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 1.2
Inleiding en achtergrond...........................................................................................1 Structuur van de scriptie ...........................................................................................2
HOOFDSTUK 2: BREEDBAND NETWERKEN....................................... 3 2.1
Architectuur van breedband netwerken ................................................................3
2.1.1 2.1.2
Toegangsnetwerken ...................................................................................................................................3 Kernnetwerken ..........................................................................................................................................4
2.2
Technologieën voor het breedband toegangsnetwerk ........................................4
2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5
DSL ...........................................................................................................................................................4 DOCSIS ....................................................................................................................................................6 Fiber...........................................................................................................................................................6 UMTS .......................................................................................................................................................7 IEEE 802.11 ..............................................................................................................................................7
2.3
Breedband markt in België .......................................................................................8
2.3.1 2.3.2 2.3.3
Bekabelde toegang......................................................................................................................................8 Mobiele toegang.........................................................................................................................................9 Huidige ontwikkelingen ..........................................................................................................................10
HOOFDSTUK 3: DE WIMAX STANDAARDEN .................................. 12 3.1 3.2 3.3 3.4
Ontstaan en evolutie ................................................................................................12 Het WiMAX forum ...................................................................................................13 Fixed WiMAX en Mobile WiMAX ........................................................................13 Verhouding tot andere technologieën ..................................................................14
3.4.1 3.4.2 3.4.3
IEEE 802.11 ............................................................................................................................................14 UMTS en HSDPA ..................................................................................................................................16 DSL en DOCSIS .....................................................................................................................................16
3.5
Mogelijke applicaties...............................................................................................17
HOOFDSTUK 4: TECHNISCHE SPECIFICATIES VAN WIMAX .... 19 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9
Frequentie en bandbreedte .....................................................................................19 De OFDM modulatie................................................................................................20 Allocatie van de OFDM subdragers......................................................................21 Modulatie van de subdragers .................................................................................23 Guard interval ...........................................................................................................25 Duplex techniek ........................................................................................................26 Geavanceerde antenne systemen...........................................................................28 Architectuur van een Mobile WiMAX netwerk..................................................29 CPE roadmap .............................................................................................................30
HOOFDSTUK 5: TECHNISCH MODEL................................................. 32 5.1 5.2
Doel..............................................................................................................................32 Het link budget .........................................................................................................33
5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6 5.2.7 5.2.8
Het basisstation .......................................................................................................................................34 De ontvanger ...........................................................................................................................................34 De kanaa bandbreedte en uplink subchanneling gain .............................................................................35 Het type bebouwing.................................................................................................................................36 De indoorpenetratie .................................................................................................................................36 De fade margin ........................................................................................................................................36 De modulatieschema’s .............................................................................................................................37 Het linkbudget berekenen ........................................................................................................................37
5.3 5.4 5.5 5.6
Het propagatiemodel................................................................................................38 De oppervlakte van een cel.....................................................................................40 De bitrate per sector .................................................................................................41 Benodigd aantal sites en sectoren..........................................................................42
HOOFDSTUK 6: DE BUSINESS CASE ................................................... 44 6.1 6.2 6.3 6.4
Inleiding .....................................................................................................................44 De verschillende scenario’s ....................................................................................44 Geografische afbakening ........................................................................................46 Inschatten van de inkomsten..................................................................................47
6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5 6.4.6 6.4.7 6.4.8
Het “nomadicity pack” product ..............................................................................................................47 Het “prepaid” product.............................................................................................................................48 Het “2nd residence” product...................................................................................................................49 Het “stand-alone wireless broadband” product.......................................................................................50 Totale inkomsten voor het “all services, nationwide” scenario ...............................................................51 De overgang van “nationwide” naar “urban” en “extended urban”......................................................51 Het “nomadicity pack” scenario..............................................................................................................53 Het “stand-alone wireless broadband” scenario ......................................................................................54
6.5 6.6 6.7
Berekenen van de bijhorende CAPEX ..................................................................55 De OPEX .....................................................................................................................56 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
Third Generation
3GPP
3G Partnership Project
AAS
Adaptive Antenna System of Advanced Antenna System
ADSL
Asymmetric Digital Subscriber Line
ARPU
Average Revenue Per User
BIPT
Belgisch Instituut voor Post en Telecommunicatie
BNIX
Belgium National Internet eXchange
BPSK
Binary Phase-Shift Keying
CAPEX
Capital Expenditure
CATV
Community Antenna Television
CDMA
Code Division Multiple Access
CPE
Customer-Premises Equipment
DAB
Digital Audio Broadcasting
DOCSIS
Data Over Cable Service Interface Specification
DSL
Digital Subscriber Line
DVB-T
Digital Video Broadcasting - Terrestrial
FDD
Frequency Division Duplex
FFT
Fast Fourier Transform
FTE
Full-Time Equivalent
FTTH
Fiber to the Home
GSM
Global System for Mobile Communications
HDTV
High-definition Television
HSDPA
High Speed Downlink Data Packet Access
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
ITU
International Telecommunication Union
ITU-T
International Telecommunication Union – Telecommunication
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
IP
Internet Protocol
IRR
Internal Rate of Return
LAN
Local Area Network
LOS
Line of Sight
MAC
Media Access Control
MAN
Metropolitan Area Network
MIMO
Multiple Input Multiple Output (Antenna)
MoU
Minutes of Usage
NLOS
Non Line of Sight
NPV
Net Present Value
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplex
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OPEX
Operational Expenditure
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
QoS
Quality of Service
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
SNR
Signal to Noise Ratio
SOFDMA
Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access
TDD
Time Division Duplex
UMTS
Universal Mobile Telecommunications System
VDSL
Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line
VoIP
Voice over Internet Protocol
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
Wi-Fi
Wireless Fidelity
WiBro
Wireless Broadband (Service)
WiMAX
Worldwide Interoperability for Microwave Access
WLAN
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 Point-to-point 100 Mbps tot 1 Gbps IEEE 802.3ah eITU-T G.985 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 kabel (DOCSIS) 7% Tele2 (DSL) 5% Andere Scarlet (DSL) 2% 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 Belgacom - Hotspot Extra Time Limited Enkel voor Belgacom DSL klanten
Prijs
Duur
15 €
5h
Belgacom - Hotspot Time Pack
10 € / 10h maand Belgacom - Voucher 7,50 € 1h surfen Telenet - Voucher 9,99 € 1h surfen Telenet – Abonnement 9,95 € ongelimiteerd Enkel voor Telenet internet klanten /maand Tabel 2-2 –WLAN formules aangeboden door Belgische operatoren (Bron: website van operator) Enkel voor Belgacom DSL klanten
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 WiFi 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 28,99 € 1 Mbps 128 Kbps Clearwire Freedom Light 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 FrequencyDivision 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.
