Scriptie Bruno Quinart WiMAX - Universiteit Gent

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 add-

on package on the existing broadband product and

as a prepaid formula.

A deployment limited to urban area’s in a first

phase is shown to be the best.

Inhoudsopgave

HOOFDSTUK 1: INTRODUCTIE............................................................... 1

1.1 Inleiding en achtergrond...........................................................................................1

1.2 Structuur van de scriptie ...........................................................................................2

HOOFDSTUK 2: BREEDBAND NETWERKEN....................................... 3

2.1 Architectuur van breedband netwerken ................................................................3

2.1.1 Toegangsnetwerken ...................................................................................................................................3 2.1.2 Kernnetwerken ..........................................................................................................................................4

2.2 Technologieën voor het breedband toegangsnetwerk ........................................4

2.2.1 DSL ...........................................................................................................................................................4 2.2.2 DOCSIS ....................................................................................................................................................6 2.2.3 Fiber...........................................................................................................................................................6 2.2.4 UMTS .......................................................................................................................................................7 2.2.5 IEEE 802.11 ..............................................................................................................................................7

2.3 Breedband markt in België .......................................................................................8

2.3.1 Bekabelde toegang......................................................................................................................................8 2.3.2 Mobiele toegang.........................................................................................................................................9 2.3.3 Huidige ontwikkelingen ..........................................................................................................................10

HOOFDSTUK 3: DE WIMAX STANDAARDEN .................................. 12

3.1 Ontstaan en evolutie ................................................................................................12

3.2 Het WiMAX forum ...................................................................................................13

3.3 Fixed WiMAX en Mobile WiMAX ........................................................................13

3.4 Verhouding tot andere technologieën ..................................................................14

3.4.1 IEEE 802.11 ............................................................................................................................................14 3.4.2 UMTS en HSDPA ..................................................................................................................................16 3.4.3 DSL en DOCSIS .....................................................................................................................................16

3.5 Mogelijke applicaties...............................................................................................17

HOOFDSTUK 4: TECHNISCHE SPECIFICATIES VAN WIMAX .... 19

4.1 Frequentie en bandbreedte .....................................................................................19

4.2 De OFDM modulatie................................................................................................20

4.3 Allocatie van de OFDM subdragers......................................................................21

4.4 Modulatie van de subdragers .................................................................................23

4.5 Guard interval ...........................................................................................................25

4.6 Duplex techniek ........................................................................................................26

4.7 Geavanceerde antenne systemen...........................................................................28

4.8 Architectuur van een Mobile WiMAX netwerk..................................................29

4.9 CPE roadmap .............................................................................................................30

HOOFDSTUK 5: TECHNISCH MODEL................................................. 32

5.1 Doel..............................................................................................................................32

5.2 Het link budget .........................................................................................................33

5.2.1 Het basisstation .......................................................................................................................................34 5.2.2 De ontvanger ...........................................................................................................................................34 5.2.3 De kanaa bandbreedte en uplink subchanneling gain .............................................................................35 5.2.4 Het type bebouwing.................................................................................................................................36 5.2.5 De indoorpenetratie .................................................................................................................................36 5.2.6 De fade margin ........................................................................................................................................36 5.2.7 De modulatieschema’s .............................................................................................................................37 5.2.8 Het linkbudget berekenen ........................................................................................................................37

5.3 Het propagatiemodel................................................................................................38

5.4 De oppervlakte van een cel .....................................................................................40

5.5 De bitrate per sector .................................................................................................41

5.6 Benodigd aantal sites en sectoren..........................................................................42

HOOFDSTUK 6: DE BUSINESS CASE ................................................... 44

6.1 Inleiding .....................................................................................................................44

