Faculteit Ingenieurswetenschappen Intec IBCN Vakgroep voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE

Faculteit Ingenieurswetenschappen Intec IBCN Vakgroep voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE Haalbaarheidsstudie voor de introductie van WiMAX in België BRUNO QUINART Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. PICKAVET Dr. Ir. D. COLLE Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. M. CASTELEYN Ir. B. LANNOO Ir. S. VERBRUGGE J. VAN OOTEGHEM Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar 2005 2006

Faculteit Ingenieurswetenschappen Intec IBCN Vakgroep voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. LAGASSE Haalbaarheidsstudie voor de introductie van WiMAX in België BRUNO QUINART Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. PICKAVET Dr. Ir. D. COLLE Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. M. CASTELEYN Ir. B. LANNOO Ir. S. VERBRUGGE J. VAN OOTEGHEM Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Academiejaar 2005 2006

Dankwoord Graag zou ik mijn dank willen betuigen aan Marc Casteleyn om mij de kans te geven mijn scriptie te maken in samenwerking met Belgacom en om tijd vrij te maken om mij uitgebreid te begeleiden. Ook bedank ik mijn promotoren, Prof. Mario Pickavet en Didier Colle, om een techno-economische thesis mogelijk te maken en voor het aanbrengen van Belgacom. Mijn dank gaat ook naar Bart Lannoo, Sofie Verbrugge en Jan Van Ooteghem die mij zeer bekwaam en constructief hebben begeleid. Het was een fijne ervaring om met de IBCN onderzoeksgroep samen te werken. Verder zou ik ook Danny Helsen van Proximus en Marnix Galle van Belgacom willen bedanken voor hun hulp bij het uitwerken van het technische model. Belgacom bedank ik voor de steun die het, via Marc Casteleyn en Marnix Galle, geboden heeft bij het tot stand komen van deze scriptie. Tot slot wil ik ook mijn ouders bedanken voor de kansen die ze mij bieden en mijn familie en vrienden voor de steun. Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie 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 scriptie.

Overzicht Titel: Haalbaarheidsstudie voor de introductie van WiMAX in België Auteur: Bruno Quinart Academiejaar: 2005 2006 Promotoren: Prof. Dr. Ir. M. Pickavet, Dr. Ir. D. Colle Scriptiebegeleiders: Dr. Ir. M. Casteleyn, Ir. B. Lannoo, Ir. S. Verbrugge, J. Van Ooteghem Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep: Informatietechnologie Onderzoeksgroep: INTEC Broadband Communication Networks Vakgroep voorzitter: Prof. Dr. Ir. P. Lagasse Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk ingenieur in de computerwetenschappen Samenvatting: In deze scriptie wordt de haalbaarheid van de WiMAX technologie op de Belgische markt onderzocht. In hoofdstuk 2 wordt de huidige telecom markt in België geschetst en de verschillende actuele breedband oplossingen beschreven. De WiMAX technologie kan men het best situeren tussen UMTS en WLAN. Het biedt een vrij grote dekking en vrij hoge bitrates. Het is net als WLAN IP georiënteerd en is ontwikkeld door het IEEE, met name als de IEEE 802.16 standaard. In hoofdstuk 3 wordt WiMAX vergeleken met de geldende standaarden, terwijl in hoofdstuk 4 dieper ingegaan wordt op de technologische specificaties. In het kader van deze scriptie werd een technisch model ontwikkeld om het aantal sites te berekenen die men voor een WiMAX rollout nodig heeft. Dit model wordt besproken in hoofdstuk 5. In hoofdstuk 6 worden een aantal scenario s voor de introductie van WiMAX in België uitgewerkt. Het besluit is dat mobiel internet via WiMAX in België haalbaar is indien het als aanvulling op bestaande breedband oplossingen wordt aangeboden. Trefwoorden: WiMAX, IEEE 802.16, mobiel internet, draadloos breedband, SOFDMA, haalbaarheidsstudie.

Feasibility study for the introduction of WiMAX in Belgium Bruno Quinart Supervisors: Prof. Dr. Ir. M. Pickavet en Dr. Ir. D. Colle Abstract: This article discusses the future of WiMAX as a possible wireless technology in Belgium. Keywords: WiMAX, IEEE 802.16, mobile internet 1. INTRODUCTION WiMAX is a new wireless technology that has gained a lot of attention in recent years from the telecom industry. The technology was initially developed as a fixed wireless technology. This Fixed WiMAX has the potential to bring broadband internet access to the millions of people worldwide who are not connected to a wired network infrastructure. However, due to the high penetration of copper and coax and their potential higher bitrates, Fixed WiMAX does not look attractive for the Belgium market. With the new IEEE 802.16e-2005 revision a new important feature is introduced: mobility. Mobile WiMAX networks could have their place between UMTS and WLAN on the Belgian market. To further investigate this potential a feasibility study has been worked out with different scenarios. 2. TECHNICAL CHARACTERISTICS The physical layer modulation of Mobile WiMAX is based on Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access (SOFDMA). The channel bandwidth is divided into smaller subcarriers which are orthogonal with each other. Subsets of these subcarriers can be assigned to individual users. This physical layer is well adapted to the NLOS propagation environment in the 2-11 GHz frequency range and it is fundamentally different from the CDMA modulation used in the UMTS technologies. Another feature which improves performance, is the adaptive modulation, which is applied to each subscriber individually according to the radio channel capability. WiMAX provides flexibility in terms of channel bandwith and carrier frequency. In Europe the 3,5 GHz licensed band will be the most used band. Mobile WiMAX uses TDD as duplex mode. An important feature of the WiMAX system is the use of advanced antenna techniques such as beam forming using smart antennas and the build in support of MIMO techniques. 3. TECHNICAL MODEL In order to work out a business case around the rollout of a WiMAX network one has to be able to asses the number of base stations that will be needed in a specific scenario. This is possible with the technical model which has been developed. It takes into account the major technical characteristics of Mobile WiMAX, such as the adaptive modulation and the use of advanced antenna techniques. 4. FEASIBILITY STUDY In collaboration with Belgacom, Belgium s incumbent telecom operator, a business case has been worked out. The study starts with quantifying the possible revenues for the different product scenarios for Belgacom. Then, with the outcome of the technical model, the CAPEX and OPEX are calculated. Based on the generated free cash flows it is possible to evaluate the different scenario on their economical attractiveness. These analyses show that scenarios where the fixed connection is completely replaced by a WiMAX connection are not interesting. Cases where WiMAX is used to provide mobile internet have an economical sense. The most interesting case is where mobile internet is being sold both as an addon package on the existing broadband product and as a prepaid formula. A deployment limited to urban area s in a first phase is shown to be the best.