Totaal aantal dragers
256
Mobile WiMAX Uplink Downlink PUSC AMC PUSC AMC 512 1024 512 1024 512 1024 512 1024
Aantal dragers in lagere frequenties "Guard" band
28
45
91
40
80
51
91
40
80
Aantal dragers in hogere frequenties "Guard" band
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%
Fixed WiMAX
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”.
Downlink transmission power Downlink transmitter antenna gain Other downlink transmitter gain Uplink receiver antenna gain Other uplink receiver gain Uplink receiver noise floor
Standard Basestation
BS 4 antenna with AAS
35 dB 16 dB -2 dB 16 dB 4 dB 5 dB
35 dB 16 dB 9 dB 16 dB 7 dB 5 dB
BS 4 antenna with AAS and MIMO 35 dB 16 dB 12 dB 16 dB 10 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
6 dB 0 dB 6 dB 27 dB 6 dB 0 dB
2 dB 0 dB 6 dB 27 dB 2 dB 0 dB
Downlink receiver antenna gain Other downlink receiver gain Downlink receiver noise floor Uplink transmission power Uplink transmitter antenna gain Other uplink transmitter gain
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.
1,25 MHz 5 MHz 10 MHz 20 MHz
Number of OFDM subcarriers 128 512 1024 2048
Number of data subcarriers 72 360 720 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.
Rural Suburban Urban Dense urban
Correctie +5 dB 0 dB -3 dB -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
correctie zit voor shadowing in het gebruikte propagatiemodel heb ik gekozen voor een vrij beperkte fade margin van 5 dB.
5.2.7 De modulatieschema’s Het modulatieschema heeft een invloed op het linkbudget. Omdat WiMAX het modulatieschema dynamisch selecteert per gebruiker moet het ook niet expliciet door de gebruiker van het model geselecteerd worden. Op dit moment berekent het model het linkbudget voor elke modulatie. Het modulatieschema heeft net als de kanaalbandbreedte ook nog een invloed op de capaciteit. Voor elk modulatieschema worden twee parameters gespecificeerd zoals aangegeven in tabel 5-5.
Receiver sensibility
Data bits per symbol
6,4 dB 9,4 dB 11,2 dB 16,4 dB 18,2 dB 22,7 dB 24,4 dB
0,5 1 1,5 2 3 4 4,5
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
Tabel 5-5 - De parameters per modulatieschema
5.2.8 Het linkbudget berekenen Met die gegevens die in de vorige secties werden besproken is het nu mogelijk het linkbudget te bereken. In vergelijking 5-1 wordt aangegeven hoe dat gebeurd voor de downlink. Bij de uplink wordt ook de “uplink subchanneling gain” opgeteld, maar is verder gelijkaardig aan de downlink.
37
Vergelijking 5-1 - Berekening van het downlink linkbudget
5.3 Het propagatiemodel Nu we het linkbudget kennen kunnen we het bereik bepalen. Hiervoor gebruiken we een propagatiemodel. Ik heb gekozen voor een model dat opgesteld werd door de IEEE 802.16 werkgroep zelf en ook die naam draagt of soms ook het ErcegGreenstein model wordt genoemd (referentie 7). Dit propagatiemodel is gebaseerd op uitgebreide experimentele metingen in de Verenigde Staten.
Vergelijking 5-2 - Het Erceg-Greenstein model
38
Om het bereik uit vergelijking 5-2 te kunnen uitrekenen is het nodig de andere parameters vast te leggen. Het linkbudget is reeds gekend. De golflengte kan berekend worden aan de hand van de frequentie van de draaggolf. Deze moet dan ook door de gebruiker van het model ingevoerd worden. Voor WiMAX in Europa is dit momenteel 3500 MHz. De andere termen in de vergelijking zijn afhankelijk van het terrein type. Er zijn drie types: “Hilly, moderate tree” (Type A), “Intermediate” (Type B) en “Flat, light tree” (Type C). In België overheerst Type C.
Figuur 5-2 - Parameters voor de verschillende terrein types
Het model is geldig voor een basisstation hoogte tussen 10m en 80m en een ontvanger hoogte tussen 2m en 10m. De masten die in België gebruikt worden voor het GSM netwerk zijn tussen 20m en 40m. Voor de ontvanger hoogte is het best altijd 2m te nemen aangezien bij Mobile WiMAX de antenne zich steeds in het toestel zelf bevindt en zich typisch eerder op 1m hoogte zal bevinden. Dit is dus een benadering, maar wordt echter gedeeltelijk opgevangen door de indoorpenetratie.
39
Het shadowing effect wordt opgevangen door de s term. Deze stelt een normale distributie voor met gemiddelde 0 en standaard deviatie zoals aangegeven in figuur 5-2 volgens terrein type. Om hier een waarde op te kleven moet de gebruiker een percentage opgeven. Dit stelt de kans voor dat er dekking is op de rand van een cel. Meestal worden hiervoor waarden tussen 90% en 99% voor genomen, ik heb gekozen voor 95%.
