Dimensionamento e analisi di impatto elettromagnetico di una rete Mobile WiMAX per applicazioni Personal Broadband

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Capitolo 2

1 Lo Scenario Operativo

2.1 Il Personal Broadband

Una defizione semplicistica e allo stesso tempo esaustiva di Personal Broadband potrebbe essere la seguente: il personal broadband è una fusione tra più tipologie di servizi; è la capacità di integrare servzi tradizionali quali il traffico voce o Internet, a servizi innovativi come ad esempio video streaming, email, gaming on line, istant messaging, video conference etc. il tutto senza essere legato ad una particolare tecnologia [12]. Dunque l’obiettivo del Personal broadband è quello di fornire qualsiasi tipologia di servizio legato alle telecomunicazioni, in un contesto di connettività “sempre e ovunque“; ciò vuol dire che l’utente può scegliere la modalità di accesso, se fissa, nomadica o mobile.

Ciò a cui mira dunque il concetto di Personal Broadband è concedere all’utente la massima flessibilità, sia in termini di portfolio di servizi offerti, sia in termini di mobilità, sia in termini di SLA (System Level Agreement). L’utente può accedere ai servizi previsti dal suo abbonamento indipendentemente dal terminale, e dunque senza preoccuparsi di velocità di connessione o disponibilità dei servizi stessi.

Si deduce da questo che il Personal Broadband è uno scenario operativo, in cui ogni utente ha un profilo unico e definito secondo le proprie necessità. Dunque non si tratta di una tecnologia o di una combinazione di tecnologie. Una combinazione tra una linea DSL, un access point WiFi pubblico e una rete 3G potrebbe fornire un servizio Personal Broadband, qualora i vari service providers raggiungano un accordo per il raggiungimento di questo scopo. In relazione a quanto detto, la tecnologia che da questo punto di vista si può definire vincente è ad oggi il Mobile WiMAX, in quanto capace di fornire servizi Personal Broadband, dunque in modalità fissa o mobile, mediante l’utilizzo di una sola infrastruttura di rete, e tutto questo grazie all’elevata efficienza spettrale,

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Lo Scenario Operativo

all’ampia canalizzazione e alle avanzate tecnologie multi-antenna supportate, (MIMO e Beamforming).

2.1.1 Possibilità di Business

Come già sottolineato nell’introduzione, il Personal Broadband rappresenta un’opportunità di business per diverse entità: gli operatori fissi, gli operatori mobili e gli operatori alternativi. Infatti se per i primi il business è rappresentato dalla possibilità di cominciare ad offrire quelli che sono i servizi innovativi, anche in mobilità, per gli operatori mobili, il vantaggio introdotto dal Personal Broadband sta nella possibilità di poter ampliare il proprio ventaglio di servizi, comprendendo indistintamente servizi voce e dati. Gli operatori alternativi infine intravedono nel Personal Broadband la possibilità di fronteggiare lo scenario competitivo sia wireless che wired proponendo servizi innovativi in un enviroment fisso, nomadico e mobile. È necessario sottolineare a questo punto che, qualora un operatore decida di offrire servizi in modalità Personal Broadband, è tenuto a prendere in considerazione diversi fattori che possono essere decisivi per il successo (o l’insuccesso!) della propria offerta [12]:

Va rimossa l’idea rigidamente imposta che ad ogni utente corrisponde un terminale: un utente può disporre di più terminali per accedere ai servizi previsti dal suo SLA;

Va rilevata l’eventuale presenza di un’infrastruttura già esistente sia a livello di accesso che di trasporto, al fine di dimensionare correttamente la rete e di stimare correttamente i CAPEX (Capital Expenditure) e gli OPEX (Operational Expenditure).

I requisiti di copertura, poichè il potenziale di mercato dipende fortemente dall’area di interesse e le prestazioni di una stessa tecnologia variano a seconda dello scenario di propagazione considerato;

I segmenti di mercato, poichè è necessario scegliere oculatamente la tipologia di utenti da servire. In tale contesto vanno dunque definite le classi d’utenza a cui ci si vuole rivolgere con la propria offerta

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(Residenziale, Unità Locali Micro, Unità Locali Piccole, Unità Locali Medie, Unità Locali Grandi);

Il portfolio di servizi da offrire al fine di definire in modo opportuno sia le caratteristiche tecniche (PIR e CIR) sia il relativo prezzo di posizionamento all’interno del mercato;

La disponibilità di spettro, per poter ben capire quale tipologia di servizi possono essere offerti;

I possibili competitors, sia in ambiente wired che wireless, per stimare il proprio market share nell’area di interesse e per definire correttamente il portfolio di servizi da offrire;