Inhoudsopgave HOOFDSTUK 1: INTRODUCTIE...1 1.1 Inleiding en achtergrond...1 1.2 Structuur van de scriptie...2 HOOFDSTUK 2: BREEDBAND NETWERKEN...3 2.1 Architectuur van breedband netwerken...3 2.1.1 Toegangsnetwerken...3 2.1.2 Kernnetwerken...4 2.2 Technologieën voor het breedband toegangsnetwerk...4 2.2.1 DSL...4 2.2.2 DOCSIS...6 2.2.3 Fiber...6 2.2.4 UMTS...7 2.2.5 IEEE 802.11...7 2.3 Breedband markt in België...8 2.3.1 Bekabelde toegang...8 2.3.2 Mobiele toegang...9 2.3.3 Huidige ontwikkelingen...10 HOOFDSTUK 3: DE WIMAX STANDAARDEN...12 3.1 Ontstaan en evolutie...12 3.2 Het WiMAX forum...13 3.3 Fixed WiMAX en Mobile WiMAX...13 3.4 Verhouding tot andere technologieën...14 3.4.1 IEEE 802.11...14 3.4.2 UMTS en HSDPA...16 3.4.3 DSL en DOCSIS...16 3.5 Mogelijke applicaties...17 HOOFDSTUK 4: TECHNISCHE SPECIFICATIES VAN WIMAX...19 4.1 Frequentie en bandbreedte...19 4.2 De OFDM modulatie...20 4.3 Allocatie van de OFDM subdragers...21 4.4 Modulatie van de subdragers...23 4.5 Guard interval...25 4.6 Duplex techniek...26 4.7 Geavanceerde antenne systemen...28 4.8 Architectuur van een Mobile WiMAX netwerk...29 4.9 CPE roadmap...30

HOOFDSTUK 5: TECHNISCH MODEL...32 5.1 Doel...32 5.2 Het link budget...33 5.2.1 Het basisstation...34 5.2.2 De ontvanger...34 5.2.3 De kanaa bandbreedte en uplink subchanneling gain...35 5.2.4 Het type bebouwing...36 5.2.5 De indoorpenetratie...36 5.2.6 De fade margin...36 5.2.7 De modulatieschema s...37 5.2.8 Het linkbudget berekenen...37 5.3 Het propagatiemodel...38 5.4 De oppervlakte van een cel...40 5.5 De bitrate per sector...41 5.6 Benodigd aantal sites en sectoren...42 HOOFDSTUK 6: DE BUSINESS CASE...44 6.1 Inleiding...44 6.2 De verschillende scenario s...44 6.3 Geografische afbakening...46 6.4 Inschatten van de inkomsten...47 6.4.1 Het nomadicity pack product...47 6.4.2 Het prepaid product...48 6.4.3 Het 2nd residence product...49 6.4.4 Het stand-alone wireless broadband product...50 6.4.5 Totale inkomsten voor het all services, nationwide scenario...51 6.4.6 De overgang van nationwide naar urban en extended urban...51 6.4.7 Het nomadicity pack scenario...53 6.4.8 Het stand-alone wireless broadband scenario...54 6.5 Berekenen van de bijhorende CAPEX...55 6.6 De OPEX...56 6.7 Evaluatie van de scenario s...58 HOOFDSTUK 7: CONCLUSIES...60 APPENDIX A: GRAFISCHE INTERFACE VAN HET TECHNISCHE MODEL...63 APPENDIX B: DE BUSINESS CASE...64 APPENDIX C: CD-ROM...74 REFERENTIES...75

Afkortingen 3G 3GPP AAS ADSL ARPU BIPT BNIX BPSK CAPEX CATV CDMA CPE DAB DOCSIS DSL DVB-T FDD FFT FTE FTTH GSM HDTV HSDPA IEEE ITU ITU-T Third Generation 3G Partnership Project Adaptive Antenna System of Advanced Antenna System Asymmetric Digital Subscriber Line Average Revenue Per User Belgisch Instituut voor Post en Telecommunicatie Belgium National Internet exchange Binary Phase-Shift Keying Capital Expenditure Community Antenna Television Code Division Multiple Access Customer-Premises Equipment Digital Audio Broadcasting Data Over Cable Service Interface Specification Digital Subscriber Line Digital Video Broadcasting - Terrestrial Frequency Division Duplex Fast Fourier Transform Full-Time Equivalent Fiber to the Home Global System for Mobile Communications High-definition Television High Speed Downlink Data Packet Access Institute of Electrical and Electronics Engineers International Telecommunication Union International Telecommunication Union Telecommunication

IFFT IP IRR LAN LOS MAC MAN MIMO MoU NLOS NPV OFDM OFDMA OPEX QAM QoS QPSK SNR Inverse Fast Fourier Transform Internet Protocol Internal Rate of Return Local Area Network Line of Sight Media Access Control Metropolitan Area Network Multiple Input Multiple Output (Antenna) Minutes of Usage Non Line of Sight Net Present Value Orthogonal Frequency Division Multiplex Orthogonal Frequency Division Multiple Access Operational Expenditure Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Signal to Noise Ratio SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access TDD UMTS VDSL VoIP Time Division Duplex Universal Mobile Telecommunications System Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line Voice over Internet Protocol WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Wi-Fi WiBro WiMAX WLAN Wireless Fidelity Wireless Broadband (Service) Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network

Hoofdstuk 1: Introductie 1.1 Inleiding en achtergrond Het internet kende het laatste decennium een sterke groei. Zo is in zes jaar tijd het aantal breedband verbindingen in België gestegen van 54.000 naar 1.500.000. Tegelijk heeft de mobiele telefonie de vaste telefonie ver achter zich gelaten. Figuur 1-1 Evolutie van productpenetraties Maar misschien wel het meest spectaculair was de groei van WLAN. Vandaag is elke draagbare computer uitgerust met deze technologie en is het draadloos surfen binnenshuis bij velen een gewoonte geworden. Deze evoluties zijn mogelijk gemaakt door standaarden als ADSL, DOCSIS, GSM en IEEE 802.11. De sterke groei heeft er voor gezorgd dat er veel is geïnvesteerd in de ontwikkeling van nieuwe technologieën: zowel voor breedband verbindingen (VDSL, FTTH, ) als voor de mobiele wereld (UMTS, 802.11n, ). Deze breken echter maar traag door of zijn niet altijd een commercieel succes. 1

Zo een opkomende technologie is WiMAX. Deze standaard maakt het mogelijk hoge bandbreedtes te versturen over een draadloze link met middelgroot bereik. Het is daardoor zowel bruikbaar voor de breedband verbindingen als alternatief voor de last mile als voor mobiele toepassingen als complement op 3G en WLAN. 1.2 Structuur van de scriptie Ik begin deze scriptie met de huidige toestand van de breedband internet markt te beschrijven. In hoofdstuk 3 wordt de WiMAX standaard geïntroduceerd en de verhouding tot andere technologieën bestudeerd, waarop in hoofdstuk 4 dieper ingegaan wordt op de technische specificaties. Hoofdstuk 5 behandelt het technische model dat in het kader van deze scriptie ontwikkeld is. Dit model maakt het mogelijk het aantal sites in te schatten die men voor een WiMAX rollout nodig heeft. Het technische model wordt gebruikt in hoofdstuk 6, waar de business case besproken wordt waarin ik een aantal scenario s voor de introductie van WiMAX op de Belgische markt heb uitgewerkt. In het laatste hoofdstuk worden de conclusies geformuleerd. 2