6.2 De verschillende scenario’s ....................................................................................44

6.3 Geografische afbakening ........................................................................................46

6.4 Inschatten van de inkomsten..................................................................................47

6.4.1 Het “nomadicity pack” product ..............................................................................................................47 6.4.2 Het “prepaid” product.............................................................................................................................48 6.4.3 Het “2nd residence” product...................................................................................................................49 6.4.4 Het “stand-alone wireless broadband” product.......................................................................................50 6.4.5 Totale inkomsten voor het “all services, nationwide” scenario ...............................................................51 6.4.6 De overgang van “nationwide” naar “urban” en “extended urban”......................................................51 6.4.7 Het “nomadicity pack” scenario..............................................................................................................53 6.4.8 Het “stand-alone wireless broadband” scenario ......................................................................................54

6.5 Berekenen van de bijhorende CAPEX..................................................................55

6.6 De OPEX .....................................................................................................................56

6.7 Evaluatie van de scenario’s .....................................................................................58

HOOFDSTUK 7: CONCLUSIES................................................................ 60

APPENDIX A: GRAFISCHE INTERFACE VAN HET TECHNISCHE

MODEL ............................................................................................................. 63

APPENDIX B: DE BUSINESS CASE........................................................... 64

APPENDIX C: CD-ROM................................................................................ 74

REFERENTIES ................................................................................................. 75

Afkortingen

3G 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

1

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.

2

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.

3

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

4

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

5

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.

6

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

7

hoge kost voor het uitrollen van een volledig glasvezel netwerk is deze technologie

behalve in Japan en Zuid-Korea (door de overheid gesubsidieerd) nog nergens

doorgebroken. Er zijn verschillende standaarden ontwikkeld die hogere snelheden

aanbieden dan wat andere technologieën (zie tabel 2-1).

Naam Architectuur Downstream snelheden

APON, BPON ITU-T G983.x Point-to-multipoint 155 Mbps tot 1,24 Gbps

GPON ITU-T G984.x Point-to-multipoint 1,2 Gbps tot 2,4 Gbps

EPON IEEE 802.3ah Point-to-multipoint 1,2 Gbps

Ethernet Point to point IEEE 802.3ah eITU-T G.985

Point-to-point 100 Mbps tot 1 Gbps

Tabel 2-1 - Enkele klassieke standaarden voor fiber netwerken

2.2.4 UMTS

De belangrijkste nieuwe technologie in de “GSM wereld” is vandaag UMTS

(Universal Mobile Telecommunications System). De meeste operatoren in Europa

zijn reeds enkele jaren ver in het uitbouwen van hun UMTS netwerk. De snelheden

die bekomen worden, rondom de 384 kbps, zijn echter niet te vergelijken met wat

men gewoon is van breedband internet, van 3 Mbps tot 10 Mbps. Bovendien is het

huidige aanbod duur waardoor het geen groot succes is. Momenteel wordt de

introductie van High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) voorbereid, welke

snelheden tot enkele Mbps voor de eindgebruiker moet mogelijk maken. De

capaciteit per basisstation is echter beperkt.

2.2.5 IEEE 802.11

Een technologie die de laatste jaren volledig is doorgebroken is IEEE 802.11 of

wireless lan (WLAN). Vandaag is zowat elke laptop standaard uitgerust met WLAN

en is de apparatuur voor het opzetten van een draadloos netwerk bij je thuis

gemeengoed en goedkoop geworden.

8

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.

9

Belgacom (DSL)

51%

Telenet (DOCSIS)

31%

Andere kabel

(DOCSIS)

7%

Scarlet (DSL)

4%

Andere

2%

Tele2 (DSL)

5%

c

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.

Proximus

50%

Mobistar

30%

Base

20%

Figuur 2-5 – Marktaandelen mobiele operatoren in België eind 2004 (Bron: analyse jaarverslagen)

10

Proximus en Mobistar bieden momenteel UMTS diensten aan. De dekking is daarbij

beperkt tot de grotere steden. Alle drie de operatoren hebben aangekondigd dat ze

eind 2006 zullen klaar zijn om HSDPA in gebruik te nemen.