5.4 De oppervlakte van een cel
Figuur 5-3 - Formule voor de oppervlakte van een cel
Mobile WiMAX maakt meestal gebruik van een cellulaire structuur. De berekening van de oppervlakte per cel aan de hand van het bereik wordt geïllustreerd in figuur 5-3. De zeshoek binnen zeshoek constructie moet er voor zorgen de signaal sterke op de rand van de cel steeds even sterk is, en komt uit de GSM wereld. 40
5.5 De bitrate per sector
De kanaalbandbreedte en het modulatieschema zijn parameters die een invloed hebben op de bitrate en zijn reeds vroeger besproken. Andere parameters die een invloed hebben zijn het “Guard time interval”, de “Overhead” en de “TDD Up/Down Ratio”. Voor het “Guard time interval”, die de effecten van multi path tegen gaat, kan de gebruiker kiezen uit een aantal fracties die gespecificeerd worden in de standaard en in het model zijn opgenomen. Met het “Overhead” percentage wordt de tijd waarbij geen data verstuurd wordt opgevangen. Het MAC protocol dat gebruikt wordt voor WiMAX moet net als de MAC protocols voor andere draadloze technieken vrij veel tijd besteden aan initialisatie, synchronisatie, enzoverder; bovendien moeten voor elk frame MAP headers verstuurd worden. De verhouding tussen de downlink tijd en de uplink tijd wordt bepaald door de “TDD Up/Down Ratio” parameter. In vergelijking 5-3 wordt getoond hoe de downlink bitrate wordt berekend, de uplink bitrate is gelijkaardig.
Vergelijking 5-3 - Berekening van de downlink bitrate
41
5.6 Benodigd aantal sites en sectoren Het uiteindelijke doel van het technische model is het berekenen van het aantal sites en sectoren per site die nodig zijn voor een bepaald gebied. Hiervoor is het nodig de oppervlakte in te geven die men wenst te bedekken evenals de densiteit van gebruikers in dat gebied. Ook is het nodig om de snelheid die men de gebruiker wenst aan te bieden in het model in te geven. Omdat operatoren er van uitgaan dat niet alle gebruikers tegelijk gebruik maken van hun verbinding, voert men een parameter “simultaneous usage” in. Deze bepaalt hoeveel percent van de gebruikers op een bepaald moment effectief de dienst gebruikt. Omdat meestal de beschikbare bitrate reeds opgebruikt is voor men aan het einde van het bereik komt (zoals geïllustreerd in figuur 5-4) gaat men verschillende sectoren plaatsen op een mast. Op deze manier kan men toch grotere oppervlakten bedienen met één mast. Het aantal sectoren per mast is echter beperkt. Dit aantal wordt als parameter opgegeven en bedraagt meestal 3.
Figuur 5-4 - Voorbeeld van bereik van de verschillende modulatieschema's
42
WiMAX selecteert per gebruiker dynamisch het beste modulatieschema. Dit wordt gemodelleerd door vanaf de mast eerst capaciteit te voorzien aan de gebruikers door middel van het beste modulatieschema, daarna het volgende, enzoverder. Men moet echter steeds rekening houden met hoeveel capaciteit van de sector reeds is opgebruikt. Om te illustreren hoe dit in het model gebeurt geven we nu een fictief voorbeeld. Stel dat we over twee modulatieschema’s beschikken die respectievelijk een totale bitrate van 15 Mbps en 10 Mbps zouden kunnen leveren en oppervlaktes van 10km² en 20km² kunnen bedekken. Dit betekent dat een gebied van 10 km² enkel door het tweede modulatieschema kan bediend worden. Omdat de benodigde bitrate om de gebruikers te kunnen bedienen steeds evenredig is met de oppervlakte kunnen we hier veronderstellen dat er twee maal een bitrate van 10 Mbps nodig is om deze twee gebieden te bedienen. De 10 Mbps bitrate voor eerste gebied kunnen we bedienen met het beste modulatieschema die in totaal over 15 Mbps bitrate beschikt. Twee derde van de totale capaciteit is daardoor dus opgebruikt. Voor het tweede gebied zouden we de hele capaciteit nodig hebben om het te bedienen. We beschikken echter maar over één derde meer. Hierdoor zullen we maar één derde van die oppervlakte kunnen bedienen. De oppervlakte in het voorbeeld per mast is dus 10 + 3,3 = 13,3 km². In het technische model wordt ook nog rekening gehouden met de downlink en uplink en met het maximum aantal sectoren.
Nu we de oppervlakte per site kennen is het makkelijk uit te rekenen hoeveel sites nodig zijn om het hele gebied te bedienen.
Het technische model levert dus de nodige informatie over het aantal sites en sectoren en wordt gebruikt in de business case die in het volgende hoofdstuk besproken wordt.
43
Hoofdstuk 6: De business case
6.1 Inleiding
Is WiMAX een haalbare kaart voor de Belgische markt? Om dit te onderzoeken heb ik een business case opgesteld die een aantal concrete scenario’s voor een WiMAX rollout onderzoekt. In dit hoofdstuk wordt deze business case besproken. De business case zelf is uitgewerkt in Microsoft Excel in het bestand “WiMAX Business case + Model” die te vinden is op de cd-rom in bijlage. De business case is ontwikkeld in samenwerking met Belgacom en is ook specifiek vanuit hun perspectief uitgewerkt. De manier van werken is echter generiek en toepasbaar op eender welk bedrijf. De business case wordt becijferd voor de periode 2007-2016, maar wordt ook geëvalueerd voor een periode over vijf jaar.