Hoofdstuk 2: Breedband netwerken 2.1 Architectuur van breedband netwerken Een breedband netwerk bestaat typisch uit 2 grote delen: het toegangsnetwerk en het kernnetwerk. Het toegangsnetwerk verbindt de eindgebruikers met het netwerk, terwijl het kernnetwerk de ruggengraat vormt en onder meer de toegang tot andere netwerken verzorgt. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2-1. Figuur 2-1 Architectuur van een breedbandnetwerk 2.1.1 Toegangsnetwerken Toegangsnetwerken worden ook wel the last mile genoemd en verbinden de eindgebruiker met het kernnetwerk. Transmissiemedia die hiervoor typisch gebruikt worden zijn twisted pair en coax. Upgraden van dit deel van het netwerk is een bijzonder dure opgave doordat zowat alle huizen aangedaan moeten worden. Een ander medium is echter de open lucht zoals bij GSM of WiMAX. Het medium voor 3

toegangsnetwerken die momenteel de grootste bitrates mogelijk maakt is glasvezel, door de hoge kost om nieuwe kabels te trekken is de penetratie van dit medium momenteel echter zeer klein. 2.1.2 Kernnetwerken De toegangsnetwerken worden met elkaar en met de rest van het internet verbonden door het kernnetwerk. Deze verbindingen zijn vandaag bijna allemaal in glasvezel. Uitwisseling van data tussen de verschillende netwerken in België is mogelijk via het Belgian National Internet exchange (BNIX). Deze netwerken zijn ook verbonden met de rest van de wereld via zogenaamde Tier 1 netwerken. In België zijn deze netwerken goed uitgebouwd. De tendens is om de glasvezel zo dicht mogelijk tot de eindgebruikers te brengen, tot op enkele kilometers. 2.2 Technologieën voor het breedband toegangsnetwerk De belangrijkste technologieën voor het toegangsnetwerk worden hieronder geïntroduceerd en besproken. 2.2.1 DSL Digital Subscriber Line (DSL) is een technologie die gebruik maakt van de bestaande telefonie infrastructuur. Elke gebruiker beschikt hierbij over zijn eigen koper draad, de twisted pair, anderzijds is het frequentie bereik beperkt, is de attenuatie groot en treed er crosstalk op. DSL is de meest gebruikte technologie in Europa en is ook populair in de rest van de wereld. De oudere ADSL technologie maakt bandbreedtes mogelijk tot 8 Mbps downstream en 768 kbps upstream. De bestaande infrastructuur 4

moest hiervoor maar in beperkte mate aangepast worden, wel is het zo dat de draagwijdte van deze technologie beperkt is, drie tot zes kilometer. Figuur 2-2 - Performantie van de DSL technologieën Figuur 2-2 vergelijkt de opvolgers: ADSL2+, VDSL en VDSL2. Met deze laatste is theoretisch een symmetrische bandbreedte van 100 Mbps mogelijk op 300m, een realistisch scenario is 25 Mbps downstream op een afstand van 1,2km. Hiervoor is het dus nodig het glasvezel netwerk steeds dichter bij de eindgebruiker te brengen. 5

Figuur 2-3 Architectuur van een DSL (links) en DOCSIS (rechts) netwerk 2.2.2 DOCSIS Voor breedband internet via het CATV-net wordt gebruik gemaakt van DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification). Een coax heeft een veel groter frequentie bereik dan een twisted pair. Hetzelfde medium wordt echter door allen gedeeld, hierdoor was het nodig het netwerk in kleinere stukken te verdelen (duizend huizen op één gedeelde coax) en elk stuk met nieuwe glasvezel te verbinden, bovendien moest het volledige netwerk klaargemaakt worden voor verkeer in de twee richtingen. DOCSIS is een in Amerika ontwikkelde standaard die wereldwijd wordt gebruikt, mits kleine aanpassingen. De Europese variant (EuroDOCSIS) maakt gebruikt van downstream kanalen van 8 MHz en een kanaal wordt gebruikt voor TV of data. Eén kanaal kan een downstream bitrate tot 51 Mbps verschaffen. 2.2.3 Fiber Fiber to the home (FTTH) waarbij glasvezel getrokken wordt tot bij de eindgebruiker is de meest performante technologie en volgens velen het lange termijn doel. Door de 6

hoge kost voor het uitrollen van een volledig glasvezel netwerk is deze technologie behalve in Japan en Zuid-Korea (door de overheid gesubsidieerd) nog nergens doorgebroken. Er zijn verschillende standaarden ontwikkeld die hogere snelheden aanbieden dan wat andere technologieën (zie tabel 2-1). Naam Architectuur Downstream snelheden APON, BPON ITU-T G983.x Point-to-multipoint 155 Mbps tot 1,24 Gbps GPON ITU-T G984.x Point-to-multipoint 1,2 Gbps tot 2,4 Gbps EPON IEEE 802.3ah Point-to-multipoint 1,2 Gbps Ethernet Point to point IEEE 802.3ah eitu-t G.985 Point-to-point 100 Mbps tot 1 Gbps Tabel 2-1 - Enkele klassieke standaarden voor fiber netwerken 2.2.4 UMTS De belangrijkste nieuwe technologie in de GSM wereld is vandaag UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). De meeste operatoren in Europa zijn reeds enkele jaren ver in het uitbouwen van hun UMTS netwerk. De snelheden die bekomen worden, rondom de 384 kbps, zijn echter niet te vergelijken met wat men gewoon is van breedband internet, van 3 Mbps tot 10 Mbps. Bovendien is het huidige aanbod duur waardoor het geen groot succes is. Momenteel wordt de introductie van High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) voorbereid, welke snelheden tot enkele Mbps voor de eindgebruiker moet mogelijk maken. De capaciteit per basisstation is echter beperkt. 2.2.5 IEEE 802.11 Een technologie die de laatste jaren volledig is doorgebroken is IEEE 802.11 of wireless lan (WLAN). Vandaag is zowat elke laptop standaard uitgerust met WLAN en is de apparatuur voor het opzetten van een draadloos netwerk bij je thuis gemeengoed en goedkoop geworden. 7

Momenteel wordt de vierde variant van de standaard, IEEE 802.11n, afgewerkt die een gelijkwaardige ervaring moet toelaten als de klassieke 100Mbps netwerken. Deze technologie wordt ook gebruikt voor zogenaamde hotspots waarbij in publieke ruimtes zoals restaurants of stadspleinen al dan niet gratis draadloos breedband wordt aangeboden. Het bereik is echter beperkt. 2.3 Breedband markt in België 2.3.1 Bekabelde toegang De laatste jaren heeft er een zekere consolidatie plaats gehad in de Belgische breedband markt. Belgacom, de oud-monopolist voor telefonie, is marktleider in België en maakt gebruik van DSL. Telenet, die gebruik maakt van DOCSIS, is tweede. Het is enkel actief in Vlaanderen waar het marktleider is. Figuur 2-4 toont dat er daarnaast nog slechts enkele kleinere spelers, zoals Scarlet en Tele2, overblijven. Meer en meer bouwen deze spelers hun eigen kernnetwerk met onder meer DSL technologie uit om zo minder afhankelijk te worden van Belgacom, die wel eigenaar is van de zogenaamde last mile. Het BIPT, de telecom regulator, moet er voor zorgen dat de andere spelers tegen een eerlijke prijs gebruik kunnen maken van deze last mile. In Wallonië en Brussel is breedband via het CATV-net in handen van verschillende kleine, regionale spelers. De verwachting is dat hier ook een consolidatie optreedt. 8

