Komu potrzebny WiMAX?

Co to jest WiMAX? LUBUSKA SIEĆ SZEROKOPASMOWA WPROWADZENIE DO REALIZACJI Spotkanie warsztatowe organizowane przez Biuro Obsługi Sieci Specjalnych - Maciej Jüngst Urząd Miasta Gorzów Wlkp. 4 luty 2010r. 1

Co to jest WiMAX? Wireless Interoperability for Microwave Access światowe porozumienie dla ustalenia jednolitej technologii radiowego dostępu do łączności uczestnicy: dostawcy technologii producenci instytucje naukowe instytucje normalizacyjne operatorzy regulatorzy Organizacja: WiMAX Forum WiMAX jest nazwą technologii radiowej, która wykorzystuje najnowsze osiągnięcia techniki i umożliwia drogą radiową masowy szerokopasmowy dostęp do Internetu (ogólniej - łączności) na obszarach bez wystarczającej infrastruktury telekomunikacyjnej. Dostęp do Internetu należy dzisiaj rozumieć jako po prostu dostęp społeczeństwa do informacji, możliwości załatwiania codziennych spraw, kontaktu z urzędami, bankami, uczenia się, prowadzenia interesów nie tylko za pośrednictwem komputera i klawiatury, ale także przez telefon lub faks. Technologia może także być wykorzystywana dla monitorowania i sterowania zdalnego urządzeń infrastruktury komunalnej oraz podniesienia poziomu bezpieczeństwa publicznego poprzez dozorowanie kamerami wybranych miejsc. WiMAX jest obecnie powszechnie akceptowanym przez producentów standardem przemysłowym, dzięki któremu jest możliwa współpraca ze sobą kompatybilnych ze standardem urządzeń różnych producentów. Standard WiMAX jest przedmiotem prac organizacji WiMAX Forum, która określiła wymagania techniczne i procedury testowania zgodności produktów ze standardem. Organizacja WiMAX Forum skupia producentów, instytuty naukowobadawcze, firmy mikroelektroniczne, i użytkowników operatorów telekomunikacyjnych zainteresowanych korzystaniem z tej techniki. Przed ustaleniem standardu WiMAX w 2004r istniało wiele rozwiązań firmowych, poszczególnych producentów, jednak niekompatybilnych ze sobą. Rozwiązania takie, często bardzo zaawansowane technologicznie i drogie, do dziś pracują w licznych instalacjach, ale dla przedsięwzięć nowych popularność WiMAX jest już bezdyskusyjna. 2

Co to jest WiMAX? zbiór wymagań technicznych opartych na standardach IEEE 802.16 powszechnie przyjęta nazwa grupy sprzętu certyfikowanego przez WiMAX Forum Pułapka: sprzęt bez certyfikatu to nie WiMAX! WiMAX Forum zdefiniowało wymagania techniczne, jakie musi spełniać każdy produkt certyfikowany jako zgodny ze standardem WiMAX. Wymagania te nazywane są też profilami. Podstawą standardu WiMAX jest inny, znacznie szerszy, standard IEEE 802.16. Nazwa bierze się od organizacji o nazwie Institute of Electrical and Electronics Engineers, która opracowała standard IEEE 802.16 będący podstawą profili zalecanych przez WiMAX Forum i stanowiących de facto opis zaawansowanych metod i sposobów realizacji łączności bezprzewodowej o dużej przepływności i o dużym zasięgu. Standard IEEE 802.16 jest na tyle obszerny, że w praktyce aby możliwe było produkowanie przez przemysł urządzeń z nim zgodnych, trzeba było z niego wybrać pewien podzbiór norm i metod. Ten podzbiór został wybrany w pracach WiMAX Forum dla dwóch głównych zastosowań: dla zastosowań stacjonarnych i tzw. nomadycznych (wolno i rzadko przemieszczających się) oparty na edycji standardu IEEE 802.16-2004 (oznaczanej też 802.16d) w 2004 roku; dla zastosowań mobilnych oparty na edycji standardu IEEE 802.16e z 2005r. Sprzęt dla zastosowań mobilnych jest znacznie droższy i bardziej zaawansowany w działaniu, ale często jest to ten sam sprzęt co dla zastosowań stacjonarnych, tylko z innym bardziej rozbudowanym oprogramowaniem wewnątrz. Dla szerokiego zapewnienia dostępu do Internetu, eliminacji zjawisk wykluczenia cyfrowego i rozwoju społeczeństwa informacyjnego wystarczające jest budowanie sieci WiMAX w wersji stacjonarnej-nomadycznej. Wersja mobilna sieci WiMAX ma sens dla zastosowań głównie komercyjnych klasy operatorskiej. W warunkach stosunkowo dobrego pokrycia kraju zasięgiem sieci GSM nie ma uzasadnienia dla jej wprowadzania w kontekście wyżej wymienionych celów. WiMAX Forum dla sprzętu, który pomyślnie przeszedł wszystkie testy na zgodność z danym profilem WiMAX, wydaje certyfikaty. Testy są prowadzone w nielicznych wyspecjalizowanych laboratoriach na świecie, i stanowią poważne wyzwanie nawet dla doświadczonych producentów z branży. Dlatego też spotyka się sprzęt producentów, którzy nie mogąc spełnić wszystkich wymagań, reklamują go jako quasi-wimax, WiMAX ready lub near WiMAX, obiecując możliwość rzekomo łatwego dostosowania go do pełnej zgodności ze standardem WiMAX. Sprzęt taki nie posiada jednak certyfikacji WiMAX Forum jako produkt fabryczny i użytkownik de facto nie może mieć gwarancji kompatybilności ze standardem. Takiego sprzętu należy unikać. 3