6.2 De verschillende scenario’s
In het eerste scenario is het product dat via WiMAX technologie aangeboden wordt een zogenaamd “nomadicity pack”. Hierbij biedt de operator aan zijn bestaande breedband klanten een optie aan om tegen een extra maandelijks abonnement ook over draadloos internet te beschikken in het hele gebied die door het WiMAX netwerk bedekt is. De snelheid van de verbinding is daarbij minder groot dan de klassieke breedband verbinding maar voldoende groot voor klassiek internet gebruik. Men kan het product zien als iets tussen de WLAN formules die reeds aangeboden worden en de dataverbindingen via UMTS. Het is “PC-centric” zoals 44
WLAN, maar heeft de dekking van UMTS en biedt toch voldoende bandbreedte, nl 512 kbps downstream en 128 kbps upstream.
Het tweede scenario word “stand-alone wireless broadband” genoemd. In tegenstelling tot het eerste scenario wordt dit product niet als supplement aangeboden maar is het een alleenstaand product. Het biedt gelijkaardige snelheden als het klassieke breedband aanbod, namelijk 3 Mbps downstream en 256 kbps upstream, maar combineert dit met de mobiliteit van WiMAX. Dit product moet mensen aanspreken die ook op verplaatsing nood hebben aan een performante breedband verbinding. Hierbij zal de gebruiker meestal geen nood meer hebben aan een klassieke breedband verbinding. Dit scenario lijkt enigszins op een “fixed wireless broadband” scenario, maar hier wordt de mobiliteit van het aanbod als grootste troef uitgespeeld.
Nomadicity pack Stand-alone wireless broadband All services Nomadicity pack Prepaid (beperkt aantal uur) 2nd residence Stand-alone wireless broadband
Downstream snelheid
Upstream snelheid
512 Mbps 3 Mbps
128 kbps 256 kbps
512 Mbps 512 Mbps 3 Mbps 3 Mbps
128 kbps 128 kbps 256 kbps 256 kbps
Tabel 6-1 - Overzicht van de drie scenario's
Het derde en laatste scenario combineert de vorige twee en voegt er nog twee producten aan toe en wordt hier “all services” genoemd. Het eerste extra product is een prepaid formule waarbij men een voucher koopt die het mogelijk maakt een aantal uur gebruik te maken van het draadloze internet. Men kan deze dienst zien als het instap product voor de “nomadicity pack”. Het tweede extra product heeft als doelpubliek de mensen met tweede residentie of studentenkot waarbij een draadloos breedband aanbod vergelijkbaar met het “stand-alone wirelles broadband” scenario aangeboden wordt aan de bestaande breedband klanten van de operatoren tegen een
45
verminderde prijs. Dit wordt het “2nd residence” product genoemd. Dit kan ook gezien worden als een vervolg product op het “nomadicity pack”, voor de power user.
6.3 Geografische afbakening
Urban Bebouwingstype Oppervlakte (km²) Bevolking Dense urban 28 2% 394.986 Urban 787 62% 1.865.026 Suburban 461 36% 315.072 Rural 0 0% 0 Totaal (en % tov België) 1276 4% 2.575.084 Tabel 6-2 - Beschrijving van het "Urban" gebied
15% 72% 12% 0% 25%
De eerste twee scenario’s worden zowel bekeken voor een dekking van enerzijds een “urban” gebied bevattende de tien grootste steden en anderzijds een “nationwide” gebied. Bij “nationwide” wordt 80% van de oppervlakte van België gedekt, hierbij wordt 98% van de bevolking bereikt. Nationwide Bebouwingstype Oppervlakte (km²) Bevolking Dense urban 28 0% 394.986 Urban 1529 6% 2.904.215 Suburban 5653 23% 3.446.742 Rural 17280 71% 3.484.112 Totaal (en % tov België) 24490 80% 10.230.055 Tabel 6-3 - Beschrijving van het "Nationwide" gebied
4% 28% 34% 34% 98%
Voor het derde scenario wordt ook nog een “extended urban” gebied bekeken waarbij bij de tien grootste steden de kuststrook is toegevoegd. Extended urban Bebouwingstype Oppervlakte (km²) Bevolking Dense urban 28 2% 394.986 Urban 855 53% 1.967.018 Suburban 585 36% 379.856 Rural 149 9% 40.492 Totaal (en % tov België) 1617 5% 2.782.352 Tabel 6-4 - Beschrijving van het "Extended urban" gebied
14% 71% 14% 1% 27%
46
6.4 Inschatten van de inkomsten
Voor elk scenario moet ingeschat worden wat de mogelijke inkomsten zijn. Het “all services” scenario is het meest aangewezen scenario om te bespreken hoe dit gebeurt. Dit scenario wordt als basis gebruikt voor de andere. Hierna bespreek ik de opbouw voor elk van de vier producten.
6.4.1 Het “nomadicity pack” product Aangezien dit product als optie aangeboden wordt voor bestaande klanten wordt gekeken hoeveel breedband klanten er momenteel zijn bij Belgacom. Men kan hierbij een onderscheid maken tussen de groep die thuis WiMAX dekking heeft en een andere groep die geen dekking heeft. Voor beide groepen schat men vervolgens het percentage in die van de dienst zou willen gebruik maken. Op deze manier kent men het aantal klanten. Concreet kiezen we voor de groep met WiMAX dekking voor een klein percentage van 0,75% in het eerste jaar dat snel stijgt tot 7,4% in 2011 en voor de tweede groep een kwart van het percentage van de eerste groep. "Nomadicity pack" in "all services, nationwide" 500.000
13,50 €
450.000
13,00 €
400.000 12,50 €
350.000 300.000
12,00 €
250.000 11,50 €
200.000 150.000
11,00 €
100.000 10,50 €
50.000 0
10,00 € 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
ARPU
Figuur 6-1 - Evolutie gemiddeld aantal klanten en ARPU voor “nomadicity pack, nationwide”
47
Voor de prijs per maand in 2007 wordt 13 € genomen die dan geleidelijk daalt. Het model houdt bij de berekening van de totale inkomsten ook nog rekening met de evolutie van de breedband markt, het uitmiddelen van de klanten over het jaar, met de mogelijke business en corporate klanten en met een geleidelijke rollout.