Telenet (DOCSIS) 31% Belgacom (DSL) 51% c Andere 2% Andere kabel (DOCSIS) 7% Tele2 (DSL) 5% Scarlet (DSL) 4% Figuur 2-4 Marktaandelen breedband in België eind 2004 (Bron: ING telecom review Q4 2004) 2.3.2 Mobiele toegang Figuur 2-5 toont de verhoudingen in de mobiele markt. Belgacom is met Proximus marktleider en wordt gevolgd door Mobistar en Base. Mobistar 30% Proximus 50% Base 20% Figuur 2-5 Marktaandelen mobiele operatoren in België eind 2004 (Bron: analyse jaarverslagen) 9

Proximus en Mobistar bieden momenteel UMTS diensten aan. De dekking is daarbij beperkt tot de grotere steden. Alle drie de operatoren hebben aangekondigd dat ze eind 2006 zullen klaar zijn om HSDPA in gebruik te nemen. Product Prijs Duur Belgacom - Hotspot Extra Time Limited Enkel voor Belgacom DSL klanten 15 5h Belgacom - Hotspot Time Pack 10 / Enkel voor Belgacom DSL klanten maand 10h Belgacom - Voucher 7,50 1h surfen Telenet - Voucher 9,99 1h surfen Telenet Abonnement 9,95 Enkel voor Telenet internet klanten /maand ongelimiteerd Tabel 2-2 WLAN formules aangeboden door Belgische operatoren (Bron: website van operator) Een andere manier om mobiel breedband internet aan te bieden is via WLAN. Zowel Telenet als Belgacom hebben de laatste jaren een netwerk van hotspots uitgebouwd. Zo beschikt Telenet vandaag over ongeveer 1200 hotspots en Belgacom over 650 hotspots in publieke ruimtes als tankstations en hotels. De totale dekking blijft echter beperkt. In tabel 2-2 wordt het aanbod vergeleken. Deze WLAN diensten worden zowel als aanvulling verkocht op het bestaande breedband internet abonnement als als alleenstaand product. Zo kan men bijvoorbeeld bij Telenet voor 9,95 extra per maand bovenop het normale breedband abonnement onbeperkt surfen via alle Telenet hotspots. 2.3.3 Huidige ontwikkelingen Belangrijkste tendens is het opkomen van triple play of zelf quadruple play, waarbij telefonie (eventueel ook mobiele telefonie), breedband internet en televisie door hetzelfde bedrijf in een pakket aangeboden worden. Zo heeft Telenet een akkoord met Mobistar om zijn eigen mobiele diensten te verkopen waardoor het de vier hoger vermelde diensten kan gaan aanbieden. Anderzijds is Belgacom in 2005 10

begonnen met zijn eigen televisie diensten. Scarlet en Tele2 bieden pakketten aan waarbij telefonie en internet gecombineerd wordt en de eindgebruiker geen contact meer heeft met Belgacom. In de andere richting bouwt Mobistar dan weer zijn eigen DSL infrastructuur uit voor breedband internet en telefonie (via VoIP). Voor het aanbieden van triple play is een aanzienlijke bandbreedte nodig, tot 25 Mbps indien men tot 2 HDTV kanalen wil doorsturen. Telenet heeft in het verleden reeds veel geïnvesteerd om dit mogelijk te maken en ook Belgacom investeert in een uitgebreid glasvezel netwerk om samen met VDSL2 over de nodige capaciteit te beschikken. Figuur 2-6 - Vereiste bitrates voor triple play 11

Hoofdstuk 3: De WiMAX standaarden 3.1 Ontstaan en evolutie In 1999 werd binnen het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) de werkgroep 802.16 opgericht met als doel de ontwikkeling van een nieuwe standaard voor breedbandige draadloze netwerken met middelgroot bereik. Deze netwerken worden ook wel Metropolitan Area Networks (MAN) genoemd vandaar dat de werkgroep ook bekend staat als WirelessMAN. In de oorspronkelijke IEEE 802.16 standaard uit 2001 werden line of sight (LOS) technieken ontwikkeld voor de 10 GHz tot 66 GHz band. Deze zijn echter nooit op grote schaal toegepast. Pas later werd een non line of sight standaard ontwikkeld voor de frequenties onder de 11 GHz, met name in de IEEE 802.16a revisie. Standaard Vrijgegeven op Beschrijving IEEE 802.16-2001 8 april 2002 Voor 10-66 GHz. Vervangen door IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16a-2003 1 april 2003 Voor onder de 11 GHz. Vervangen door IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16-2004 1 oktober 2004 Combineert vorige twee en voegt OFDM modulatie toe IEEE 802.16e-2005 28 februari 2006 Aanpassingen aan SOFDMA en voorzieningen voor betere mobiliteit Tabel 3-1 - Overzicht van de belangrijkste IEEE 802.16 standaarden In 2004 werden beide vervangen door de IEEE 802.16-2004 standaard (referentie 5) en werd een verbeterde techniek toegevoegd voor de frequenties onder de 11 GHz. Deze nieuwe techniek is ook bekend onder de namen IEEE 802.16d of Fixed WiMAX. Ten slotte werd eind 2005 de IEEE 802.16e-2005 revisie (referentie 6) goedgekeurd, die meer mobiliteit toelaat en ook bekend staat als Mobile WiMAX. Het zijn deze laatste twee versies die momenteel op het punt staan door te breken. 12

3.2 Het WiMAX forum In 2001 werd het WiMAX Forum opgericht, waarbij WiMAX staat voor Worldwide Interoperability for Microwave Access. Deze non-profit organisatie heeft tot doel de ontplooiing van de IEEE 802.16 standaarden wereldwijd te promoten. Airspan Networks Fujitsu Samsung Alvarion Intel Corporation Sprint Nextel Aperto Networks KT Corp. Wi-LAN AT&T Motorola ZTE Corporation British Telecom Tabel 3-2 - WiMAX forum logo en board members De oprichters en leden van het forum zijn voornamelijk de hardware specialisten die ook aan de IEEE 802.16 werkgroep deelnemen, maar ook telecom operatoren, Customer-Premises Equipment (CPE) fabrikanten en andere betrokken partijen. Omdat de brede IEEE 802.16 standaard te veel verschillende technieken en parameters bevat, stelt het WiMAX Forum specifieke profielen op voor de hardware. Deze profielen mandateren een specifieke fysische laag, een bepaalde frequentie, een beperkt aantal kanaalbandbreedtes, enz Op die manier kan een goede compatibiliteit gegarandeerd worden tussen de producten van de verschillende constructeurs. Het WiMAX Forum organiseert ook zelf het testen en certifiëren (zie ook referentie 12). Men kan stellen dat het WiMAX Forum voor de IEEE 802.16 standaard is wat de Wi- Fi Alliance is voor de IEEE 802.11 standaard. 3.3 Fixed WiMAX en Mobile WiMAX De twee belangrijkste families van profielen zijn deze voor Fixed WiMAX en voor Mobile WiMAX. 13

