuur 4.4: Vergelijking ranges antennes