Komu potrzebny WiMAX? rozległe obszary Afryki, Azji, Ameryki Płd bez łączności naziemnej obszary o słabym dostępie masowym do telekomunikacji obszary o małej gęstości zaludnienia obszary miejskie obszary peryferiów miast rozległe instalacje przemysłowe WiMAX początkowo miał być rozwiązaniem dla trzeciego świata, gdzie potrzebna była technologia o dużym zasięgu, a gęstość zaludnienia mogła być mała jak i duża. Stąd oprócz zasięgu ważnym celem do osiągnięcia była liczba możliwych do obsłużenia abonentów, a co za tym idzie pojemność systemu w sensie oferowanej przepływności. Obecnie WiMAX jest wprowadzany także w krajach średnio i wysoko rozwiniętych. Doskonale się sprawdza zarówno na obszarach silnie zurbanizowanych o gęstej zabudowie, jak i na obszarach peryferii miast i terenach wiejskich. Pozwala na masowe dostarczanie szerokopasmowych usług telekomunikacyjnych na obszarach, gdzie istniejąca infrastruktura nie umożliwiałaby tego bez jej kosztownej przebudowy sieci kablowej, np. z miedzianej na światłowodową. Systemy WiMAX mogą być także dobrym rozwiązaniem dla przedsiębiorstw i instytucji o dużym obszarze, jak kopalnie odkrywkowe, huty, szpitale itd. Systemy WiMAX są dostępne do pracy w pasmach częstotliwości tzw. licencjonowanych tzn. z zarezerwowaną częstotliwością przez stosowny urząd państwowy (w Polsce UKE), oraz w pasmach nielicencjonowanych tzn. bez wymaganej rezerwacji. Instalacje pracujące w paśmie licencjonowanym wymagają uzyskania tzw. Pozwolenia Radiowego i wnoszenia stosownych opłat do budżetu państwa. Państwo za to zapewnia swoją ochronę przed wchodzeniem na zarezerwowaną częstotliwość innych użytkowników mogących zakłócić i pogorszyć pracę systemu w zarezerwowanym paśmie. 4

Po co porozumienie? zunifikowanie bazy elementowej masowa produkcja obniżenie cen zdobycie nowych rynków kompatybilność m. producentami Zestandaryzowanie techniki niesie szereg korzyści, tak dla producentów, jak i użytkowników. Producenci układów mikroelektronicznych (scalonych) otrzymują jednoznaczne wytyczne co do funkcji, jakie należy w ich produktach zaimplementować. Producenci sprzętu finalnego otrzymują możliwość korzystania z szerokiej bazy elementów, które dzięki masowej produkcji mają niższe ceny. Niższe ceny czynią technologię dostępną dla użytkowników nie będących operatorami i o mniejszych możliwościach finansowania inwestycji, w tym i dla samorządów. Kompatybilność rozwiązań między producentami jest ważną cechą, wpływającą na obniżenie cen na rynku. Czasami jednak producenci w swoich produktach implementują ponadstandardowe funkcje, i dla nich kompatybilność nie jest już gwarantowana. Może to jednak być też i korzystne dla użytkownika, jeśli wiąże się z powiększeniem zasięgu lub przepływności stosując kompleksowe rozwiązanie od jednego producenta. 5

WiMAX jaka łączność? Pakietowa, IP Quality of Service identyfikacja pakietów (PIR) definicje parametrów przepływu (SFC) BE, RtPS, UL, DL, MIR, CIR klasy QoS (wiążą PIRs z SFCes) Zastosowanie Dostęp do Internetu (http, ftp,...) VoIP, Fax over IP TDMoIP (f. zewn.) Nx64kb/s, E1, ISDN, PRI WiMAX jest rozwiązaniem przewidującym przesyłanie transmisji, obojętnie czy będzie to głos, faks, obraz, czy transmisja danych, w formie pakietowej. Oznacza to, że każdy rodzaj przesyłanej informacji czy sygnału, aby mógł być przesłany poprzez system WiMAX musi być najpierw zamieniony na postać cyfrową, t.j. strumień bitów, które następnie są grupowane w porcje nazywane pakietami. Pakiet, oprócz informacji, niesie także dodatkowe bity konieczne dla poprawnej identyfikacji pakietów i ich kierowania w sieci transmisyjnej. Pakietowa forma transmisji umożliwia współdzielenie medium radiowego pomiędzy wielu abonentów pracujących w tym samym paśmie, gdyż pakiety z różnych źródeł mogą być według określonego porządku przesyłane na przemian. Stanowi to istotę tzw. wielodostępu czyli możliwości korzystania przez wielu abonentów z jednego systemu radiowego. Pakiety na przesłanie muszą czekać w kolejkach tworzonych w układach elektronicznych urządzeń dostosowujących przesyłaną informację (np. głos, e- mail) do sieci pakietowej. Niektóre pakiety nie mogą czekać i muszą być bez przetrzymywania i bez strat przesyłane np. głos, a inne niosące np. treść stron www mogą doznawać zmiennych opóźnień i pewnych strat bez szkody dla przesyłanej treści. Stąd w systemach WiMAX stosowane są metody rozróżniania co jest niesione danym pakietem, i zależnie od tego dobierane są parametry jego przesyłania. Metody te określane są ogólnie terminem Quality of Service. Do parametrów tych należy np. CIR (Commited Information Rate) oznaczający gwarantowaną dla określonego rodzaju pakietów przepływność. RtPS (Real time Polling Service) jest z kolei parametrem określającym, że pakiety muszą być przesyłane na bieżąco, z limitowanym oczekiwaniem w kolejkach co jest istotne dla przenoszenia rozmów telefonicznych bez nadmiernych opóźnień i pogorszenia jakości. 6