Fixed WiMAX is gebaseerd op de OFDM modulatie uit de IEEE 802.16-2004 standaard. Deze techniek wordt aangewend als alternatief voor de last mile waarbij geen mobiliteit mogelijk is. De eerste gecertificeerde producten zijn reeds beschikbaar, zowel voor het basisstation als voor de eindgebruiker. De correcties in IEEE 802.16e-2005 zijn de basis voor Mobile WiMAX. Hier wordt gebruik gemaakt van de SOFDMA modulatie en zijn er voorzieningen voor geavanceerde technieken, zoals MIMO, binnen de standaard. Zoals de naam laat vermoeden ondersteunt het ook mobiliteit doordat handovers tussen de verschillende zendmasten mogelijk zijn. De eerste Mobile WiMAX producten verschijnen op dit moment op de markt. De certificering door het WiMAX Forum komt echter nu pas op gang. Doordat Mobile WiMAX de mogelijkheden van Fixed WiMAX combineert met mobiliteit lijkt het dat in de toekomst voornamelijk nog Mobile WiMAX zal gebruikt worden. Dit is ook de strategie die men ziet van een aantal grote spelers in de telecom wereld zoals Motorola, Alcatel en Siemens die zich voornamelijk op Mobile WiMAX concentreren. 3.4 Verhouding tot andere technologieën 3.4.1 IEEE 802.11 De IEEE 802.16 standaarden lijken het meest op de IEEE 802.11 standaarden. Beide standaarden zijn ontwikkeld binnen het IEEE en komen dus eerder uit de computer - en netwerkwereld, terwijl de UMTS, HSDPA en DSL standaarden ontwikkeld werden binnen de ITU-T, de telecommunicatie wereld. Beide standaarden hebben dan ook heel wat gemeenschappelijk. Zo zijn beide volledig IP gebaseerd en wordt er in beide gebruik gemaakt van OFDM modulatie. Het doel van beide technologieën is echter duidelijk verschillend. 14

WLAN is bedoeld als lokaal, indoor netwerk waarbij de bandbreedte belangrijk is en het bereik eerder beperkt is. De technologie maakt gebruik van licentievrije frequentiebanden en de netwerken zijn eenvoudig op te zetten. Ieder gezin of bedrijfje kan dus makkelijk zijn eigen netwerk opzetten. De WiMAX technologie daarentegen moet grotere, outdoor netwerken mogelijk maken. Het kan zowel in licentievrije frequentiebanden als in een frequentieband waarvoor een licentie noodzakelijk is. Een WiMAX netwerk zal typisch een aantal basisstations bevatten en voorzieningen hebben voor mobiliteit (handovers), toegangsbeheer en dergelijke. Dit zijn netwerken die niet door particulieren kunnen opgezet worden. Figuur 3-1 - Vergelijking van WiMAX met WLAN en HSDPA 15

3.4.2 UMTS en HSDPA HSDPA, als laatste generatie UMTS technologie, is vergelijkbaar met Mobile WiMAX, in de zin dat het ook vrij grote bandbreedtes mogelijk maakt binnen een vrij groot bereik en met goede mobiliteit. Fundamenteel verschil is echter dat HSDPA verder bouwt op de complexe GSM en UMTS standaarden, terwijl IEEE 802.16 een volledig nieuwe, alleenstaande standaard is. Een gevolg hiervan is dat HSDPA een logische keuze is voor de bestaande mobiele operatoren. Technische voorzieningen specifiek voor een betere spraakservice bij GSM gebaseerde netwerken zorgen voor een grotere complexiteit maar garanderen uitstekende mobiliteit. Anderzijds is Mobile WiMAX volledig ontwikkeld vanuit een breedband internet perspectief. Het maakt gebruik van het efficiëntere TDD en maakte grotere bandbreedtes mogelijk. Hoewel de toepassingen voor beide technologieën zeer dicht bij elkaar aanleunen ziet het er naar uit dat beide standaarden elk een toekomst zullen hebben. 3.4.3 DSL en DOCSIS In een zogenaamd fixed mobile scenario kan WiMAX gebruikt worden als alternatief voor de last mile die gebruik maken van DSL of DOCSIS. Hierbij kan men de kost van het graven van een uitgebreid netwerk uitsparen of hoeft men niet meer afhankelijk te zijn van de operator die de last mile in handen. De nieuwste technologie met hun hogere bandbreedtes en de evolutie naar triple play zorgen er echter voor dat de rol van WiMAX als alternatief in reeds sterk bekabelde landen als België beperkt zal blijven tot een niche rol. 16

3.5 Mogelijke applicaties De WiMAX technologie wordt vandaag het meest gebruikt door de fixed wireless broadband operatoren. In heel wat landen zijn er kleinschalige operatoren actief. Zo is er in België het Amerikaanse Clearwire dat een klassiek breedband aanbod heeft en daarvoor gebruik maakt van zogenaamde prewimax technologie (gelijkaardig aan IEEE 802.16-2004). De dekking van hun netwerk is voorlopig echter beperkt tot Brussel. Product Prijs/maand Downstream Upstream Clearwire Freedom Light 28,99 1 Mbps 128 Kbps Clearwire Freedom Premium 38,99 3 Mbps 256 Kbps Belgacom ADSL Light 38,99 0,5 Mbps 128 Kbps Belgacom ADSL Go 39,95 4 Mbps 256 Kbps Telenet ComfortNet 28,99 0,5 Mbps 128 Kbps Telenet ExpressNet 38,99 10 Mbps 256 Kbps Tabel 3-3 - Aanbod Clearwire in vergelijking met Belgacom en Telenet In veel minder-ontwikkelde landen zijn heel wat plannen in de maak om WiMAX netwerken te gebruiken om snel en vrij goedkoop grote bevolkingsgroepen, die nu geen toegang hebben tot een bekabeld netwerk, te bereiken. Zo kondigde bijvoorbeeld in mei 2006 een Pakistaanse operator aan te starten met de uitbouw van een IEEE 802.16e-2005 netwerk met Motorola technologie. Een andere belangrijke toepassing van WiMAX is het aanbieden van draadloos breedband internet. Dit is het scenario met het grootste potentieel. Belangrijk hierbij is dat de apparatuur van de eindgebruiker een zelfde evolutie moet doormaken als bij WLAN, waarbij nu elke laptop er standaard mee uitgerust is. Dat Intel, die met het Centrino pakket voor de doorbrak van WLAN zorgde, achter WiMAX staat is daarbij goed meegenomen. 17