Product Prijs Duur

Belgacom - Hotspot Extra Time Limited Enkel voor Belgacom DSL klanten

15 € 5h

Belgacom - Hotspot Time Pack Enkel voor Belgacom DSL klanten

10 € / maand

10h

Belgacom - Voucher 7,50 € 1h surfen

Telenet - Voucher 9,99 € 1h surfen

Telenet – Abonnement Enkel voor Telenet internet klanten

9,95 € /maand

ongelimiteerd

Tabel 2-2 –WLAN formules aangeboden door Belgische operatoren (Bron: website van operator)

Een andere manier om mobiel breedband internet aan te bieden is via WLAN. Zowel

Telenet als Belgacom hebben de laatste jaren een netwerk van hotspots uitgebouwd.

Zo beschikt Telenet vandaag over ongeveer 1200 hotspots en Belgacom over 650

hotspots in publieke ruimtes als tankstations en hotels. De totale dekking blijft echter

beperkt. In tabel 2-2 wordt het aanbod vergeleken. Deze WLAN diensten worden

zowel als aanvulling verkocht op het bestaande breedband internet abonnement als

als alleenstaand product. Zo kan men bijvoorbeeld bij Telenet voor 9,95€ extra per

maand bovenop het normale breedband abonnement onbeperkt surfen via alle

Telenet hotspots.

2.3.3 Huidige ontwikkelingen

Belangrijkste tendens is het opkomen van “triple play” of zelf “quadruple play”,

waarbij telefonie (eventueel ook mobiele telefonie), breedband internet en televisie

door hetzelfde bedrijf in een pakket aangeboden worden. Zo heeft Telenet een

akkoord met Mobistar om zijn eigen mobiele diensten te verkopen waardoor het de

vier hoger vermelde diensten kan gaan aanbieden. Anderzijds is Belgacom in 2005

11

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

12

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.

13

3.2 Het WiMAX forum

In 2001 werd het WiMAX Forum opgericht, waarbij WiMAX staat voor Worldwide

Interoperability for Microwave Access. Deze non-profit organisatie heeft tot doel de

ontplooiing van de IEEE 802.16 standaarden wereldwijd te promoten.

Airspan Networks Fujitsu Samsung

Alvarion Intel Corporation Sprint Nextel

Aperto Networks KT Corp. Wi-LAN

AT&T Motorola ZTE Corporation

British Telecom

Tabel 3-2 - WiMAX forum logo en board members

De oprichters en leden van het forum zijn voornamelijk de hardware specialisten die

ook aan de IEEE 802.16 werkgroep deelnemen, maar ook telecom operatoren,

Customer-Premises Equipment (CPE) fabrikanten en andere betrokken partijen.

Omdat de brede IEEE 802.16 standaard te veel verschillende technieken en

parameters bevat, stelt het WiMAX Forum specifieke profielen op voor de hardware.

Deze profielen mandateren een specifieke fysische laag, een bepaalde frequentie, een

beperkt aantal kanaalbandbreedtes, enz… Op die manier kan een goede

compatibiliteit gegarandeerd worden tussen de producten van de verschillende

constructeurs. Het WiMAX Forum organiseert ook zelf het testen en certifiëren (zie

ook referentie 12).

Men kan stellen dat het WiMAX Forum voor de IEEE 802.16 standaard is wat de Wi-

Fi Alliance is voor de IEEE 802.11 standaard.

3.3 Fixed WiMAX en Mobile WiMAX

De twee belangrijkste families van profielen zijn deze voor Fixed WiMAX en voor

Mobile WiMAX.

14

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.

15

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

16

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.

17

3.5 Mogelijke applicaties

De WiMAX technologie wordt vandaag het meest gebruikt door de “fixed wireless

broadband” operatoren. In heel wat landen zijn er kleinschalige operatoren actief.

Zo is er in België het Amerikaanse Clearwire dat een klassiek breedband aanbod

heeft en daarvoor gebruik maakt van zogenaamde “preWiMAX” technologie

(gelijkaardig aan IEEE 802.16-2004). De dekking van hun netwerk is voorlopig echter

beperkt tot Brussel.