2.1.2 Mobile WiMAX

Le peculiarità che fanno del Mobile WiMAX la tecnologia più adatta a fornire servizi Personal Broadband, sono riassumibili tutte in un unico concetto: il Mobile WiMAX è una tecnologia pensata e realizzata per soddisfare i requisiti necessari a offrire qualsiasi tipo di servizio, innovativo o tradizionale. Il livello fisico del Mobile WiMAX è basato, come già detto, sulla Scalable OFDMA, che rappresenta un nuovo concetto di accesso multiplo. L’impiego di questa tecnica porta con se importanti benefici, primo fra tutti l’impiego di dispositivi non eccessivamente complessi e un più semplice management della mobilità, reso possibile da una core network interamente basata su protocollo IP ( All-IP) [11]. I principali vantaggi che il Mobile WiMAX presenta rispetto ad una potenziale tecnologia concorrente, sono riassunti brevemente qua di seguito:

Tolleranza al Multipath e alla Self-Interference: nel caso dell’OFDMA, i sottocanali sono tutti ortogonali tra loro e dunque le varie componenti del multipath non riescono a degradare le prestazioni del sistema. I sistemi basati su OFDMA sono dunque molto robusti da questo punto di vista e contrastano molto bene gli effetti dovuti al multipath. Inoltre il connubio tra l’ortogonalità dei vari sottocanali e l’utilizzo del prefisso ciclico porta

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l’ulteriore vantaggio di rendere meno stringenti i requisiti di sincronizzazione temporale.

Flessibilità della Banda di canale : la scalabilità è ottenuta modificando la dimensione della FFT relativamente alla banda di canale e fissando la spaziatura tra le varie sottoportanti; fissando infatti la spaziatura tra le sottoportanti e la durata di ciascun simbolo, l’unità di misura delle risorse fisiche è fissata. Inoltre l’impatto che si ha sui livelli superiori variando la

banda di canale è minimo. Grazie a questa flessibilità

nell’implementazione di diverse larghezze di banda, il Mobile WiMAX gode di elevati throughput aggregati per ciascun settore, e questo porta a diversi vantaggi, quali un più efficiente multiplexing del traffico dati, minori latenze e elevata QoS

Accesso multiplo su frequenze ortogonali in uplink: il vantaggio per l’OFDMA sta nel fatto che poichè gli utenti sono allocati su differenti porzioni del canale, è praticamente assente l’interferenza d’accesso multiplo (MAI) tra i vari utenti. Inoltre l’OFDMA supporta ordini di modulazione più elevati in uplink, e ciò implica una maggiore efficienza spettrale in uplink. Grazie all’OFDMA dunque il Mobile WiMAX è in grado di fornire un throughput bilanciato tra downlink e uplink.

Frequency Selective Scheduling: Un segnale che viaggia attraverso un’infrastruttura Mobile WiMAX occupa una porzione dell’intera banda a disposizione. Nei canali wireless broadband, due utenti allocati su porzioni spettrali diverse possono sperimentare condizioni di propagazione differenti. Il Mobile WiMAX supporta il frequency selective scheduling per poter beneficiare in pieno dei vantaggi offerti dalla diversità frequenziale di un sistema multi-utente e per migliorare la QoS. La permutazione di sottoportanti adiacenti rende possibile allocare una certa quantità di sottoportanti ad un utente mobile a seconda dell’intensità del segnale sperimentata da quell’utente

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Quality of Service: il WiMAX è stato sviluppato fin dall’inizio per venire incontro a quei requisiti necessari a supportare i servizi broadband. In questa tecnologia è definito un livello di QoS per ciascuna tipologia di servizio. Poichè generalmente il mezzo trasmissivo rappresenta il collo di bottiglia, mediante una gestione connection-oriented della QoS si riesce ad effettuare sulla QoS stessa un controllo end-to-end. I parametri relativi ad un service flow possono essere modificati dinamicamente mediante messaggi a livello MAC, per poter soddisfare la richiesta di un servizio che è appunto variabile nel tempo. I service flows hanno gli stessi meccanismi di controllo sia in downlink che in uplink, e questo per poter così migliorare la QoS in entrambe le direzioni. Un altro vantaggio ottenuto grazie all’ortogonalità delle sottoportanti è rappresentato dal fatto che non c’è interferenza intra-cella ne in downlink ne in uplink. Quindi la qualità del collegamento e la QoS possono essere controllate dallo scheduler della base station abbastanza facilmente. L’elevato throughtput del sistema consente di implementare in modo efficiente il multiplexing e presenta ritardi di latenza contenuti. Dunque grazie alla velocità del mezzo trasmissivo, all’elevato throughput di sistema, alla capacità simmetrica in downlink e in uplink, all’allocazione flessibile delle risorse il Mobile WiMAX riesce a supportare una vasta gamma di servizi dati e di applicazioni con requisiti variabili di QoS.