WiMAX kan echter ook gebruikt worden op kleinere schaal. Zo kan het bijvoorbeeld gebruikt worden om grotere campussen volledig met draadloos internet te voorzien, iets waarvoor het bereik van WLAN te kort schiet. Zo een netwerk zou bijvoorbeeld ook in een haven kunnen. Enerzijds zouden de schepen, in de haven of op enkele kilometers van de kust, kunnen beschikken over breedband internet waardoor de communicatie tussen schip en kade verbeterd kan worden en anderzijds zou men bijvoorbeeld WiMAX-enabled containers kunnen traceren. Ten slotte kan WiMAX ook zijn rol hebben bij de hulp- en ordediensten. Bij een brand is het bijvoorbeeld bijzonder handig indien men snel kan beschikken over een draadloos netwerk voor een goede coördinatie en om snel informatie over de brandhaard te verzamelen. Ook bij aardbevingen of overstromingen, waarbij de bestaande telecommunicatie infrastructuur vernietigd wordt, kan WiMAX snel zorgen voor een basis communicatie. 18

Hoofdstuk 4: Technische specificaties van WiMAX 4.1 Frequentie en bandbreedte De WiMAX technologie kan op verschillende frequentiebanden onder de 11GHz gebruikt worden. Om de compatibiliteit te verhogen en schaalvoordelen te creëren wordt er naar gestreefd frequentiebanden wereldwijd vrij te maken voor WiMAX. Momenteel zijn in Europa de 3,5 GHz band met licentie en de licentievrije 5,8 GHz band de belangrijkste. Ook wordt gekeken naar de 2,5 GHz band, deze is echter momenteel gereserveerd als uitbreiding voor UMTS. De voorstanders van WiMAX vragen daarom meer en meer om technologie neutrale licenties toe te kennen zodat de operator kan kiezen welke technologie hij gebruikt. In België heeft het BIPT spectrum in de 3,5 GHz band toegewezen aan de bedrijven Clearwire en Mac Telecom. Beide bedrijven beschikken over een spectrum van 2 maal 25 MHz. Het overige spectrum rond de 3,5 GHz wordt gebruikt door de VRT voor haar helikopterverbindingen. Deze zouden echter tegen een compensatie kunnen worden vrijgemaakt. De verwachting is dat het BIPT nog dit jaar een procedure zal starten voor het toewijzen van spectrum in het kader van Mobile WiMAX. Figuur 4-1 - Overzicht van spectrum voor enkele mobiele standaarden 19

Net als de frequentieband is er ook flexibiliteit in de kanaalbandbreedte. Kanalen van 1,25 MHz tot 20 MHz zijn mogelijk. Het WiMAX Forum certifieert voor Fixed WiMAX bandbreedtes van 3,5 MHz en 7 MHz voor de 3,5 GHz band. Voor Mobile WiMAX spreekt men in de standaard over kanaalbandbreedtes van 1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz en 20 MHz. Door de specifieke modulatietechniek die in Mobile WiMAX gebruikt wordt is het mogelijk de verschillende kanaalbandbreedtes te ondersteunen met dezelfde hardware. De 20 MHz kanalen zullen in het begin echter nog niet ondersteund worden. 4.2 De OFDM modulatie Als modulatietechniek wordt gebruik gemaakt van OFDM (Orthogonal Frequency- Division Multiplexing). Bij deze complexe techniek wordt de beschikbare kanaalbandbreedte in de frequentie ruimte opgesplitst in kleinere subkanalen met een eenvoudigere modulatie. Het gebruik van verschillende subkanalen lijkt op klassieke FDM (Frequency Division Multiplexing) waarbij het frequentie spectrum wordt opgesplitst. Bij OFDM zijn de verschillende kanalen echter orthogonaal tegen over elkaar, hierbij treedt het maximum van de ene subdrager precies op bij een frequentie waarop alle andere subdragers gelijk zijn aan nul. Dit wordt geïllustreerd in figuur 4-2. Hierdoor kan hun frequentie spectrum overlappen zonder onderlinge interferentie. Op deze manier kan men de verschillende kanalen dichter bij elkaar leggen dan bij klassieke FDM en wordt het spectrum optimaal gebruikt. Bovendien is deze modulatie beter bestand tegen frequentieselectieve fading. In referentie 4 wordt OFDM uitgebreid besproken. Deze moderne modulatietechniek wordt onder meer gebruikt in DSL, DAB, DVB-T en de laatste WLAN technieken. 20

Figuur 4-2 Superpositie van de orthogonale subdragers bij OFDM 4.3 Allocatie van de OFDM subdragers Figuur 4-3 - Positie van verschillende dragers Voor Fixed WiMAX wordt de kanaalbandbreedte steeds opgesplitst in 256 subdragers. Bij Mobile WiMAX blijft de afstand tussen de verschillende dragers steeds constant, respectievelijk 128, 512, 1024 en 2048 subdragers voor 1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz en 20 MHz kanaalbandbreedte. De verschillende dragers worden echter niet allemaal gebruikt om data te versturen. Aan de rand is een guard band waar de dragers helemaal niet gebruikt worden. 21

Verspreid tussen de eigenlijke data dragers liggen pilot carriers die gebruikt worden voor het afstellen van de zender. Mobile WiMAX Fixed WiMAX Uplink Downlink PUSC AMC PUSC AMC Totaal aantal dragers 256 512 1024 512 1024 512 1024 512 1024 Aantal dragers in lagere frequenties "Guard" band Aantal dragers in hogere frequenties "Guard" band 28 45 91 40 80 51 91 40 80 27 46 92 39 79 52 92 39 79 Aantal pilot dragers 8 60 120 48 96 136 280 48 96 Aantal data dragers 192 360 720 433 865 272 560 433 865 Percentage data dragers 75% 70% 70% 85% 84% 53% 55% 85% 84% Tabel 4-1 - Een aantal profielen met de verdeling van de dragers In Fixed WiMAX worden zo 192 van de 256 dragers effectief gebruikt voor data. Alle subdragers worden ook door eenzelfde zender tegelijk gebruikt. De stroom van bits wordt dus steeds over alle dragers gespreid (zie figuur 4-4). Figuur 4-4 - Allocatie van subdragers bij OFDM Bij Mobile WiMAX wordt SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) gebruikt. Hierbij is de allocatie fijner. Men kan groepen van subdragers aan verschillende gebruikers toewijzen. De stroom van data voor die gebruiker wordt dan enkel over deze dragers gespreid. Het basisstation kan ook 22

dynamisch kiezen uit een aantal profielen met een verschillende aantal pilot carriers. Dit is geïllustreerd in figuur 4-5. Figuur 4-5 - Allocatie van subdragers bij SOFDMA 4.4 Modulatie van de subdragers Voor de modulatie van de subdragers kan gekozen worden uit verschillende mogelijkheden, afhankelijk van de sterkte van het signaal (de Signal-to-Noise Ratio of SNR). Indien de SNR voldoende hoog is kan 64-QAM gebruikt worden, waarbij per symbool 6 bits verstuurd kunnen worden, vervolgens 16-QAM voor 4 bits, QPSK voor 2 bits en ten slotte BPSK waarbij 1 bit per symbool verstuurd wordt. De keuze van modulatieschema is dynamisch. Tegelijkertijd kunnen voor verschillende gebruikers verschillende modulatieschema s gebruikt worden. 23