WiMAX a inne technologie - 1 Sieć kablowa telefoniczna: ograniczona dostępność kłopotliwe ucyfrowienie wymagana określona jakość kabla modemy ADSL limity prędkości awaryjność prace ziemne zalania i zawilgocenia WiMAX jest jedną z technologii dostępu do sieci telekomunikacyjnych. Porównajmy krótko te najpowszechniej spotykane. Sieć kablowa jest to zwykle sieć telefoniczna, oparta na kablach miedzianych. W obszarach wiejskich, a także i w miastach często jest niedostateczna lub już w pełni wykorzystana. Nie ma wtedy możliwości podłączania nowych abonentów bez czasochłonnych i kłopotliwych inwestycji i prac ziemnych. Kable miedziane dają wprawdzie możliwość dodania do klasycznego telefonu też transmisji danych (tzw. ADSL przykład Neostrada), ale prędkość dostępu szybko spada wraz z odległością, a przy złym stanie kabla ADSL może w ogóle nie działać. Infrastruktura kablowa położona w ziemi jest narażona na kłopotliwe w usuwaniu uszkodzenia przy pracach budowlanych, wykopach, awariach sieci ciepłowniczej lub wodociągowej, wylewach rzek, powodziach i klęskach żywiołowych. 7

WiMAX a inne technologie - 2 Telewizja kablowa dostęp do łączności jako opcja niedostępna na wsi brak w niektórych dzielnicach Telewizja kablowa jest atrakcyjnym medium dostępu do Internetu i łączności, oferującym stosunkowo duże prędkości i dobre parametry niezawodnościowe dzięki stałemu utrzymaniu serwisowemu. Niestety jej dostępność jest ograniczona. W mniejszych miastach i na wsi z reguły jest niedostępna. 8

WiMAX a inne technologie - 3 GSM: priorytet ma telefonia (głos) małe obszary zadowalającego działania (tylko większe miasta) zawodność dostępu do Internetu limity transferu wysoka cena Priorytet głosu zwykle jest 100%, tzn., że jeżeli zdolności sieci komórkowej zostają wyczerpywane przez rozmowy, to dla dostępu do Internetu nie pozostaje żadne minimum. Cena za usługę jest wysoka w porównaniu do jakości jej świadczenia, zwłaszcza na obszarach poza większymi miastami. Często nie nadaje się do korzystania z e-nauczania (webinaria) i wielu usług transakcyjnych (bankowość elektroniczna, załatwianie spraw w urzędach przez Internet). Czas kryzysu przejawia się tym, że operatorzy GSM przyhamowali inwestycje mające poprawić stan rzeczy. 9

WiMAX a inne technologie - 4 Lokalne sieci WiFi i mesh: małe zasięgi (wieś, osiedle) ograniczenie mocy nadajnika Access Point y 802.11b/g nieefektywne wolnodostępne pasmo pracy niepewność działania współdzielenie eteru zakłócenia od innych źródeł w paśmie + brak opłat i formalności technologia dostępna małym firmom potrzebny backhaul WiMAX? Technika WiFi jest często spotykana na obszarach wiejskich, ma szereg zalet, ale i ograniczeń. W szczególności stosowanie z racji ich niskiej ceny tzw. Access Pointów pracujących wg standardów przewidzianych dla działania wewnątrz pomieszczeń, jest błędem. Wprawdzie na otwartej przestrzeni może takie rozwiązanie działać też, ale w razie odbijania się fal radiowych od dalej położonych budynków i docierania z dużym rozrzutem opóźnień (wewnątrz pomieszczeń opóźnienia mają małe rozrzuty) do odbiornika, transmisje będą przekłamywane. Ponadto liczni abonenci tak usytuowani (lub mający anteny kierunkowe), że nawzajem ich urządzenia nie będą się słyszeć będą doprowadzać do kolizji w eterze i znacznego spadku efektywności takiej sieci. Pewnym rozwiązaniem jest stosowanie AP z specjalnymi protokołami (poza standardem) do pracy na zewnątrz i sterowaniem dostępem abonentów do eteru, ale to wymaga zwykle dedykowanego wyposażenia u abonenta. Dla niektórych zastosowań, które muszą działać w sposób pewny i niezawodny (monitoring wizyjny, telefonia), rozwiązania takie się nie nadają. Techniki wykorzystujące pasma wolnodostępne mają nie mniej szereg zalet: brak konieczności uzyskiwania pozwoleń radiowych; brak opłat za korzystanie z częstotliwości; zwykle niższy koszt sprzętu; szersze kanały i większa przepływność przy braku zakłóceń; Dla obszaru północnej części woj. lubuskiego Urząd Miasta Gorzów Wlkp. pozyskał z Urzędu Komunikacji Elektronicznej rezerwację 4 kanałów częstotliwościowych dupleksowych (tzn. umożliwiających jednoczesne nadawanie i odbiór radiowy) w paśmie 3.7 GHz, z których korzystać będą mogły w drodze wspólnego porozumienia terenowe organy samorządowe. 10

Co interesuje inwestora? Zasięg (km) Przepływność (Mb/s) Pojemność systemu (l. abonentów) Jakość usług Usługi dodatkowe Łatwość rozbudowy i eksploatacji Niektóre z tych tematów omówimy, pozostałe zostawimy do dyskusji. Zasięg i przepływności wiążą się głównie z ustaleniami standardu IEEE 802.16. Im poświęcimy najbliższe kilka minut. Pozostałe cechy zależą głównie od implementacji producenta. 11