6.4.2 Het “prepaid” product Hier wordt ook gekeken naar het aantal breedband gebruikers, er wordt geen onderscheid gemaakt tussen gebruiker met of zonder dekking maar tussen Belgacom en niet-Belgacom gebruikers omdat iedereen er gebruik van kan maken. Het percentage Belgacom klanten die er gebruik van maakt wordt voor 2007 op 0,1% gelegd en groeit snel tot 11,2% in 2011. Voor de niet-Belgacom gebruikers wordt een percentage gerekend van 35% van het Belgacom percentage.
"Prepaid" in "all services, nationwide" 500.000
6,0 h
450.000
5,5 h
400.000 5,0 h
350.000
4,5 h
300.000 250.000
4,0 h
200.000
3,5 h
150.000 3,0 h
100.000
2,5 h
50.000 0
2,0 h 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
Uren surfen per kaart van 9 €
Figuur 6-2 - Gemiddeld aantal klanten en aantal uren surfen per kaart voor “prepaid, nationwide”
48
De prijs per kaart is 9 € en blijft constant, maar het aantal uren die per kaart kan surfen stijgt wel van 3h tot 5h vanaf 2011. Voor het berekenen van de eigenlijke inkomsten wordt ook nog rekening gehouden met het aantal kaarten per jaar per klant.
6.4.3 Het “2nd residence” product
Voor de residentiële klanten wordt rekening gehouden met een percentage van alle Belgacom breedband klanten. Ook voor de business en corporate klanten wordt met een percentage van het bestaande aantal klanten rekening gehouden, waarbij voor corporate er een aantal gebruikers per bedrijf kunnen zijn.
"2nd residence" in "all services, nationwide" 500.000
21,00 €
450.000
20,00 €
400.000
19,00 €
350.000
18,00 €
300.000
17,00 €
250.000 16,00 €
200.000
15,00 €
150.000 100.000
14,00 €
50.000
13,00 €
0
12,00 € 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
ARPU
Figuur 6-3 – Evolutie gemiddeld aantal klanten en ARPU voor “2nd residence, nationwide”
Dit product is natuurlijk duurder dan het “nomadicity pack”, het daalt echter iets sterker. Voor de berekening van de inkomsten wordt ook nog rekening gehouden met het feit dat dit product een aantal nieuwe breedband klanten kan aantrekken. Dit omdat Belgacom voor het ogenblik niet echt sterk staat in dit doelsegment. 49
6.4.4 Het “stand-alone wireless broadband” product
Voor het laatste product wordt er, voor het gebied waar er dekking is, een marktpenetratie ten opzichte van het klassieke breedband product ingeschat. Op dit aantal wordt dan een marktaandeel voor Belgacom verrekend. Omdat men daarbij zijn huidige abonnement opzegt moet men rekening houden met kannibalisatie van de klassieke breedband inkomsten. Dit is het enige product waar het aantal klanten na verloop van tijd afneemt. Dit komt omdat het met WiMAX moeilijk is de evolutie van de snelheden van klassiek breedband te volgen, en daardoor dit product minder aantrekkelijk wordt. De prijsdaling van 60 € in 2007 tot 45 € in 2016 kan dit niet opvangen.
"Stand-alone wireless broadband" in "all services, nationwide" 30.000
65,00 €
25.000
60,00 €
20.000 55,00 € 15.000 50,00 € 10.000 45,00 €
5.000 0
40,00 € 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
ARPU
Figuur 6-4 Gemiddeld aantal klanten en ARPU voor “stand-alone wireless broadband, nationwide”
50
6.4.5 Totale inkomsten voor het “all services, nationwide” scenario In figuur 6-5 kan men de totale inkomsten zien voor het “all services” scenario met een “nationwide” dekking. De eerste vijf jaar groeien deze sterk, terwijl er vanaf 2014 een kleine daling is. Voor het “stand-alone wireless broadband” product daalt zowel het aantal klanten als de prijs, voor de andere producten blijft het aantal klanten ongeveer constant maar daalt de prijs wel verder.
Inkomsten "all services, nationwide"
140.000 k€ 120.000 k€ 100.000 k€ 80.000 k€ 60.000 k€ 40.000 k€ 20.000 k€ 0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd "nomadicity pack"
"prepaid"
"2nd residence"
"stand-alone wireless broadband"
Figuur 6-5 - Overzicht van de inkomsten voor het "all services, nationwide" scenario
6.4.6 De overgang van “nationwide” naar “urban” en “extended urban” Voor het berekenen van de inkomsten bij “urban” en “extended urban” wordt hetzelfde concept toegepast, enkel de parameters worden bijgesteld. Voor “nomadicity pack” en “stand-alone wireless broadband” kiezen we voor een daling van de prijs om de mindere dekking op te vangen. Voor de “prepaid” en “2nd residence” producten daarentegen laten we het percentage klanten die het product koopt dalen.