Figuur 4-6 - BPSK, QPSK, 16-QAM en 64-QAM constellaties zoals in de standaard gedefinieerd Omdat bij de transmissie over de ether ongetwijfeld fouten optreden wordt de bitstroom voor de modulatie gecodeerd. Hierbij is het voor de ontvanger mogelijk fouten te detecteren en eventueel deze fouten te corrigeren. Deze informatietheorie technieken zijn er de laatste jaren onder meer door het goedkoper worden van rekenkracht sterk op vooruit gegaan. Voor WiMAX wordt standaard gebruik gemaakt van een Reed-Solomon convolutional coder. Bovendien zijn er voorzieningen om een aantal andere optionele codes te gebruiken. 24

Modulatieschema Coding rate Data bits BPSK 1/2 0,5 QPSK 1/2 1 QPSK 3/4 1,5 16-QAM 1/2 2 16-QAM 3/4 3 64-QAM 2/3 4 64-QAM 3/4 4,5 Tabel 4-2 - Mogelijk modulaties en kanaalcoderingen Het combineren van de verschillende dragers tot een tijdsdomein signaal wordt uitgevoerd door middel van een inverse fourier transformatie, hiervoor wordt gebruik gemaakt van Inverse Fast Fourier Transform (IFFT). 4.5 Guard interval Figuur 4-7 - Cyclische uitbreiding met guard interval Voor een goede performantie van de OFDM modulatie is het belangrijk om de effecten van multi path, waarbij een signaal verschillende keren wordt ontvangen, te neutraliseren. Hiervoor gaat men het tijdsdomein signaal Tb die men bekomen heeft cyclisch uitbreiden met een guard interval Tg. Op deze manier worden de effecten opgevangen en wordt de orthogonaliteit behouden. 25

4.6 Duplex techniek Fixed WiMAX kan zowel in Frequency Division Duplexing (FDD) mode als in Time Division Duplexing (TDD) mode gebruikt worden. Bij FDD gebruiken het basisstation (downlink) en de gebruikers (uplink) een verschillende frequentie band. Bij TDD gebruiken downlink en uplink dezelfde frequentie, maar wel op een verschillend moment in de tijd. FDD wordt geïllustreerd in figuur 4-8. Mobile WiMAX maakt steeds gebruik van TDD. Dit wordt geïllustreerd in figuur 4-9. Figuur 4-8 - Vereenvoudigde structuur van een OFDM FDD frame 26

Figuur 4-9 - Vereenvoudigde structuur van een SOFDMA TDD frame De ether is een gedeeld medium en dus moet duidelijk zijn wie wanneer het medium mag gebruiken. In tegenstelling tot WLAN is het bij WiMAX het basisstation die volledig bepaalt wanneer welke gebruiker zijn data mag versturen. Dit wordt aangegeven in een uplink (UL) map. In de downlink (DL) map wordt aangegeven voor welke data de door het basisstation uitgezonden data bestemd is. Door de centrale rol van het basisstation dat optreedt als scheduler is het mogelijk zogenaamde Quality of Service (QoS) aan te bieden. Hierbij kan aan specifieke data stromen bepaalde garanties geboden worden omtrent beschikbare bitrate en vertraging. Dit is een vereiste indien met bijvoorbeeld spraak diensten via VoIP over het Mobile WiMAX netwerk wil aanbieden. In de ingewikkelde frame structuur zijn verder voorzieningen voor het detecteren van het netwerk door nieuwe gebruikers, initialisatie, synchronisatie, aanvragen van zendopportuniteiten door de gebruikers, bepalen van de positie van de gebruiker tov de mast en zo verder. 27

4.7 Geavanceerde antenne systemen Mobile WiMAX is volledig ontwikkeld om geavanceerde antenne systemen mogelijk te maken. De basisstations die momenteel worden geïntroduceerd beschikken bijna allemaal over deze technieken. In het bijzonder wordt per sector gebruik gemaakt van een rij van 4 antennes die samen worden aangestuurd. Hierdoor is het mogelijk het stralingspatroon zo te beïnvloeden dat het de gebruiker als het ware volgt, beamforming genaamd. Hierdoor is het mogelijk de kwaliteit van het signaal sterk te verbeteren. Het linkbudget, een maat die aangeeft hoeveel het signaal mag verzwakken, kan hierdoor tot 11 db in de downlink en 5 db in de uplink winnen. Dit maakt zowel een groter bereik als een grotere capaciteit mogelijk en vermindert de interferentie. Basisstations die beschikken over deze geavanceerde antenne systemen worden benoemd met de term AAS (Advanced Antenna System). In een volgende fase zullen de basestations MIMO (Multiple Input Multiple Output) gebruiken. Zo zullen bijvoorbeeld twee maal vier antennes mogelijk worden, waarbij het signaal twee maal verstuurd of ontvangen wordt. Deze techniek zal echter voor een minder forse winst zorgen dan beam forming. Verwacht wordt dat de algoritmes en technieken voor deze antenne systemen de komende jaren zullen blijven evolueren. Figuur 4-10 - Illustratie van beam forming 28

4.8 Architectuur van een Mobile WiMAX netwerk Mobile WiMAX netwerken zullen typisch een cellulaire structuur hebben wat gelijkaardig is met de GSM netwerken. Ze bestaan dus uit vele sites met verschillende sectoren die verbonden worden met een centrale infrastructuur. De basisstations zijn verbonden met een WiMAX Access Controller. Deze verbindingen kunnen zowel via VDSL, fiber of een straalverbinding. De WiMAX Access Controller is dan zelf verbonden met een klassiek IP kernnetwerk. Figuur 4-11 - Mobile WiMAX netwerk architectuur De WiMAX Access Controller staat onder meer in voor de toegangscontrole en accounting. Hij staat ook in voor het toekennen van IP adressen aan de gebruikers en voor de mobiliteit door het coördineren van de handovers. IP mobiliteit wordt gegarandeerd door het gebruik van mobile IP. 29

Dit is moderne IP georiënteerde architectuur met grote flexibiliteit die het de operatoren moet mogelijk maken diensten zoals spraak aan te bieden, maar ook toepassingen die nog moeten ontwikkeld worden. Deze hardware zal typisch geleverd worden aan de operatoren door de grote telecom spelers zoals Motorola, Alcatel, Siemens, Ericsson, Nokia, 4.9 CPE roadmap Vandaag zijn enkel toestellen beschikbaar voor Fixed WiMAX. Ze zijn wat grootte betreft vergelijkbaar met een kabelmodem of WLAN basisstation. Deze bevinden zich binnen, hebben een aparte voeding en worden via een ethernet kabel verbonden met de computer. Ze bieden dus geen enkele mobiliteit. Deze categorie wordt Portable CPE genoemd. Figuur 4-12 - WiMAX CPE roadmap 30

Voor Mobile WiMAX zijn er nu geen producten beschikbaar. Wel stellen heel wat kleinere producenten de eerste PCMCIA oplossingen voor. In 2007 zullen deze goed beschikbaar zijn. Deze oplossing biedt reeds de nodige mobiliteit. Dit soort producten valt onder de categorie Mobile CPE. Een echte doorbraak kan er echter komen indien de ontvanger geïntegreerd wordt in een laptop. Samsung heeft nu reeds zo een toestel voorgesteld. Algemeen wordt echter verwacht dat dit pas algemeen zal worden rond 2008. In de toekomst zal de ontvanger ook ingebouwd worden in kleinere apparaten zoals PDA s of mobiele telefoons. Op dat moment worden de mogelijkheden onbeperkt. 31