Grazie all’utilizzo del multicarrier (OFDM/OFDMA) il Mobile WiMAX è

più adatto a supportare le tecnologie smart antennas, e in particolare si possono utilizzare le tecniche del Beamforming, dello Space-Time Coding, e dello Spatial Multiplexing. L’utilizzo di queste tecniche consente di incrementare le prestazioni sia in termini di capacità che in termini di copertura. Il Mobile WiMAX inoltre permette di passare dinamicamente a seconda delle condizioni di canale da una tecnica all’altra. Lo Spatial Multiplexing ad esempio consente di incrementare il throughput ma se le condizioni di canale sono particolarmente degradate si ha un’innalzamento della Packet Error Rate che porta ad una limitazione

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del raggio di copertura. Lo Space

ottenere un’ampia copertura indipendentemente dalle condizioni di canale ma non offre nessun incremento del throughput. Infine il Mobile WiMAX supporta l’Adaptive MIMO Switching (AMS),

di utilizzare le varie tipologie di tecnologia MIMO in maniera adattiva; i parametri del sistema sono ottimizzati a seconda delle condizioni del canale attraverso tecniche di link adaptation mediante le quali si riesce a tracciare l’andamento tempo

wireless. In questo modo si riesce a massimizzare l’efficienza spettrale senza ridurre eccessivamente l’area di copertura [11].

Figura 1 – Prestazioni dell’AMS

2.2 Area di Interesse

L’area di interesse per l’obiettivo di questo lavoro di tesi comprende il comune di Pisa ed è riportata nella

del raggio di copertura. Lo Space-Time Coding di contro consente di ottenere un’ampia copertura indipendentemente dalle condizioni di canale ma non offre nessun incremento del throughput. Infine il Mobile WiMAX supporta l’Adaptive MIMO Switching (AMS), meccanismo che permette di utilizzare le varie tipologie di tecnologia MIMO in maniera adattiva; i parametri del sistema sono ottimizzati a seconda delle condizioni del canale attraverso tecniche di link adaptation mediante le quali si riesce a l’andamento tempo-variente delle caratteristiche del canale wireless. In questo modo si riesce a massimizzare l’efficienza spettrale senza ridurre eccessivamente l’area di copertura [11].

Prestazioni dell’AMS sourec:WiMAX Forum

Area di Interesse

L’area di interesse per l’obiettivo di questo lavoro di tesi comprende il comune di Pisa ed è riportata nella Figura 2:

Time Coding di contro consente di ottenere un’ampia copertura indipendentemente dalle condizioni di canale ma non offre nessun incremento del throughput. Infine il Mobile WiMAX meccanismo che permette di utilizzare le varie tipologie di tecnologia MIMO in maniera adattiva; i parametri del sistema sono ottimizzati a seconda delle condizioni del canale attraverso tecniche di link adaptation mediante le quali si riesce a variente delle caratteristiche del canale wireless. In questo modo si riesce a massimizzare l’efficienza spettrale

sourec:WiMAX Forum

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Figura 2 – Area di Interesse: Comune di Pisa

L’area si estende per una superficie di circa 21.875 km2 e interessa praticamente tutta la zona urbana del comune di Pisa. Lo scenario che si è considerato per il dimensionamento della rete e per la scelta del modello di path loss, è di tipo suburbano1.

1

Si può operare infatti la classificazione degli scenari come segue:

Scenario urbano, caratterizzato da un’elevata densità di popolazione e dalla presenza di

edifici particolarmente elevati, in cui dunque è molto probabile che ci si trovi in condizione di propagazione NLOS e in cui il segnale risulterà particolarmente degradato dalla folta presenza di ostacoli; essendo comunque uno scenario in cui sono presenti uffici e dunque in cui è alta la percentuale di manager e uomini d’affari, c’è un’elevata probabilità di sviluppo per una tecnologia Personal Broadband come il Mobile WiMAX; è necessario a tal proposito operare in bande licenziate per garantire una elevata QoS ed evitare fenomeni di interferenza;

Scenario suburbano, tipicamente caratterizzato da una densità di popolazione contenuta.