51
Inkomsten "all services, urban"
140.000 k€ 120.000 k€ 100.000 k€ 80.000 k€ 60.000 k€ 40.000 k€ 20.000 k€ 0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd "nomadicity pack"
"prepaid"
"2nd residence"
"stand-alone wireless broadband"
Figuur 6-6 - Overzicht van de inkomsten voor het "all services, urban" scenario
In figuren 6-6 en 6-7 ziet men de samenstelling van de inkomsten. Deze grafieken komen logischerwijs goed overeen met het “all services, nationwide” scenario
Inkomsten "all services, extended urban"
140.000 k€ 120.000 k€ 100.000 k€ 80.000 k€ 60.000 k€ 40.000 k€ 20.000 k€ 0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd "nomadicity pack"
"prepaid"
"2nd residence"
"stand-alone wireless broadband"
Figuur 6-7 - Overzicht van de inkomsten voor het "all services, extended urban" scenario
52
6.4.7 Het “nomadicity pack” scenario "Nomadicity pack, nationwide" 80.000 k€
600.000
70.000 k€ 500.000 60.000 k€ 400.000
50.000 k€
300.000
40.000 k€ 30.000 k€
200.000 20.000 k€ 100.000
10.000 k€
0
0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
Inkomsten
Figuur 6-8 - Evolutie gemiddeld aantal klanten en inkomsten voor “nomadicity pack, nationwide”
De inkomsten voor het “nomadicity pack” scenario worden berekend aan de hand van het aantal klanten voor de vier producten in het “all services” scenario. De gedachte hier achter is dat een deel van de “all services” klanten die niet opteerden voor het “nomadicity pack” nu wel zullen kiezen voor het “nomadicity pack” bij gebrek aan alternatieven.
"Nomadicity pack, urban" 80.000 k€
600.000
70.000 k€ 500.000 60.000 k€ 400.000
50.000 k€
300.000
40.000 k€ 30.000 k€
200.000 20.000 k€ 100.000
10.000 k€
0
0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
Inkomsten
Figuur 6-9 - Evolutie gemiddeld aantal klanten en inkomsten voor “nomadicity pack, urban”
53
6.4.8 Het “stand-alone wireless broadband” scenario "Stand-alone wireless broadband, nationwide" 40.000
18.000 k€
35.000
16.000 k€ 14.000 k€
30.000
12.000 k€
25.000
10.000 k€ 20.000 8.000 k€ 15.000
6.000 k€
10.000
4.000 k€
5.000
2.000 k€
0
0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
Inkomsten
Figuur 6-10 - Gem. aantal klanten en inkomsten, “stand-alone wireless broadband, nationwide”
Het “stand-alone wireless broadband” scenario neemt de structuur over van het overeenkomstige product in het “all services” scenario. De marktpenetratie wordt hier echter iets groter geschat, omdat ook hier een aantal klanten meer voor dit product kiezen door gebrek aan het “nomadicity pack” aanbod.
"Stand-alone wireless broadband, urban" 40.000
18.000 k€
35.000
16.000 k€ 14.000 k€
30.000
12.000 k€
25.000
10.000 k€ 20.000 8.000 k€ 15.000
6.000 k€
10.000
4.000 k€
5.000
2.000 k€
0
0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd Gemiddeld aantal klanten
Inkomsten
Figuur 6-11 - Gem. aantal klanten en inkomsten, “stand-alone wireless broadband, urban”
54
6.5 Berekenen van de bijhorende CAPEX
De berekening van de CAPEX volgt voor alle scenario’s dezelfde structuur. Doormiddel van het technische model die in het vorige hoofdstuk werd besproken is het mogelijk per scenario in te schatten hoeveel sites en sectoren men nodig heeft. Dit gaat er van uit dat men de sites op de ideale positie kan neerplanten. Omdat dit in de realiteit niet het geval is en men bovendien ook gebruik gaat maken van gedeelde sites wordt het benodigd aantal sites met 10% vergroot. Voor het bouwen van een eigen site, 15% van de gevallen, wordt 40.000 € gerekend voor het bouwen van de mast en de nodige voorzieningen. Deze investering wordt op 20 jaar afgeschreven. Verwacht wordt dat deze prijs zal stijgen in de tijd. De eigenlijke WiMAX apparatuur is nodig bij alle sites en wordt gesplitst in een vast deel per site en een deel per sector. Er wordt 15.000 € gerekend voor het vaste deel en 6.000 € per sector. Deze prijzen zullen, onder meer door schaal effecten en kosterosie, wel dalen. Deze apparatuur wordt afgeschreven op vijf jaar en wordt nadien ook vervangen. CAPEX per scenario 20.000 k€ 18.000 k€ 16.000 k€ 14.000 k€ 12.000 k€ 10.000 k€ 8.000 k€ 6.000 k€ 4.000 k€ 2.000 k€ 0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd "All services, nationwide"
"All services, urban"
"All services, extended urban"
"Nomadicity pack, nationwide"
"Nomadicity pack, urban"
"Stand-alone wireless broadband, nationwide"
"Stand-alone wireless broadband, urban"
Figuur 6-12 - CAPEX doorheen de tijd per scenario
55
Voor de verbinding van de site met het centrale netwerk, de “backhaul”, wordt een onderscheid gemaakt afhankelijk van de totale bitrate naar de site. Zolang de downstream snelheid onder de 25 Mbps blijft kan er gebruik gemaakt worden van VDSL technologie en hoeft er geen investering te gebeuren. Stijgt dit na verloop van tijd, dan moet geïnvesteerd worden in een fiber verbinding. Hiervoor wordt 5.250 € gerekend en wordt ook afgeschreven op vijf jaar. De laatste investering die moet gebeuren is voor de centrale infrastructuur zoals de WiMAX Access Controller, routers en “Operations and Maintenance” infrastructuur. Hiervoor wordt 400.000 € uitgetrokken. Ook dit wordt afgeschreven op vijf jaar en nadien vervangen.
6.6 De OPEX
Net als voor de CAPEX wordt voor de OPEX van elk scenario een gelijkaardige berekening gemaakt.