Hoofdstuk 5: Technisch model 5.1 Doel Om de haalbaarheid van een WiMAX rollout te onderzoeken is het nodig om het benodigd aantal sites en sectoren te berekenen om een bepaald gebied te bedienen, afhankelijk van de aangeboden dienst en het aantal actieve gebruikers. Daarvoor werd in het kader van deze scriptie een technische model ontwikkeld. Het model heeft een zekere flexibiliteit om aanpassingen zoals nieuwe hardware snel te kunnen invoeren. Het model is ontwikkeld in Microsoft Excel en Microsoft Visual Basic for Excel. 1 Hoewel het model oorspronkelijk voor de IEEE 802.16-2004 standaard bedoeld was, zijn er aanpassingen gebeurd waardoor het nu enkel op de IEEE 802.16e-2005 standaard van toepassing is. Eerst wordt besproken hoe het linkbudget berekend wordt. Hierna wordt het gebruikte propagatiemodel voorgesteld. Ook wordt geïllustreerd hoe de oppervlakte per cel wordt berekend. Vervolgens wordt de bitrate per sector berekend. Tot slot worden oppervlaktes en bitrates gecombineerd om het aantal benodigde basisstations in te schatten. 1 Men kan het model gebruiken door het bestand WiMAX Business case + Model op de cd-rom in bijlage te openen en op het tabblad Model op de Open Model knop te klikken. De Visual Basic code kan men bekijken door de Visual Basic Editor (Alt+F11) te openen en bij Formulieren rechts op ufmodel te klikken en vervolgens op Programmacode weergeven. De parameters die in het model gebruikt worden komen terecht in de cellen op het tabblad Model. 32

Figuur 5-1 - Grafische interface van het technische model 5.2 Het link budget Een eerste stap in het model is het bepalen van het linkbudget. Dit geeft weer in welke mate een signaal mag verzwakken en wordt gebruikt als input in het propagatiemodel om het bereik te bereken. Er wordt zowel voor de downlink als voor de uplink een linkbudget berekend. De parameters die het linkbudget beïnvloeden worden eerst besproken. 33

5.2.1 Het basisstation De gebruiker kan voor het basisstation kiezen uit de profielen Standard Basestation, BS 4 antenna with AAS en BS 4 antenna with AAS and MIMO, waarbij de basisstations die nu op de markt komen vallen in de categorie BS 4 antenna with AAS. Standard Basestation BS 4 antenna with AAS BS 4 antenna with AAS and MIMO Downlink transmission power 35 db 35 db 35 db Downlink transmitter antenna gain 16 db 16 db 16 db Other downlink transmitter gain -2 db 9 db 12 db Uplink receiver antenna gain 16 db 16 db 16 db Other uplink receiver gain 4 db 7 db 10 db Uplink receiver noise floor 5 db 5 db 5 db Tabel 5-1 - Basisstation profielen met hun parameters Elk profiel bevat de waarden voor de zes parameters die nodig zijn voor het bereken van het linkbudget. Deze waarden zijn gespecificeerd bij de parameters in de Excel sheet en zijn gebaseerd op de informatie die beschikbaar is van de constructeurs. Deze kunnen echter simpelweg vervangen worden door andere waarden indien dit nodig zou zijn, indien er bijvoorbeeld betere hardware beschikbaar komt. 5.2.2 De ontvanger Hier moet de gebruiker een keuze maken uit Portable CPE of Mobile CPE, waarbij het eerste staat voor toestellen zoals die vandaag beschikbaar zijn en onder het tweede toekomstige toestellen zoals de PCMCIA kaarten en de in de laptop geïntegreerde toestellen vallen. Ook hier bevat elk profiel zes parameters die indien nodig aangepast kunnen worden. 34

Portable CPE Mobile CPE Downlink receiver antenna gain 6 db 2 db Other downlink receiver gain 0 db 0 db Downlink receiver noise floor 6 db 6 db Uplink transmission power 27 db 27 db Uplink transmitter antenna gain 6 db 2 db Other uplink transmitter gain 0 db 0 db Tabel 5-2 - Ontvanger profielen met hun parameters 5.2.3 De kanaa bandbreedte en uplink subchanneling gain Dit is een parameter die niet alleen een invloed heeft op het linkbudget, maar ook de capaciteit van een sector bepaald. Men kan kiezen uit 1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz en 20 MHz, waarbij 10 MHz vandaag de meest courante is. Number of OFDM subcarriers Number of data subcarriers 1,25 MHz 128 72 5 MHz 512 360 10 MHz 1024 720 20 MHz 2048 1440 Tabel 5-3 - Parameters voor elke kanaalbandbreedte Voor elke bandbreedte bevat het model het aantal OFDM subdragers en hoeveel daarvan voor data gebruikt worden. Hoewel de parameter kan gewijzigd worden is het aantal data subdragers steeds constant. Voor Mobile WiMAX, die gebruik maakt van SOFDMA, is dit een vereenvoudiging, daar het verschillende profielen gebruikt met een verschillend aantal data subdragers. Voor de uplink komt daar bij dat men nauwelijks op alle subdragers tegelijk data zal versturen, om dit effect op te vangen is er de Uplink subchanneling gain parameter. Indien men er van uitgaat dat een subkanaal gebruikt wordt met de helft van de datadragers kan men op 3 db rekenen. Dit is een voorzichtige veronderstelling. 35

5.2.4 Het type bebouwing De bebouwing belemmert de uitgezonden elektromagnetische signalen. Doordat het gebruikte propagatiemodel hier niet voldoende rekening mee houdt wordt een extra correctie op het linkbudget uitgevoerd. De mogelijkheden die de gebruiker kan selecteren en de bijhorende correctie, die indien gewenst aangepast kan worden, worden in onderstaande tabel weergegeven. Correctie Rural +5 db Suburban 0 db Urban -3 db Dense urban -4 db Tabel 5-4 - De verschillende types bebouwing 5.2.5 De indoorpenetratie Bij alle Mobile WiMAX toestellen is de antenne ingebouwd. Omdat men ook binnen gebouwen dekking wenst, moet men rekening houden met de verzwakking van het signaal door het gebouw, dit is de indoorpenetratie. Deze parameter moet de gebruiker zelf ingeven. In de literatuur vindt men hiervoor waarden van 10 db tot 20dB. Ik heb gekozen voor een voorzichtige 18 db. 5.2.6 De fade margin Met fading wordt het effect bedoeld dat de sterkte van een signaal op een vaste plek kan variëren in de tijd. Dit komt naast shadowing, waarbij de sterkte van het signaal verschillend kan zijn op verschillende plaatsen op dezelfde afstand van de zender. Shadowing zit wel in het propagatiemodel, dit wordt besproken in paragraaf 5.3. De gebruiker van het model moet hier zelf een waarde ingeven. De verschillende propagatiemodellen gebruiken soms sterk verschillende waarden, al dan niet door het samennemen van fade margin en shadowing. Omdat er reeds een belangrijke 36