Sono presenti piccoli condomini, centri commerciali, grandi magazzini con un’elevata densità di potenziali utenti. È uno scenario in cui è conveniente operare su bande licenziate per evitare problemi di interferenza, in quanto la possibilità di sviluppo per una tecnologia Personal Broadband continua ad essere è abbastanza elevata;

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Come potenziali utenti sono state considerate due categorie: gli individui e le unità locali costituite da 1 o 2 addetti. Il target relativo alla prima categoria è stato calcolato in questo modo: dalla popolazione totale residente nell’area di interesse è stato sottratto il numero di individui di età inferiore a 10 anni e il numero di infividui di età superiore a 70 anni. Al numero così ottenuto è stato aggiunto il numero degli studenti pendolari e fuori sede iscritti all’università di Pisa. Il target è risultato dunque pari a 93171 individui, ossia pari circa al 70 % dell’intera popolazione presente nell’area di interesse.

Per quanto riguarda invece la categoria delle unità locali invece il target è stato assunto pari al 100 %.

Il design di una rete Mobile WiMAX parte dal piano di marketing dell’operatore, in cui sono definiti i servizi che si vogliono offrire, le tipologie di utente che si punta a servire e le tariffe da proporre. È questa una fase che richiede una completa analisi del mercato e dei competitors presenti sul territorio.

Il piano di marketing è seguito dal piano ingegneristico ed è qui che avviene il vero e proprio design della rete. Esso parte dallo studio dello scenario RF, dei prodotti offerti dai vari vendors e dall’analisi della disponibilità dei siti. Il passo successivo è quello di definire con precisione il target di utenza in accordo con quanto stabilito nel piano di marketing. Questo avviene raggruppando gli utenti secondo comuni peculiarità e necessità. In particolare tali gruppi sono detti Service Classes e possono essere distinti a seconda della tipologia di terminale, dello scenario RF, o del tipo di sottoscrizione. È importante cercare di minimizzare il numero di Service Classes per poter così semplificare l’analisi. L’estensione di una Service Class dovrebbe essere definita mediante le cosiddette Traffic Distribution Grid. Fatto ciò si possono posizionare i siti e assegnare le risorse. Infine le prestazioni della rete vengono monitorate mediante i relativi Key Performance Indicators (KPI).

Scenario rurale, ossia zone caratterizzate dalla scarsa presenza di abitazioni, tipicamente dunque

si tratta in generale di zone lontane dalle aree urbane, in cui si ha la parziale o in taluni casi la totale assenza di accesso mediante tecnologia wired a causa della particolare ubicazione. Dunque in questo caso una teconologia Personal Broadband mira a fornire servizi di base in grado di sopperire alla mancanza delle normali connessioni xDSL.

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2.3 Service Classes

La suddivisione dei potenziali utenti in classi risulta indicativa per un operatore nel momento in cui vanno definiti i profili dei servizi che si vogliono offrire. Supporremo di suddividere i potenziali utenti in due grandi classi di servizio:

gli utenti Residenziali: per questa tipologia di utenti saranno previsti profili a medio e basso throughput; si supporrà che i potenziali utenti appartenenti a questa categoria siano studenti e in generale persone che hanno si la necessità di accedere ad Internet, ma in maniera non vincolante per quanto riguarda le velocità trasmissive;

gli utenti Business: gli utenti compresi in questa categoria sono quelli che richiedono servizi mobile broadband per esigenze di business e anche per utilizzo personale. Le applicazioni tipiche richieste da questa tipologia di utente spaziano dall’Email, al video conferencing, al download di file. Dunque per questa categoria di utenti i profili prevederanno throughput più elevati;

è da sottolineare il fatto che il contratto che un ipotetico utente sottoscrive con l’operatore WiMAX è un contratto che riguarda solo quel determinato utente e di fatto dunque è assimilabile alla tipologia di sottoscrizioni tipica della telefonia cellulare. Ciò di cui si tiene conto nella stima dei potenziali utenti è il fatto che per utente si intende la singola persona, e che mediante il suo abbonamento può accedere ad Internet da una qualsiasi dispositivo, fisso o mobile, che si trovi all’interno dell’area di copertura della rete dimensionata.

2.4 Profili di servizio

Per semplicità si è assunto un profilo di servizio per ciascuna tipologia di utenza definita. Si è supposto che il portfolio di servizi da offrire prevedesse due profili per l’accesso broadband ad Internet e una linea VoIP per il traffico voce. I parametri relativi all’accesso broadband ad Internet, e in particolare per entrambe le classi di utenza definite sono riportati in Tabella 1; essi sono il PIR (Peak Information Rate) che è definito come il massimo data rate con cui un utente può

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trasmettere durante un’ora non di picco, l’Overbooking Factor che è rappresenta il numero massimo di utenti che possono trasmettere sulla stessa banda, e infine il CIR (Committed Information Rate) che indica il minimo data rate garantito a ciascun utente durante le ore di picco. L’Overbooking Factor è un parametro molto importante poiché necessario alla valutazione del CIR:

Tabella 1 – Profili di Servizio offerti

Dalla Figura 3 si può notare come al crescere dell’Overbooking Factor si ha una corrispondente diminuzione dell’Information Rate, supponendo di avere un PIR di 4,096 Mbps.