Product Prijs/maand Downstream Upstream

Clearwire Freedom Light 28,99 € 1 Mbps 128 Kbps

Clearwire Freedom Premium 38,99 € 3 Mbps 256 Kbps

Belgacom ADSL Light 38,99 € 0,5 Mbps 128 Kbps

Belgacom ADSL Go 39,95 € 4 Mbps 256 Kbps

Telenet ComfortNet 28,99 € 0,5 Mbps 128 Kbps

Telenet ExpressNet 38,99 € 10 Mbps 256 Kbps

Tabel 3-3 - Aanbod Clearwire in vergelijking met Belgacom en Telenet

In veel minder-ontwikkelde landen zijn heel wat plannen in de maak om WiMAX

netwerken te gebruiken om snel en vrij goedkoop grote bevolkingsgroepen, die nu

geen toegang hebben tot een bekabeld netwerk, te bereiken. Zo kondigde

bijvoorbeeld in mei 2006 een Pakistaanse operator aan te starten met de uitbouw van

een IEEE 802.16e-2005 netwerk met Motorola technologie.

Een andere belangrijke toepassing van WiMAX is het aanbieden van draadloos

breedband internet. Dit is het scenario met het grootste potentieel. Belangrijk hierbij

is dat de apparatuur van de eindgebruiker een zelfde evolutie moet doormaken als

bij WLAN, waarbij nu elke laptop er standaard mee uitgerust is. Dat Intel, die met

het Centrino pakket voor de doorbrak van WLAN zorgde, achter WiMAX staat is

daarbij goed meegenomen.

18

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.

19

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

20

Net als de frequentieband is er ook flexibiliteit in de kanaalbandbreedte. Kanalen van

1,25 MHz tot 20 MHz zijn mogelijk. Het WiMAX Forum certifieert voor Fixed

WiMAX bandbreedtes van 3,5 MHz en 7 MHz voor de 3,5 GHz band.

Voor Mobile WiMAX spreekt men in de standaard over kanaalbandbreedtes van 1,25

MHz, 5 MHz, 10 MHz en 20 MHz. Door de specifieke modulatietechniek die in

Mobile WiMAX gebruikt wordt is het mogelijk de verschillende kanaalbandbreedtes

te ondersteunen met dezelfde hardware. De 20 MHz kanalen zullen in het begin

echter nog niet ondersteund worden.

4.2 De OFDM modulatie

Als modulatietechniek wordt gebruik gemaakt van OFDM (Orthogonal Frequency-

Division Multiplexing). Bij deze complexe techniek wordt de beschikbare

kanaalbandbreedte in de frequentie ruimte opgesplitst in kleinere subkanalen met

een eenvoudigere modulatie. Het gebruik van verschillende subkanalen lijkt op

klassieke FDM (Frequency Division Multiplexing) waarbij het frequentie spectrum

wordt opgesplitst.

Bij OFDM zijn de verschillende kanalen echter orthogonaal tegen over elkaar, hierbij

treedt het maximum van de ene subdrager precies op bij een frequentie waarop alle

andere subdragers gelijk zijn aan nul. Dit wordt geïllustreerd in figuur 4-2. Hierdoor

kan hun frequentie spectrum overlappen zonder onderlinge interferentie. Op deze

manier kan men de verschillende kanalen dichter bij elkaar leggen dan bij klassieke

FDM en wordt het spectrum optimaal gebruikt. Bovendien is deze modulatie beter

bestand tegen frequentieselectieve fading. In referentie 4 wordt OFDM uitgebreid

besproken.

Deze moderne modulatietechniek wordt onder meer gebruikt in DSL, DAB, DVB-T

en de laatste WLAN technieken.

21

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.

22

Verspreid tussen de eigenlijke data dragers liggen “pilot carriers” die gebruikt

worden voor het afstellen van de zender.

Mobile WiMAX Uplink Downlink Fixed WiMAX

PUSC AMC PUSC AMC

Totaal aantal dragers 256 512 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%

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

23

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.

24

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.

25

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.

26

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

27

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.

28

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

29

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.

30

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

31

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.

32

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”.

33

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.

34

5.2.1 Het basisstation

De gebruiker kan voor het basisstation kiezen uit de profielen “Standard

Basestation”, “BS 4 antenna with AAS” en “BS 4 antenna with AAS and MIMO”,

waarbij de basisstations die nu op de markt komen vallen in de categorie “BS 4

antenna with AAS”.