De eerste drie posten houden verband met het verkopen van het product. De eerste is het marketing budget. Voor het “all services” scenario wordt voor “nationwide”, “urban” en “extended urban” respectievelijk 2.000 k€, 1.000 k€ en 1.400 k€ uitgetrokken, terwijl het voor de andere twee scenario’s 1.000 k€ voor “nationwide” en 600 k€ voor “urban” bedraagt. Vervolgens wordt een “cost of sales” verrekend. Hiervoor wordt per nieuwe klant 10% gerekend van zijn inkomsten voor het eerste jaar. Onder de derde post vallen promoties die georganiseerd worden. Zo wordt gerekend dat voor de helft van de nieuwe klanten de eerste twee maanden gratis zijn. Voor de “cost of sales” en voor de promoties wordt rekening gehouden met een verloop van bestaande klanten, de churn, van 5%. 56
Voor de “Helpdesk” wordt de kost van een aantal extra personeelsleden voorzien. Dit aantal wordt gedimensioneerd aan de hand van het aantal oproepen die een klant maakt per jaar, met een onderscheid tussen nieuwe en bestaande klanten.
Ook voor het beheer van het netwerk worden een aantal mensen voorzien. Dit wordt berekenend aan de hand van het aantal sites en sectoren die men dat jaar beheert. Hierbij wordt de planning van nieuwe sites apart bekeken .
Voor het onderhoud van de apparatuur worden onderhoudscontracten afgesloten met de leveranciers. Voor de centrale infrastructuur wordt 20% van de aankoopkost gerekend, voor de overige apparatuur 5%. Deze kost loopt pas vanaf het jaar na het jaar van de aankoop.
Ook de licentie voor het gebruik van het spectrum wordt verrekend in de OPEX. Elk jaar wordt een vast bedrag betaald afhankelijk van de dekking. Dit bedrag werd bepaald in verhouding tot de Belgische UMTS licenties. Voor “nationwide”, “urban” en “extended urban” bedraagt het respectievelijk 5.625 k€, 1.875 k€ en 2.813 k€.
OPEX per scenario 50.000 k€ 45.000 k€ 40.000 k€ 35.000 k€ 30.000 k€ 25.000 k€ 20.000 k€ 15.000 k€ 10.000 k€ 5.000 k€ 0 k€ 2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
Tijd "All services, nationwide"
"All services, urban"
"All services, extended urban"
"Nomadicity pack, nationwide"
"Nomadicity pack, urban"
"Stand-alone wireless broadband, nationwide"
"Stand-alone wireless broadband, urban"
Figuur 6-13 - Evolutie van de totale OPEX per scenario
57
Voor de backhaul wordt 500 € per jaar gerekend indien er minder dan 25 Mbps downstream nodig is, in het andere geval komt dit op 3.000 € per jaar.
De laatste posten voor de OPEX betreffen de kosten verbonden aan de sites. Voor de eigen sites wordt een “lease and maintenance” kost gerekend van 5.000€ per jaar. De gedeelde sites kosten 6.000 € per jaar. Omdat de eigen sites ook gedeeld kunnen worden, worden daar ook nog wat inkomsten voor verrekend.
6.7 Evaluatie van de scenario’s
Voor elk van de zeven scenario’s kan men de “free cash flow’s” die dit zou opleveren berekenen. Deze worden weergegeven in figuur 6-14.
Free cash flow per scenario 70.000 k€ 60.000 k€ 50.000 k€ 40.000 k€ 30.000 k€ 20.000 k€ 10.000 k€ 0 k€ -10.000 k€
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
-20.000 k€ Tijd "All services, nationwide"
"All services, urban"
"All services, extended urban"
"Nomadicity pack, nationwide"
"Nomadicity pack, urban"
"Stand-alone wireless broadband, nationwide"
"Stand-alone wireless broadband, urban"
Figuur 6-14 - Evolutie van de free cash flow per scenario
58
Over 5 jaar NPV IRR "All services, nationwide" -1,9 k€ 7,2% "All services, urban" 7,8 k€ 42,1% "All services, extended urban" 6,2 k€ 30,6% "Nomadicity pack, nationwide" -3,5 k€ 2,5% "Nomadicity pack, urban" 6,0 k€ 45,4% "Stand-alone wireless broadband, nationwide" -19,7 k€ "Stand-alone wireless broadband, urban" -4,2 k€ -
Over 10 jaar NPV IRR 114,9 k€ 51,6% 86,8 k€ 83,3% 92,0 k€ 74,3% 65,5 k€ 46,2% 48,8 k€ 79,8% -23,9 k€ -5,1 k€ -
Payback periode < 6 jaar < 5 jaar < 5 jaar < 6 jaar < 5 jaar nooit nooit
Tabel 6-5 - NPV, IRR en Payback periode voor alle scenario's
De verschillende scenario’s worden geëvalueerd aan de had van de Net Present Value (NPV) en Internal Rate of Return (IRR) technieken. De NPV is de som van de geactualiseerde free cash flow’s. Voor de NPV wordt met een rentevoet van 10% rekening gehouden. Hoe positiever de NPV hoe interessanter de investering. De IRR geeft een indicatie van het rendement.
Men merkt op dat de “stand-alone wireless broadband” scenario’s helemaal niet rendabel zijn. Doordat de WiMAX technologie de snellere bitrates die er aankomen voor de DSL en DOCSIS technologieën niet kan volgen is het product vrij snel niet meer competitief. Bovendien was het aantal klanten reeds vrij beperkt. De “nomadic pack” en “all services” scenario’s zijn wel interessant. Deze kunnen profiteren van het feit dat Belgacom reeds beschikt over een uitgebreid breedband cliënteel. Op korte termijn, vijf jaar, is een kleinere oppervlakte steeds aantrekkelijker, op langere termijn, tien jaar, is de “nationwide” dekking het meest rendabel.
Uit deze resultaten kan men besluiten dat het “all services” scenario de beste keuze is. Waarbij men begint met een “urban” dekking en na enkel jaren de dekking verder uitbreidt. Op dat moment heeft men ook reeds ervaring met WiMAX om de gebruikte parameters in het model en de cijfers uit de business case te verfijnen.