Figura 3 – Information Rate al crescere dell’Overbooking Factor

2.5 La Scelta Tecnologica

Di seguito si passa a descrivere le assunzioni tecnologiche che sono state fatte per il dimensionamento della rete nell’area di interesse. L’obiettivo, come già ricordato più volte è quello di progettare una rete con tecnologia Mobile WiMAX per la fornitura di servizi Personal Broadband nel comune di Pisa. I profili messi a

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 In fo rm a ti o n R a te [ M b p s ] Numero di Utenti

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confronto sono il profilo 5CL ovvero quello che opera nella banda licenziata a 3,5 GHz con canalizzazione a 10 MHz e formato del duplexing TDD, e il profilo 1B a 2,5 GHz con canalizzazione a 10 MHz e formato del duplexing TDD.

2.5.1 Banda di Canale

La procedura per la gara d’assegnazione dei diritti d’uso delle frequenze WiMAX in Italia, prevedeva il rilascio di 3 diritti d’uso complessivi delle frequenze disponibili nella banda 3,4 – 3,6 GHz indicati come Blocco A, Blocco B e Blocco C, ciascuno di ampiezza parti a 2x21MHz. La scelta più opportuna per la banda di canale era quella che prevedeva una larghezza di banda di 10 MHz in modo da sfruttare al massimo la porzione di spettro a disposizione. Supponendo infatti di avere a disposizione due blocchi adiacenti di 21 MHz ciascuno per un totale di 42 MHz, la soluzione ideale che massimizza l’efficienza spettrale è quella rappresentata da 4 canali da 10 MHz ciascuno con 1 MHz di banda di guardia per ciascun lato del blocco. La Figura 4 espone meglio la situazione:

Figura 4 – Channel Bandwidth

2.5.2 Frequency Reuse

Si è scelto di utilizzare un fattore di riuso delle frequenze pari a 3, dunque ogni settore della base station trasmette una diversa frequenza operativa. Come si sa un fattore di riuso pari a 7, avrebbe si consentito di mitigare ulteriormente la Co-Channel Interference (CCI), garantendo una spaziatura minima di 5:1 tra il segnale interferente e il segnale utile, ma avrebbe richiesto uno spettro 7 volte più grande. Grazie all’introduzione di tecniche di accesso come CDMA con le tecnologie 3G e come OFDMA col la tecnologia WiMAX, è stato possibile implementare fattori di riuso più bassi per aumentare così l’efficienza spettrale. Alternativamente si sarebbe potuto scegliere un fattore di riuso pari ad 1. Questo

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approccio è conveniente quando è disponibile una scarsa quantità di spettro. Lo svantaggio tipico di questo approccio è che per limitare la CCI a bordocella si utilizza uno schema di permutazione delle sottoportanti pseudocasuale. Questo si paga in termini di capacità di canale in downlink, poichè parte di essa è sacrificata non essendo tutte le sottoportanti utilizzate al massimo.

2.5.3 Antenne Multiple

Si è assunto che su ogni settore di ciascuna base station fossero presenti due antenne in modo tale da implementare lo Space Time Code (STC) ottenendo così un guadagno di diversità sul collegamento in downlink pari a circa 3 dB. Per quanto riguarda invece il terminale utente l’ipotesi fatta è quella di considerare due antenne in ricezione in modo da poter implementare l’MRC che comporta dunque altri 3 dB di guadagno sul link budget complesivo del collegamento in downlink.

2.5.4 Duplexing

Per quanto riguarda il formato del duplexing si è assunto che fosse supportato il TDD in quanto che la maggior parte dei profili di certificazione sanciti dal WiMAX Forum prevedono che il formato del duplexing sia il Time Division Duplexing (TDD). Questo perchè come visto nel Error! Reference source not

found., il TDD presenta diversi vantaggi rispetto al Frequency Division

Duplexing (FDD).

2.5.5 Altre Considerazioni Generali

Sia per la frequenza a 2.5 GHz che per quella 3.5 GHz, è stato assunto che tutte le base station, fossero direttamente connesse alla rete di backbone mediante collegamento in fibra ottica.

Le dimensioni delle antenne utilizzate per lo scenario 1B risulteranno maggiori rispetto a quelle utilizzate nello scenario a 3.5 GHz.

Analogamente si è fissato il valore del guadagno d’antenna per la CPE pari a 2 dBi per entrambe le frequenze di interesse.