Standard Basestation

BS 4 antenna with AAS

BS 4 antenna with AAS

and MIMO

Downlink transmission power 35 dB 35 dB 35 dB

Downlink transmitter antenna gain 16 dB 16 dB 16 dB

Other downlink transmitter gain -2 dB 9 dB 12 dB

Uplink receiver antenna gain 16 dB 16 dB 16 dB

Other uplink receiver gain 4 dB 7 dB 10 dB

Uplink receiver noise floor 5 dB 5 dB 5 dB Tabel 5-1 - Basisstation profielen met hun parameters

Elk profiel bevat de waarden voor de zes parameters die nodig zijn voor het bereken

van het linkbudget. Deze waarden zijn gespecificeerd bij de parameters in de Excel

sheet en zijn gebaseerd op de informatie die beschikbaar is van de constructeurs.

Deze kunnen echter simpelweg vervangen worden door andere waarden indien dit

nodig zou zijn, indien er bijvoorbeeld betere hardware beschikbaar komt.

5.2.2 De ontvanger

Hier moet de gebruiker een keuze maken uit “Portable CPE” of “Mobile CPE”,

waarbij het eerste staat voor toestellen zoals die vandaag beschikbaar zijn en onder

het tweede toekomstige toestellen zoals de PCMCIA kaarten en de in de laptop

geïntegreerde toestellen vallen.

Ook hier bevat elk profiel zes parameters die indien nodig aangepast kunnen

worden.

35

Portable CPE Mobile CPE

Downlink receiver antenna gain 6 dB 2 dB

Other downlink receiver gain 0 dB 0 dB

Downlink receiver noise floor 6 dB 6 dB

Uplink transmission power 27 dB 27 dB

Uplink transmitter antenna gain 6 dB 2 dB

Other uplink transmitter gain 0 dB 0 dB Tabel 5-2 - Ontvanger profielen met hun parameters

5.2.3 De kanaa bandbreedte en uplink subchanneling gain

Dit is een parameter die niet alleen een invloed heeft op het linkbudget, maar ook de

capaciteit van een sector bepaald. Men kan kiezen uit 1,25 MHz, 5 MHz, 10 MHz en

20 MHz, waarbij 10 MHz vandaag de meest courante is.

Number of OFDM

subcarriers

Number of data subcarriers

1,25 MHz 128 72

5 MHz 512 360

10 MHz 1024 720

20 MHz 2048 1440

Tabel 5-3 - Parameters voor elke kanaalbandbreedte

Voor elke bandbreedte bevat het model het aantal OFDM subdragers en hoeveel

daarvan voor data gebruikt worden. Hoewel de parameter kan gewijzigd worden is

het aantal data subdragers steeds constant. Voor Mobile WiMAX, die gebruik maakt

van SOFDMA, is dit een vereenvoudiging, daar het verschillende profielen gebruikt

met een verschillend aantal data subdragers. Voor de uplink komt daar bij dat men

nauwelijks op alle subdragers tegelijk data zal versturen, om dit effect op te vangen

is er de “Uplink subchanneling gain” parameter. Indien men er van uitgaat dat een

subkanaal gebruikt wordt met de helft van de datadragers kan men op 3 dB rekenen.

Dit is een voorzichtige veronderstelling.

36

5.2.4 Het type bebouwing

De bebouwing belemmert de uitgezonden elektromagnetische signalen. Doordat het

gebruikte propagatiemodel hier niet voldoende rekening mee houdt wordt een extra

correctie op het linkbudget uitgevoerd. De mogelijkheden die de gebruiker kan

selecteren en de bijhorende correctie, die indien gewenst aangepast kan worden,

worden in onderstaande tabel weergegeven.