Zasięg zależy od: Parametrów systemu: Mocy nadajnika Czułości odbiornika Zysku anten Modulacji (dobierana automatycznie adaptacyjnie ) Subchanneling u, AAS, STC Ukształtowania i rodzaju terenu zabudowa miejska warunki NLOS antena zewn. praca na odbiciach antena wewn. Indoor tłumienie ścian brak przeszkód warunki LOS Założeń: poziomu dostępności (% czasu w roku) Im dalej od źródła, tym fala elektromagnetyczna jest słabsza, tzn. słabszy sygnał jest w miejscu gdzie jest odbiornik. W pewnej odległości sygnał jest na tyle nikły, że odbiornik przestaje go prawidłowo odbierać, pojawiają się przekłamania i łączność staje się niestabilna lub niemożliwa. Zasięg określamy jako odległość od nadajnika, przy której odbiornik z założoną pewnością poziomem dostępności może odbierać bez przekłamań sygnał z nadajnika. Spadek siły sygnału można wyliczyć z odpowiednich zależności matematycznych. 12

LOS, NLOS, indoor NLOS non-line of sight indoor LOS line of sight widoczność, wolna strefa Fresnela Różne sytuacje pomiędzy antenami stacji bazowej i terminala abonenckiego: LOS Line of Sight pełna widoczność, brak przeszkód i dodatkowego tłumienia; NLOS No Line of Sight brak widoczności, dodatkowe tłumienie; indoor tłumienie fali radiowej przez ściany budynku, zbrojenie etc. 13

Zasięg maksymalny LOS: Częstotliwość [MHz] 3600 3600 3600 Moc nad. [dbm] 28 28 28 Tłum. Feedera [db] 2 2 0 Zysk anteny [dbi] 9 9 14 EIRP [mw] 3162.278 3162.278 10000 Zysk anteny [dbi] 9 9 9 Tłum feedera [db] 0 0 0 CFM [db] 17 27 31 Czułość odb [dbm] -103-103 -103 FSL max [db] 130 120 123 Wersja sprzętu MicroMAX omni 9dBi ProST + subchanneling 1/16 MicroMAX omni 9dBi ProST + subchanneling 1/16 MicroMAX BSR ProST + subchanneling 1/16 Dostępność P.338-6 78.9989% 99.9336% 99.9255% Zasięg [m] 20910 6612 9340 Tabela przedstawia wyliczenie maksymalnego zasięgu przy najniższej, najodporniejszej na zakłócenia, modulacji BPSK i przy zastosowaniu tzw. subchannelingu 1/16. Widać, że możliwe jest osiągnięcie dystansu blisko 21 km ale pewność działania wg założonego modelu propagacji ITU-R P.338-6 będzie bardzo niska ok. 79%. To znaczy, że średnio w skali roku łączności może nie być przez ok. 76 dni. Jeżeli jednak zmniejszyć dystans do ok. 6.6 km, to pewność działania znacznie wzrośnie bo do wartości 99.93% czasu w roku, tzn. tylko ok. 6 godzin może łie być łączności. Zastosowanie anteny (tu wintegrowanej do stacji bazowej BSR) o zysku o 5 db większym, będzie skutkować wzrostem zasięgu o prawie 3 km przy podobnym poziomie dostępności. Wniosek: nie ma wyraźnej granicy zasięgu, jest stopniowy spadek pewności działania. Dostępność jest obliczeniowo wyznaczana dla określonego modelu propagacji fal w atmosferze, uwzględniający dla danej strefy klimatycznej zjawiska refrakcji, wielodrogowości i charakteru terenu. 14

Przepływności (sumaryczne, per sektor) System FDD 3.5 GHz, wył. subchannel izacja, Przepływności netto są mniejsze o 15% do abonentów i o 25% od abonentów Im dalej tym niższa przepływność Najwyższa przepływność w strefie najbliższej stacji bazowej Wymienność zasięgu na przepływność Źródło: dokumentacja AS.MAX. Tabele pokazuje efektywność widmową w zależności od modulacji, wynikającą ze standardu. Określenie granic zmiany modulacji jest zależne od parametrów konkretnego systemu, Przykład na nast. slajdzie. 15

Przepływność sektora źródło: WiMAX Forum Sumaryczna przepływność dzielona między abonentów ok. 3.8 Mb/s (DL) strefy zasięgu różnych modulacji sumaryczna przepływność wypadkową zależną od: rozmieszczenia LOS, NLOS, indoor zakłóceń rozdział pojemności równy uprzywilejowany (CIR) Jeżeli rozłożenie abonentów na obszarze zasięgu stacji bazowej WiMAX jest takie, że 100% abonentów mieści się w zasięgu tej samej modulacji (vide poprzedni slajd), to wszyscy dzielą się sumaryczną przepływnością sektora, podaną w tabeli. Np. jeśli 100% abonentów jest na obszarze QPSK3/4, to dzielą się przepływnością 4.4 Mb/s DL (i 4.4 Mb/s UL). Jeżeli jednak abonenci są rozłożeni bliżej i dalej, część w zasięgu 64QAM3/4, część w 64QAM2/3 itd itd, to ponieważ każdy abonent zabiera swoją cząstkę czasu transmisji, ci abonenci, którzy korzystają z mniej efektywnej widmowo modulacji obniżają łączną przepływność dostępną dla wszystkich abonentów. Czy wszystko to oznacza, że bliższy abonent będzie uprzywilejowany w dostępie do pasma w stosunku do odległego abonenta? NIE, bo nad rozdziałem przepływności niezależnie od modulacji panują reguły QoS konfigurowane przez operatora systemu. Reguły te domyślnie dzielą przepływność sektora równo na wszystkich abonentów. Jeśli jednak któryś z nich ma nawet skonfigurowany CIR (przepływność gwarantowaną), ale jej w danej chwili nie wykorzystuje, jest ona oddawana pozostałym użytkownikom. Ponieważ ruch z Internetem jest zmienny u każdego abonenta, a system dynamicznie rozdziela dysponowanymi zasobami przepływności, przy większej liczbie abonentów (kilkadziesiąt), każdy otrzymuje stabilną średnią przepływność np. 50 abonentów każdy po 76 kb/s średnio. W przykładzie założono równomierną gęstość abonentów na km kw (pow. koła pi*r^2), i dla wszystkich warunki NLOS z anteną zewn. na terenach wiejskich (drzewa). Ponad 60% abonentów w strefie QPSK i BPSK obniża sumaryczną przepływność ang. capacity do wypadkowej wartości ok. 3.8 Mb/s. Stosowanie zewnętrznych anten u abonentów i ich instalacja LOS (ponad przeszkodami) polepsza siłę sygnału, umożliwia przejście do strefy o wyższej efektywności widmowej, i w efekcie poprawia sumaryczną pojemność sektora. Na pojemność sektora wpływają też ew. zakłócenia pogarszające warunki odbioru, od np. innych odległych stacji WiMAX pracujących na tej samej częstotliwości, od których szczątkowy sygnał dociera na nasz obszar (pogarsza S/Q). Skąd więc legenda o przepływności 75 Mb/s i zasięgu ponad 50 km? 75 Mb/s osiąga WiMAX w kanale o szerokości 20 MHz i jest to przepływność brutto (ze wszystkimi narzutami protokołów), ale osiągalna przy najefektywniejszej modulacji 64QAM3/4, a więc w bezpośredniej bliskości stacji bazowej WiMAX. 50 km to jest realny zasięg tej samej stacji w idealnych warunkach terenowych, przy najmniej efektywnej modulacji BPSK1/2, czyli przepływności co najwyżej 8 Mb/s i użyciu innych jeszcze zaawansowanych technik powiększających zasięg. Twórca legendy to przemilczał, albo... nie znał fizyki. 16