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I valori di sensitivity considerati per ciascuna modulazione utilizzata, sono quelli indicati da Alcatel Lucent. Non sono stati considerati quelli indicati nello standard IEEE 802.16e-2005 poichè questi risultano essere molto più restrittivi e rappresentano di fatto solo un riferimento per i produttori.

I margini di interferenza e di fading, le cifre di rumore e le potenze trasmesse sono stati assunti identici nei due casi considerati, e sono riportati nel paragrafo 2.7.

2.6 La Selezione degli Apparati

2.6.1 Le Base Station

Come riferimento per la definizione dei parametri di configurazione della Base Station, necessari per il link budget sono stati valutati gli apparati di 5 dei maggiori produttori di dispositivi per reti WiMAX. Le BS sono state scelte tenendo conto che si vuole eseguire un confronto prestazionale e a livello di impatto elettromagnetico tra il profilo a 2.5 GHz e quello a 3.5 GHz. In particolare sono state selezionate le seguenti Base Station:

Nortel – WiMAX BTS 5020

Huawei – BS 3703

Nokia Siemens – WayMAX Base Stations

Telsima - Starmax 6400

Alcatel Lucent – 9170 C-WBS

una descrizione dettagliata di questi prodotti e dei loro parametri di configurazione è riportata nella Tabella 2.

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Tabella 2 – Base Station selezionate

In base alle caratteristiche dei modelli di Base Station considerati si possono fare delle ipotesi sui parametri necessari al calcolo del link budget.

Innanzitutto si è considerata un’altezza media di 35 metri per ogni base station. Per quanto riguarda sia la potenza al connettore d’antenna sia il guadagno di antenna in trasmissione si può assumere una media dei valori riscontrati dai datasheet dei modelli considerati. In particolare si assumerà che la potenza massima erogabile al connettore d’antenna sia pari a 37 dBm sia per il profilo a 2,5 GHz che per quello a 3,5, mentre il guadagno d’antenna per ogni antenna della base station sia è assunto pari a 17 dBi, ottenendo così un valore di EIRP complessiva di 54 dBm. Questo valore rispetta ampiamente i vincoli imposti dalla normativa ECCREC(04)05 in termini di EIRP per un ripetitore che lavora nella banda compresa tra i 3.4 GHz e i 3.6 GHz [15]. Inoltre si è assunto un valore delle perdite dovute ai cavi e ai connettori presenti tra il trasmettitore e l’antenna pari complessivamente a 2 dB per entrambi gli scenari.

2.6.2 Gli User Terminal

Analogamente a quanto fatto per le base stations si è proceduto alla selezione di un certo numero di CPE in modo da ottenere un riferimento per la definizione dei parametri necessari al link budget. Sono state considerati i seguenti dispositivi:

ZyXel – Max 100/110;

Motorola - PCCw 200 / USBw 100;

Airspan - MiMAX;

Telsima - StarMAX 3210/3220;

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Tabella 3 – User Termina Selezionati

La potenza trasmessa all’antenna della scheda PCMCIA è stata assunta pari a 23 dBm ad entrambe le frequenze considerate. Si è assunto che la modulazione implementata sia l’OFDMA e che dunque in uplink sarà presente un guadadno di sottocanalizzazione dato dal numero di sottocanali utilizzati. A differenza di quanto assunto per il caso della base stations in cui sono stati considerati 2 dB di perdite dovuti ai cavi e ai connettori, nel caso del terminale utente questo non avviene in quanto non vi sono ne cavi ne connettori di una lunghezza tale da poter introdurre una simile perdita.

2.7 Analisi del Link Budget

Il link budget è il bilancio delle perdite e dei guadagni di potenza che concorrono al calcolo della potenza ricevuta in ogni punto dello spazio, nel collegamento tra una BS e un terminale utente.

Nel caso in cui la rete che si sta considerando sia sbilanciata, ossia in cui le prestazioni di BS e UT sono differenti, il link budget va calcolato considerando il collegamento peggiore che in linea di massima è sempre quello in downlink.

Per ciascuna modulazione considerata è fissata una soglia di sensitivity, che corrisponde al valore minimo di potenza al di sotto del quale il segnale risulta indecifrabile al ricevitore.

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La potenza ricevuta per ciascuna modulazione che si ottiene dal calcolo del link budget dovrà essere superiore alla sensitivity corrispondente a quella determinata modulazione.