Correctie

Rural +5 dB

Suburban 0 dB

Urban -3 dB

Dense urban -4 dB Tabel 5-4 - De verschillende types bebouwing

5.2.5 De indoorpenetratie

Bij alle Mobile WiMAX toestellen is de antenne ingebouwd. Omdat men ook binnen

gebouwen dekking wenst, moet men rekening houden met de verzwakking van het

signaal door het gebouw, dit is de indoorpenetratie. Deze parameter moet de

gebruiker zelf ingeven. In de literatuur vindt men hiervoor waarden van 10 dB tot

20dB. Ik heb gekozen voor een voorzichtige 18 dB.

5.2.6 De fade margin

Met fading wordt het effect bedoeld dat de sterkte van een signaal op een vaste plek

kan variëren in de tijd. Dit komt naast shadowing, waarbij de sterkte van het signaal

verschillend kan zijn op verschillende plaatsen op dezelfde afstand van de zender.

Shadowing zit wel in het propagatiemodel, dit wordt besproken in paragraaf 5.3. De

gebruiker van het model moet hier zelf een waarde ingeven. De verschillende

propagatiemodellen gebruiken soms sterk verschillende waarden, al dan niet door

het samennemen van fade margin en shadowing. Omdat er reeds een belangrijke

37

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

BPSK 1/2 6,4 dB 0,5

QPSK 1/2 9,4 dB 1

QPSK 3/4 11,2 dB 1,5

16-QAM 1/2 16,4 dB 2

16-QAM 3/4 18,2 dB 3

64-QAM 2/3 22,7 dB 4

64-QAM 3/4 24,4 dB 4,5

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.

38

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 Erceg-

Greenstein model wordt genoemd (referentie 7). Dit propagatiemodel is gebaseerd

op uitgebreide experimentele metingen in de Verenigde Staten.

Vergelijking 5-2 - Het Erceg-Greenstein model

39

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.

40

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.

41

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

42

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

43

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.

44

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

45

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.

Downstream

snelheid Upstream snelheid

Nomadicity pack 512 Mbps 128 kbps

Stand-alone wireless broadband 3 Mbps 256 kbps

All services

Nomadicity pack 512 Mbps 128 kbps

Prepaid (beperkt aantal uur) 512 Mbps 128 kbps

2nd residence 3 Mbps 256 kbps

Stand-alone wireless broadband 3 Mbps 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

46

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 15%

Urban 787 62% 1.865.026 72%

Suburban 461 36% 315.072 12%

Rural 0 0% 0 0%

Totaal (en % tov België) 1276 4% 2.575.084 25%

Tabel 6-2 - Beschrijving van het "Urban" gebied

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


Dense urban 28 0% 394.986 4%

Urban 1529 6% 2.904.215 28%

Suburban 5653 23% 3.446.742 34%

Rural 17280 71% 3.484.112 34%


Tabel 6-3 - Beschrijving van het "Nationwide" gebied

Voor het derde scenario wordt ook nog een “extended urban” gebied bekeken

waarbij bij de tien grootste steden de kuststrook is toegevoegd.

Extended urban


Dense urban 28 2% 394.986 14%

Urban 855 53% 1.967.018 71%

Suburban 585 36% 379.856 14%

Rural 149 9% 40.492 1%


Tabel 6-4 - Beschrijving van het "Extended urban" gebied

47

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"

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

10,00 €

10,50 €

11,00 €

11,50 €

12,00 €

12,50 €

13,00 €

13,50 €

Gemiddeld aantal klanten ARPU

Figuur 6-1 - Evolutie gemiddeld aantal klanten en ARPU voor “nomadicity pack, nationwide”

48

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"

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

2,0 h

2,5 h

3,0 h

3,5 h

4,0 h

4,5 h

5,0 h

5,5 h

6,0 h

Gemiddeld aantal klanten Uren surfen per kaart van 9 €

Figuur 6-2 - Gemiddeld aantal klanten en aantal uren surfen per kaart voor “prepaid, nationwide”

49

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"

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

400.000

450.000

500.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

12,00 €

13,00 €

14,00 €

15,00 €

16,00 €

17,00 €

18,00 €

19,00 €

20,00 €

21,00 €


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.