Zwiększanie zasięgu WiMAX 10-16 km LOS 1-2 km NLOS 0.6 km indoor - system standard (Micro) 30-50 km LOS źródło: WiMAX Forum 4-9 km NLOS 1-2 km indoor - system zaawansowany (Hiper) AAS kształtowanie ch- ki kierunkowej anten st. bazowej Diversity: STC Space-Time Coding (MISO) MRC Max. Ratio Combining opcja ponadstandardowa bez interoperability Producenci sprzętu WiMAX często mają dwie grupy sprzętu: - tańszego, spełniającego wymagania WiMAX Forum bez lub z niewielkimi dodatkami opcjonalnymi - droższego, przeznaczonego głównie dla operatorów, mającego wiele ponadstandardowych dodatków funkcjonalnych, jak anteny adaptacyjne z formowaniem charakterystyki kierunkowej, i z różnymi technikami przestrzennymi, podnoszącymi zasięg i przepływność. Bywają też grupy sprzętu pośredniego. W zakresie ponadstandardowym produkty różnych producentów mogą ze sobą nie współpracować, interoperability certyfikowana jest bowiem tylko w granicach standardu. 17

Zastosowania WiMAX Dostęp do Internetu: E-mail, www; załatwianie spraw przez e-urząd bankowość elektroniczna e-zus, e-urząd Skarbowy kursy, zdalna edukacja rozrywka, kultura Łączność: telefon, telefaks monitoring wizyjny zdalny nadzór infrastruktury komunalnej wirtualne sieci prywatne VPN WiMAX umożliwi dostęp każdemu obywatelowi do wszystkich usług dostępnych dziś poprzez Internet mieszkańcom dobrze zurbanizowanych obszarów, głównie miast. Zakres dostępnych treści może być jednak ograniczany, jeżeli wymagają tego kryteria finansowania przedsięwzięcia, w stosunku do usług świadczonych przez czysto komercyjnych dostawców Internetu. Ograniczenie to typowo dotyczy treści rozrywkowych lub przeznaczonych wyłącznie dla dorosłych. Spośród powyższych zastosowań szczególnie interesujące może być umożliwienie świadczenia usług telefonicznych na obszarach, gdzie dotąd były one trudnodostępne. Abonent może korzystać z klasycznego telefonu i telefaksu, tak jak w zwykłych przewodowych sieciach telefonicznych. Sieć radiowa WiMAX pozwala także na transmisję protokołem IP drogą radiową z kamer monitoringu wizyjnego wyposażonych w interfejs Ethernet oraz ich zdalne sterowanie PTZ. Ponieważ jednak transmisja wizji po IP zajmuje dość znaczne zasoby w sieci radiowej, WIMAX zasadniczo powinien być wykorzystywany jako środek transmisji w sytuacjach, gdzie nie ma możliwości instalacji kabla światłowodowego lub instalacja dedykowanej linii radiowej jest nieuzasadniona ekonomicznie. Stosowane kamery powinny pracować z kompresją wizji i w razie braku ruchu przed kamerą minimalizować zajmowaną przepływność. Koegzystencja monitoringu wizyjnego i innych usług realizowanych poprzez WiMAX wymaga ostrożnego zwymiarowania by nie obniżyć jakości jednych kosztem drugim poniżej akceptowalnego poziomu. WiMAX ułatwi instytucjom komunalnym zdalny nadzór i sterowanie swoją infrastrukturą komunalną. Prowadzić to będzie do znacznego ograniczenia kosztów utrzymania tej infrastruktury, na przykład poprzez eliminację codziennych objazdów kontrolnych zawodnych studni kanalizacji podciśnieniowej będących stałym zagrożeniem dla środowiska. Sieci VPN są często wykorzystywane w komunikacji biznesowej. Ich dostępność, podobnie jak możliwość dołączenia telefonu i telefaksu, stanowić może istotny czynnik sprzyjający rozwojowi przedsiębiorczości, spadkowi bezrobocia i wzrostowi przychodów gminy. 18