La potenza ricevuta è data da:

handover RX div RX RX ant path TX TX div RX EIRP G L L M G L G G P = + , − − − + , − + , +

dove con EIRP si indica l’ Equivalent Isotropic Radiated Power ed è il fattore di trasmissione che rappresenta la potenza che si dovrebbe fornire in ingresso ad un’antenna isotropica per ottenere la stessa potenza trasmessa dall’antenna direttiva in esame. Questo parametro in scala logaritmica è dato dalla somma tra la potenza in trasmissione al connettore d’antenna e il guadagno d’antenna in trasmissione, che per ogni antenna è fornito dal costruttore.

TX div

G _, _{rappresenta il guadagno di diversità in trasmissione, che si ottiene} utilizzando tecniche di diversità. Per questo progetto di tesi, come già specificato precedentemente, la tecnica di diversità implementata è lo Space Time Code. Tale tecnica nella tipologia del MIMO Matrix A e consente aumentare il SNR (o SINR) senza incrementare ulteriormente il throughput.

TX

L _{è il valore dell perdite complessive che si generano tra il trasmettitore e}

l’antenna trasmittente. Tipicamente si tratta di perdite dovute a cavi, connettori, dissipatori etc. Se si calcolasse il link budget del collegamento in uplink bisognerebbe tener conto anche delle perdite dovute all’assorbimento da parte del corpo umano di chi utilizza il dispositivo trasmittente (UT). Tipicamente tali perdite sono pari circa a 3 dB.

path

L _{è il Path Loss ed è il parametro che tiene conto dell’attenuazione del} segnale dovuta alla propagazione su un canale non ideale. Il path loss si ricava a partire dal modello di propagazione che si utilizza per predire l’intensità del segnale in un certo punto dell’area considerata.

M rappresenta il margine totale alla cui definizione concorrono diversi elementi, infatti si ha che

pen fast M M

M M

M = log + + int +

Analizziamo i vari contributi che concorrono alla determinazione del Margine totale.

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log

M _{è il Log Normal Fade Margin ed è definito dalla relazione}

(

_cov

)

1

log Q 1 P

M =

σ

⋅ − −

dove

σ

è la deviazione standard del Log Normal Shadowing e P è la cov

probabilità di copertura a bordo cella.

Il Log Normal Fade Margin tiene conto del fatto che due ricevitori posti alla stessa distanza dal trasmettitore possono sperimentare fading differenti. Questo parametro dipende dalla deviazione standard del livello medio del segnale ricevuto e dalla probabilità di copertura a bordo cella. Valori tipici per il Log Normal Fade Margin sono tra i 6 dB e i 10 dB. In particolare si assumono valori intorno ai 7 dB per applicazioni outdoor (anche nel caso in cui un utente si trovi all’interno di un veicolo) per giungere a valori intorno ai 12 dB per applicazioni indoor. Per entrambe le frequenze considerate il valore di Mlog è stato assunto

pari a 10 dB.

Poichè si è scelto di dimensionare una rete capace di offrire servizi in bassa mobilità è normale che le caratteristiche del canale di comunicazione tra il trasmettitore e il ricevitore varieranno, e anche abbastanza rapidamente. Il fattore

fast

M _{è il Fast Fading Margin ed è definito come}

      − ⋅ = ) P ln( 1 Log 10 M cov 10 fast .

Esso tiene conto del fatto che il canale può variare molto rapidamente, ossia che l’intervallo di coerenza del canale risulti più piccolo della durata del pacchetto e dipende anch’esso dalla probabilità di copertura a bordo cella.

Tipicamente assume valori compresi tra i 2 dB e i 5 dB per applicazioni in bassa mobilità. Volendo garantire una probabilità di copertura a bordo cella pari al 90%

fast

M risulta pari a 5,41 dB per entrambi gli scenari.

int

M _{rappresenta l’Interference Margin e tiene conto delle possibili} interferenze e assume diversi valori a seconda che il dimensionamento della rete sia limitato dalla capacità o dalla copertura. Infatti nel primo caso il margine considerato assume valori compresi tra 1 dB e 3 dB, mentre i valori aumentano se invece il dimensionamento è limitato dalla copertura.

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Infine si considera il Penetration Margin Mpen, il quale tiene conto delle

attenuazioni del segnale dovute all’assorbimento da parte di edifici e veicoli. È stato assunto per semplicità di considerare applicazioni in bassa mobilità dunque l’utente sarà considerato fermo o in moto a velocità pedestri, dunque il valore da considerare per il Margine di Penetrazione sarà più verosimilmente quello relativo agli edifici. La normativa ECC/DEC/(07)01 indica i valori per tale margine in corrispondenza di diversi valori della frequenza; in particolare per le frequenze di nostro interesse si assumerà un valore del Penetration Margin pari a 10 dB per i 2,5 GHZ e pari a 12 dB per i 3,5 GHz.