59
Hoofdstuk 7: Conclusies
In de eerste hoofdstukken werd de WiMAX technologie vergeleken met andere technieken zoals DSL en DOCSIS, UMTS en WLAN. Hieruit kon men leren dat WiMAX zijn eigen specifieke kenmerken heeft en niet onmiddellijk vergelijkbaar is met de andere standaarden en een aantal voordelen bezit. Anderzijds is duidelijk dat het niet de ultieme standaard is die de andere technologieën zal vervangen, maar wel potentieel heeft om door te groeien tot een belangrijke technologie in de mobiele wereld, tussen UMTS en WLAN.
De technologie achter WiMAX werd ontwikkeld binnen het IEEE als de IEEE 802.16 standaard. Het WiMAX Forum neemt de promotie en certificering op zich. Er bestaan twee versies: Fixed WiMAX, die momenteel reeds beschikbaar is, en Mobile WiMAX, waarvan de eerste toestellen pas echt zullen beschikbaar komen in 2007. Doordat Mobile WiMAX de voordelen van Fixed WiMAX combineert met mobiliteit, ziet het er naar uit dat Fixed WiMAX niet zal doorgroeien en de toekomst Mobile WiMAX toebehoort. Vele grote spelers uit de computer en telecom wereld hebben reeds hun geloof in WiMAX geuit, dit doet vermoeten dat er snel voldoende apparatuur zal beschikbaar zijn. Hierbij is een Centrino scenario, waarbij de ontvanger volledig in een laptop wordt geïntegreerd, een belangrijke stap naar succes.
Het bestuderen van de specificaties van WiMAX leert dat het vanuit technologisch standpunt een evolutie is van de WLAN technieken. Toepassingen van de technologie zijn echter te vergelijken met UMTS. WiMAX is volledig IP georiënteerd en ontwikkeld om deel uit te maken van moderne “next generation” kernnetwerken.
60
Om na te gaan wat de mogelijkheden zijn van WiMAX inzake bitrates en bereik is een technisch model ontwikkeld. Dit model berekent het aantal sites die je nodig hebt om in een bepaald gebied een aantal gebruikers van een bepaalde bitrate te voorzien.
Het technische model wordt gebruikt voor het uitwerken van een aantal concrete business cases voor het aanbieden van WiMAX diensten op de Belgische markt. Deze scenario’s worden uitgewerkt vanuit het standpunt van Belgacom en leveren een aantal interessante conclusies op. Zo is het scenario waarbij een product aangeboden wordt die de klassieke, bekabelde breedband verbinding volledig moet vervangen niet rendabel. Oorzaak hiervan is de verdere ontwikkeling van de bekabelde standaarden en de tendens naar triple play, waardoor een eigen bekabelde verbinding ook in de toekomst nog steeds heel wat meerwaarde zal bieden.
Scenario’s waarbij een mobiel internet pakket, een zogenaamd nomadicity pack, aangeboden wordt als optie bovenop de klassieke breedbandverbinding zijn wel rendabel. Hierbij is het feit dat Belgacom over een groot aantal breedband klanten beschikt een belangrijk voordeel. Het meest intressant is het scenario met verschillende producten voor verschillende doelgroepen, van een instap prepaid kaart over een ongelimiteerde 512 kbps verbinding tot een volwaardige 3 Mbps verbinding voor de intensieve gebruikers. Voorts blijkt dat het aangewezen is in de komende jaren de dekking tot de stedelijke gebieden te beperken en pas na enkele jaren een nationale dekking te overwegen.
61
Deze conclusies gelden in de eerste plaats voor Belgacom, maar zijn ook geldig voor andere breedband operatoren met een groot klanten bestand. Hoewel het voor kleinere spelers moeilijker is om het project rendabel te maken kan het om strategische reden toch interessant zijn. Hoewel hier blijkt dat WiMAX als vervanging voor een bekabelde verbinding niet interessant is is het mogelijk dat kleine niche spelers in dit segment toch overleven. Hierbij kan de mobiliteit uitgespeeld worden om het gebrek aan performantie op te vangen.
***
WiMAX verdient zijn plaats tussen de andere mobiele technologieën en zal ongetwijfeld in de komende jaren in België geïntroduceerd worden.
62
Appendix A: Grafische interface van het technische model
63
Appendix B: De business case
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
Appendix C: CD-ROM
74
Referenties 1. Ericsson (2006), “WiMAX – Copper in the air” 2. Gonzalez M. D., Siemens, “WiMAX: the successor to Wi-Fi? the end of HSDPA ?”, presentatie voor het “Belgian Broadband Platform” op 8 november 2005 3. Hendrickx D., Alcatel, “WiMAX: the Fables, the Reality, and its Use.”, presentatie voor het “Belgian Broadband Platform” op 8 november 2005 4. International Engineering Consortium, “OFDM for Mobile Data Communications” 5. IEEE 802.16 Working Group (2004), “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems.”, IEEE, New York 6. IEEE 802.16 Working Group (2006), “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems. Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands.”, IEEE, New York 7. IEEE 802.16 Working Group (2003), “Channel Models for Fixed Wireless Applications”, IEEE, New York 8. Telephony (2004), “Telephony’s Complete Guide To WiMAX” 9. WiMAX Forum (2004), “Business Case Models for Fixed Broadband Wireless Access based on WiMAX Technology and the 802.16 Standard” 10. WiMAX Forum (2006), “Mobile WiMAX – Part 1: A Technical Overview and Performance Evaluation” 11. WiMAX Forum (2006), “Mobile WiMAX – Part 2: A Comparative Analysis”
75
12. WiMAX Forum (2005), “WiMAX Forum Certification of Broadband Wireless Systems” 13. WiMAX Forum (2004), “Regulatory position and goals of the WiMAX Forum”
76
77