Planowanie radiowe - 1 Konieczne dane: decyzja UKE o rezerwacji częstotliwości (kanały, obszar, warunki, terminy pokrycia) zbiór lokalizacji kandydackich st. baz. cyfrowe mapy obszaru: DEM, clutter mapa gęstości zaludnienia obszary wykluczenia cyfrowego wybór systemu referencyjnego Rezultaty: wyznaczenie lokalizacji st. bazowych określenie wysokości anten n.p. terenu określenie sektoryzacji predykcja pokrycia i przepływności Planowanie radiowe jest najistotniejszym procesem budowania sieci radiowej. Przy pomocy specjalnego oprogramowania uwzględnia się możliwie jak najwięcej czynników istotnych dla spełnienia zakładanych celów, i w drodze zwykle pewnego kompromisu między nimi, w toku interaktywnych działań uzyskuje się optymalne rezultaty dla rozpoczęcia fizycznej realizacji budowy. Oprogramowanie i jego obsługa jest zwykle w posiadaniu producentów sprzętu, i oni mają najlepiej opanowane wprowadzenie wszystkich ponadstandardowych cech swojej technologii do oprogramowania. A od tych cech często istotnie zależy spełnienie celów przedsięwzięcia. Inwestor musi zebrać szereg danych i informacji, oraz ustalić kryteria które będą wytycznymi dla projektanta dokonującego planowania radiowego. Decyzja UKE w naszym przypadku jest już wydana na wniosek Urzędu Miasta Gorzowa Wlkp., i obejmuje północną część woj. lubuskiego. W innych przypadkach inwestor musiałby zwracać się do UKE o rezerwację częstotliwości, do czego musiałby mieć pewną wstępną analizę wspartą najlepiej zgrubnym planowaniem radiowym. Kwestię lokalizacji kandydackich dla stacji bazowych WiMAX omówimy dalej. 19

Planowanie radiowe - 2 Zbiór lokalizacji kandydackich dla stacji bazowych WiMAX - przykład Współrzędne WGS84 nr LOKALIZACJA KANDYDACKA N ( o ' '') E ( o ' '') wysokość ant. [m] n.p.m. [m] n.p.t. Uwagi P 1 2 maszty; Przysucha ul. Krakowska 51 o 21' 47,16'' 20 o 36' 39,95'' 240 65 Telefonia Pilicka 51 o 21' 46,08'' 20 o 36' 43,41'' 239 55 Plus GSM P 2 komin 51 o 22' 33,45'' 20 o 37' 53,83'' 222 15 na północ od Przysuchy P 3 Gielniów - maszt telekom. 51 o 23' 57,04'' 20 o 29' 08,62'' 201 25 P 3.1 Gielniów - maszt telekom. II 51 o 23' 45,08'' 20 o 29' 08,62'' 35 Plus GSM P 4 Rusinów - kościół 51 o 26' 07,27'' 20 o 28' 55,20'' 162 20 P 5 Rusinów - Urząd Gminy 51 o 26' 08,26'' 20 o 35' 11,11'' 162 12 P 6 Nieznamierowice - kościół 51 o 28' 24,32'' 20 o 33' 48,40'' 143 15 P 7 trasa Odrzywół - Klwów - maszt telekom. 51 o 31' 38,32'' 20 o 36' 01,96'' 139 50 P 8 Odrzywół - kościół 51 o 31' 16,74'' 20 o 33' 18,03'' 136 25 P 9 Odrzywół - maszt 51 o 31' 10,64'' 20 o 34' 00,14'' 139 30 PTK Centertel P 10 Klwów - kościół 51 o 32' 02,94'' 20 o 38' 03,40'' 151 20 P 11 Kolonia Sady - kościół 51 o 27' 56,87'' 20 o 41' 00,99'' 163 15 P 12 Skrzyńsko - kościół 51 o 22' 29,74'' 20 o 38' 54,89'' 204 20 P 13 trasa Rudno - Wymysłówka - maszt telekom. 51 o 19' 10,07'' 20 o 38' 13,75'' 242 40 Plus GSM P 14 Borkowice - kościół 15 P 14.1 Borkowice - Zespół Szkół Rolniczych 51 o 19' 12,49'' 20 o 41' 16,43'' 228 15 P 15 Skrzynno - kościół 15 P 16 Potworów - maszt telekom. 51 o 30' 47,74'' 20 o 43' 18,71'' 160 30 PTK Centertel P 17 Kozłowiec - maszt Emitel 51 o 21' 33,76'' 20 o 34' 18,94'' 313 200 na zachód od Przysuchy P 18 Ruski Bród - kościół 51 o 17' 25,51'' 20 o 34' 38,80'' 255 20 P 19 Długa Brzezina 51 o 16' 29,20'' 20 o 37' 11,18'' 296 tylko lasy!!!! P 20 Pawłów - masz telekom. 51 o 15' 12,93'' 20 o 47' 10,54'' 210 35 Plus GSM P 21 Chlewiska - maszt telekom. 51 o 15' 18,88'' 20 o 45' 45,65'' 224 35 PTK Centertel Wytypowania takich lokalizacji kandydackich oczekiwalibyśmy od gmin. Lokalizacje te powinny znajdować się w miejscach, gdzie inwestor ma własny teren lub obiekt, lub wie, że jego właściciel mu go udostępni, i są to miejsca wyżej położone względem obszarów jakie chcemy pokryć zasięgiem. Istotna jest dostępność zasilania energetycznego. Obiekty zabytkowe mogą stanowić problem. 20