50

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"

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

40,00 €

45,00 €

50,00 €

55,00 €

60,00 €

65,00 €


Figuur 6-4 Gemiddeld aantal klanten en ARPU voor “stand-alone wireless broadband, nationwide”

51

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"

0 k€

20.000 k€

40.000 k€

60.000 k€

80.000 k€

100.000 k€

120.000 k€

140.000 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.

52

Inkomsten "all services, urban"

0 k€

20.000 k€

40.000 k€

60.000 k€

80.000 k€

100.000 k€

120.000 k€

140.000 k€

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd


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"

0 k€

20.000 k€

40.000 k€

60.000 k€

80.000 k€

100.000 k€

120.000 k€

140.000 k€

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd


Figuur 6-7 - Overzicht van de inkomsten voor het "all services, extended urban" scenario

53

6.4.7 Het “nomadicity pack” scenario

"Nomadicity pack, nationwide"

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

0 k€

10.000 k€

20.000 k€

30.000 k€

40.000 k€

50.000 k€

60.000 k€

70.000 k€

80.000 k€

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"

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

0 k€

10.000 k€

20.000 k€

30.000 k€

40.000 k€

50.000 k€

60.000 k€

70.000 k€

80.000 k€


Figuur 6-9 - Evolutie gemiddeld aantal klanten en inkomsten voor “nomadicity pack, urban”

54

6.4.8 Het “stand-alone wireless broadband” scenario

"Stand-alone wireless broadband, nationwide"

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

0 k€

2.000 k€

4.000 k€

6.000 k€

8.000 k€

10.000 k€

12.000 k€

14.000 k€

16.000 k€

18.000 k€


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"

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd

0 k€

2.000 k€

4.000 k€

6.000 k€

8.000 k€

10.000 k€

12.000 k€

14.000 k€

16.000 k€

18.000 k€


Figuur 6-11 - Gem. aantal klanten en inkomsten, “stand-alone wireless broadband, urban”

55

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

0 k€

2.000 k€

4.000 k€

6.000 k€

8.000 k€

10.000 k€

12.000 k€

14.000 k€

16.000 k€

18.000 k€

20.000 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"


Figuur 6-12 - CAPEX doorheen de tijd per scenario

56

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%.

57

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

0 k€

5.000 k€

10.000 k€

15.000 k€

20.000 k€

25.000 k€

30.000 k€

35.000 k€

40.000 k€

45.000 k€

50.000 k€

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd





Figuur 6-13 - Evolutie van de totale OPEX per scenario

58

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

-20.000 k€

-10.000 k€

0 k€

10.000 k€

20.000 k€

30.000 k€

40.000 k€

50.000 k€

60.000 k€

70.000 k€

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Tijd





Figuur 6-14 - Evolutie van de free cash flow per scenario

59

Over 5 jaar Over 10 jaar

NPV IRR NPV IRR

Payback periode

"All services, nationwide" -1,9 k€ 7,2% 114,9 k€ 51,6% < 6 jaar

"All services, urban" 7,8 k€ 42,1% 86,8 k€ 83,3% < 5 jaar

"All services, extended urban" 6,2 k€ 30,6% 92,0 k€ 74,3% < 5 jaar

"Nomadicity pack, nationwide" -3,5 k€ 2,5% 65,5 k€ 46,2% < 6 jaar

"Nomadicity pack, urban" 6,0 k€ 45,4% 48,8 k€ 79,8% < 5 jaar

"Stand-alone wireless broadband, nationwide" -19,7 k€ - -23,9 k€ - nooit

"Stand-alone wireless broadband, urban" -4,2 k€ - -5,1 k€ - 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.

60

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.

61

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.

62

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.

63

Appendix A: Grafische interface van het technische model

64

Appendix B: De business case

74

Appendix C: CD-ROM

75

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”

76

12. WiMAX Forum (2005), “WiMAX Forum Certification of

Broadband Wireless Systems”

13. WiMAX Forum (2004), “Regulatory position and goals of the

WiMAX Forum”

Scriptie Bruno Quinart WiMAX - Universiteit Gent

Documents

Transcript of Scriptie Bruno Quinart WiMAX - Universiteit Gent