Planowanie radiowe - 3 Sektoryzacja - warianty St. bazowe muszą być rozmieszczone tak, aby sektory o tej samej częstotliwości się nie zakłócały wzajemnie Stacje bazowe systemów wielopunktowych jak WiMAX obsługują abonentów na obszarze wokół siebie pokrywając go zasięgiem z anten sektorowych. Antena sektorowa ma zwykle nominalny kąt promieniowania horyzontalnie 60, 90, 120 lub 180 a antena dookólna 360. Planowanie radiowe ma znaleźć optymalne lokalizacje w danych warunkach ukształtowania terenu dla róźnych możliwych wariantów sektoryzacji i założonego sprzętu referencyjnego, tak by osiągnąć głównie: 1. Najlepsze pokrycie 2. Minimalizację wzajemnych zakłóceń 3. Zakładany poziom usług (przepływność) 4. Zakładaną pojemność (liczbę obsługiwanych abonentów) Wytypowane warianty sektoryzacji są podstawą dalszego planowania. Pod pewnymi warunkami możliwe jest, by w ramach jednej stacji bazowej pracowały dwa sektory na tym samym kanale częstotliwościowym. 21

Planowanie radiowe - 4 Sektoryzacja 1x3 3 kanały częstotliwościowe sektory 120 warunkowo dostateczna separacja Problemy z: przekraczaniem limitu poziomu sygnału poza pasem wokół obszaru zakłóceniami od innego obszaru o tych samych kanałach Przykład jednej z typowych sektoryzacji przy dostępnych 3 kanałach częstotliwościowych. Problemy z limitem poza pasem wokół obszaru mogą być generalnie przy każdym rodzaju sektoryzacji. 22

Planowanie radiowe 5 Sektoryzacja 1x2 2 kanały częstotliwościowe 3.5 MHz sektory 180 brak możliwości separacji Co zrobić? Do odrzucenia! podzielić na 4 kanały 1.75 MHz sektory 120 użyć synchronizowanego TDD Przy małej liczbie przydzielonych na dany obszar kanałów, może pojawić się problem z przewidzeniem odpowiedniej sektoryzacji. Wtedy trzeba stosować w planowaniu radiowym specyficzne podejście wykorzystując szczególne cechy sprzętu WiMAX, a nawet przewidywać stacje bazowe o niepełnej sektoryzacji dla doświetlenia pewnych obszarów bez jednoczesnego konfliktu w częstotliwości i przestrzeni. W ukazanym przykładzie przy dwóch przydzielonych kanałach widoczny jest problem z zakłócaniem się sektorów pracujących na tej samej częstotliwości. 23

Planowanie radiowe 6 żródło - URTiP Rozłożenie kanałów separacja obszarów o tych samych kanałach obszary równe powiatom i ich grupom Ale...: nieoptymalność w skali makro kształty nie pasują do warunków propagacji Poglądowe ukazanie kolorami sposobu przydzielania kanałów częstotliwościowych we wcześniejszym projekcie rozdziału pasma 3.6-3.8 GHz przez wtedy jeszcze URTiP na bazie 317 przetargów na powiaty. Projekt był przedmiotem licznych kontrowersji i ostatecznie nie został przeprowadzony, ale idea jest widoczna. 24

Planowanie radiowe 7 Rozłożenie kanałów separacja obszarów o tych samych kanałach większe obszary zgrupowane powiaty żródło - UKE Cechy: + większa swoboda alokacji kanałów brak koordynacji obszarów o tych samych kanałach Poglądowe ukazanie kolorami sposobu przydzielania 3 zestawów po 4 kanały częstotliwościowe w aktualnym rozdziale pasma 3.6-3.8 GHz przez UKE na bazie przetargów na obszary. Uwagę zwraca skomasowanie powiatów co pozwala na większą swobodę rozplanowania kanałów wewnątrz obszaru. Pojawia się jednak problem jeśli w każdym obszarze niezależnie będzie przeprowadzane planowanie radiowe przez różnych inwestorów, gdyż mimo zachowania pewnej odległości między obszarami o tych samych kanałach (ten sam kolor) nie jest wykluczone zakłócanie między obszarami. Zjawiska takie zależą od ukształtowania terenu i warunków propagacji. Najoptymalniejsze byłoby planowanie w skali całego kraju, a nie według granic administracyjnych, ale taka koordynacja częstotliwości byłaby niezwykle trudna do przeprowadzenia w warunkach rynkowych. 25

Planowanie radiowe - 8 Naniesienie na cyfrową mapę DEM - przykład Na mapie cyfrowej ze wszystkimi lokalizacjami kandydackimi symuluje się zasięgi dla wytypowania lokalizacji najlepszych dla pokrycia zasięgiem wymaganych obszarów. Tu ukazano tylko 4 z lokalizacji. Uwzględnia się przy tym różne kombinacje sektoryzacji w ramach dostępnych kanałów, cechy sprzętu referencyjnego i ew. czynniki techniczne i ekonomiczne związane z infrastrukturą. 26

Planowanie radiowe - 9 Predykcja pokrycia - przykład Planowanie radiowe dokonywane jest na podstawie map cyfrowych DEM (Digital Elevation Model), które przy wymaganej dokładności do tych celów trzeba specjalnie zamawiać. Predykcja wymaga szczególnie dokładnych map z DEM dla celów planowania na obszarach zurbanizowanych. Proces predykcji wymaga sprzężenia zwrotnego rezultaty z planowania muszą być zweryfikowane i potwierdzone w terenie co do realności ich spełnienia, chyba, że przed predykcją warunki miejscowe były znane zupełnie i bez wariantowości. Do planowania używa się specjalistycznych narzędzi (oprogramowania) posiadających wbudowane modele propagacji fal radiowych i algorytmy optymalizacji wg różnych kryteriów celów i parametrów sprzętu. 27

Planowanie radiowe 10 Mapa DEM woj. lubuskiego Mapa DEM ukazuje kodem kolorów różnice w wysokości poszczególnych miejsc nad poziom odniesienia (np. poziom morza). Znajdźmy na tej mapie Gorzów Wlkp., Santok, Skwierzynę, Kostrzyn, Wartę i Noteć... Inne miejscowości... 28

Planowanie radiowe 6a Mapa DEM okolic Gorzowa Wlkp. Widoczna dolina Kłodawki, wzgórza Wawrowa, Czechów, Kłodawa, skrzyżowanie ul. Kostrzyńskiej i Zgody, wzgórze Chopina. Płaski teren od Warty na południe w kierunku Łagodzina (Zawarcie) zaznaczony jest kolorami niebieskimi. Podobne mapy DEM będą konieczne dla planowania radiowego na terenie całego obszaru objętego rezerwacją częstotliwości przez UKE. 29

Planowanie radiowe 12 Mapa DEM elewacja terenu okolic Gorzowa Wlkp. Wawrów dolina Kłodawki wzg. Chopina Ukształtowanie terenu ma zasadnicze znaczenie dla pokrycia zasięgiem usług określonego obszaru. Preferowane jako lokalizacje stacji bazowych są miejsca położone wyżej. Abonenci zlokalizowani w dolinach lub w cieniu radiowym wzniesień mogą wymagać ponadstandardowej instalacji anten. Przedstawiony widok z lotu ptaka mapy DEM z kierunku północnego. 30

Planowanie radiowe - 13 Komentarz Planowanie powinno być kompletne dla całego obszaru, nawet gdy początkowo tylko część obszaru ma być pokryta Brak lub niekompletne planowanie może zablokować przyszłą rozbudowę lub ją skomplikować i podrożyć. Planowanie kosztuje, ale pozwala uniknąć: niespełnienia warunków rezerwacji pozostawania obszarów wykluczenia strat przy dalszej rozbudowie Straty przy etapowym rozbudowywaniu mogą się brać z faktu, że rozmieszczenie stacji bazowych (BSów) ustalone dla danego obszaru dla początkowego etapu budowy bez uwzględnienia BSów jakie pojawią się w dalszych etapach może powodować konflikty w eterze na dalszych etapach, i trzeba będzie przebudowywać to, co już zrobiono (zmieniać sektoryzację, anteny, a nawet sprzęt i lokalizacje). Może też być potrzeba objęcia następnych kanałów częstotliwościowych co może się okazać kosztowne lub niemożliwe. W przypadku gdy przedsięwzięcie na danym obszarze przetargowym realizowane jest przez kilka podmiotów (powiaty i gminy), wysoce wskazane jest wspólne sfinansowanie jednego planowania radiowego, kompletnego dla całego obszaru. Tylko dane z takiego planowania mogą być podstawą dla konkretyzacji parametrów i wymagań czyli stworzenia dobrej fachowej specyfikacji - dla dalszych działań prowadzonych w ramach zamówień publicznych. Na podstawie wyników planowania radiowego będzie wiadomo: 1. w których lokalizacjach kandydackich zainstalować stacje bazowe; 2. jaką zastosować sektoryzację; 3. jakie i na jakiej wysokości zainstalować anteny stacji bazowych; 4. jaki jest szacunkowy koszt inwestycji; 5. jakich prędkości transmisji należy się spodziewać zależnie od położenia abonenta. 31

Planowanie radiowe - 14 Predykcja optyczna Fotograficzne udokumentowanie widzialności z miejsca posadowienia przyszłej stacji bazowej Predykcja optyczna nie jest w pełnym znaczeniu planowaniem. Na jej podstawie można oszacować obszar zasięgu tylko jednej stacji bazowej, a nie ich sieci. Nie ma analizy zakłóceń i optymalizowanego doboru lokalizacji, sektoryzacji i parametrów technicznych. Ale... - od czegoś trzeba zacząć! 32

Planowanie radiowe - 15 Predykcja optyczna Identyfikacja obiektów Odniesienie do mapy topograficznej Predykcja zasięgu LOS Predykcja optyczna jest w zasadzie procesem ręcznym polegającym na porównywaniu zdjęć z mapą topograficzną i wykreślaniu przybliżonych obszarów zasięgów. 33

Predykcja dla m. Gorzowa Wlkp ❿z UM, Sikorskiego 3-4 Dla lokalizacji stacji bazowej na budynku przy ul. Sikorskiego 3-4 spodziewanym zasięgiem pokryty będzie cały obszar Zawarcia, obszar śródmieścia wokół doliny rz. Kłodawki, osiedle Staszica na południowo-wschodnim stoku, dolne tarasy na południowym stoku os. Dolnik (ul.poniatowskiego i Traugutta), obszar na zachód po obu stronach wzdłuż Warty (ul. Kostrzyńska), obszary nizinne w kierunku Deszczna. Wyliczenia pokazują, że w warunkach LOS abonenci będą mogli korzystać z dostępu do Internetu poprzez stację WiMAX na budynku Urzędu Miasta w odległości do ok. 9 km od Urzędu. 34

Infrastruktura towarzysząca Backhaul (doprowadzenie transmisji do st. b.): sieć kablowa (światłowodowa) przepływności ponad wymagania WiMAX sprawy własnościowe gruntów wysokie koszty i czas realizacji narażenie na awarie ziemne mikrofalowe linie radiowe niezależność od uwarunkowań gruntowych i własnościowych szybka realizacja pewność działania retransmisja WiMAX zabiera przepływność z obszaru najniższe koszty Przy budowie sieci stacji bazowych, dla doprowadzenia do nich transmisji konieczna jest infrastruktura transmisyjna sieć światłowodowa lub linie radiowe. Te ostatnie dają najszybsze i najmniej kłopotliwe realizacje. 35