Passando adesso ai parametri relativi al ricevitore si trova subito il guadagno d’antenna in ricezione Gant,RX, indice anche questo che viene fornito dal

costruttore, in quanto che, essendo le antenne dispositivi reciproci, coincide con il guadagno in trasmissione.

RX

L _{sono le perdite in ricezione, e analogamente a quanto avviene in}

trasmissione, tale parametro tiene conto di tutte le perdite dovute a connettori, cavi e quant’altro si trovi tra antenna ricevente e ricevitore.

RX div

G , è il guadagno di diversità che si ottiene dall’utilizzo di tecniche di

ricezione in diversità. In particolare nel nostro caso, avendo supposto che il terminale utente suopportasse l’MRC si avrà un guadagno di diversità in ricezione pari a 3 dB.

handover

G _{è il guadagno che dovuto al fatto che il terminale mobile è in grado di} distinguere e selezionare la BS che gli fornisce il segnale migliore. Dunque tale guadagno consente di contrastare il Log Normal Fade Margin ed tipicamente assume valori compresi tra i 2 e i 3 dB.

Riassumiamo per completezza i parametri di configurazione del sistema e quelli per il calcolo del link budget in downlink e in uplink per entrambe le frequenze, nelle tabelle seguenti [9]:

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2.8 Valutazione delle Prestazioni

Al fine di valutare il numero di base station necessarie a coprire l’area di interesse e a rispettare i requisiti richiesti per i servizi che si è previsto di offrire, si è proceduto al calcolo del raggio medio di copertura e della capacità media. Nella fase preliminare al dimensionamento ci si è avvalsi del supporto del tool TEA|WiMAX descritto nell’Annesso D. Mediante l’utilizzo del tool è stato possibile ricavare valutare il numero di base station necessarie a soddisfare i requisiti di copertura e capacità, in funzione del raggio medio di ciascuna base station e della capacità offerta per settore.

2.8.1 Calcolo del Raggio Medio

Per il calcolo del raggio medio teorico di copertura è stato scelto, per entrambe le frequenze, il modello di propagazione Log Normal Shadowing descritto in dettaglio nell’Annesso A In base a quanto previsto dallo standard, sono state selezionate le seguenti modulazioni, e per ognuna di esse, è stato imposto il valore dei seguenti parametri: coding rate, raw bit rate, capacità aggregata e, inizialmente, il SNR. La tabella seguente riporta i valori di tali parametri:

Tabella 7 – Setting dei parametri per lo standard da utilizzare

In realtà poiché un aspetto determinante per le prestazioni di una rete è l’interferenza, che può essere di vario tipo, in un secondo momento si è ritenuto più corretto considerare non il rapporto SNR ma il rapporto SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) che tiene conto, oltre che del rumore di fondo, anche dell’interferenza intercella che può presentarsi a causa della potenza emessa da due siti adiacenti.

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I valori di SNIR considerati sono quelli utilizzati in [17] e sono riportati nella insieme alle corrispondenti modulazioni e ai valori di sensitivity:

Tabella 8 – Signal to Interference plus Noise Ratio

Sono stati scelti i valori di SNIR relativi al VoIP poichè esso rappresenta il servizio con i requisiti minimi di QoS più stringenti. I valori di SINR utilizzati garantiscono per il VoIP una SLER (SLot Error Rate) minore di 10-3.

Per lo scenario considerato è stato imposto un valore del path loss exponent pari a 3.8 dB e una distanza di riferimento pari a 100 metri.

Il raggio medio è ottenuto pesando il raggio massimo di ciascuna modulazione mediante le percentuali di distribuzione del datarate, riportate in Tabella 9:

Tabella 9 – Percentuali di distribuzione del data rate per ciascuna modulazione

Tali percentuali sono state imposte tenendo presente che trattandosi di uno scenario suburbano si avrà un carico di traffico maggiore alle modulazioni di ordine più alto per fornire agli utenti una maggiore capacità.

Come si può notare dalla Tabella 10 il numero di base station necessario a soddisfare il requisito di copertura per le due frequenze considerate è diverso. Infatti per i 3.5 GHz sono necessari 10 siti mentre alla frequenza di 2.5 GHz ne servono 8.

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Tabella 11 – Raggio medio di copertura

Tale risultato assume interesse se si assume che il numero di potenziali utenti e l’area geografica da coprire sono identici in entrambi gli scenari.

2.8.2 Calcolo della Capacità Media

Il calcolo della capacità media dipende ovviamente dalla capacità che si vuole ottenere con ciascuna delle modulazioni considerate. In questo contesto si intende per capacità il Raw Bit Rate, ovvero la velocità trasmissiva relativa ai soli simboli utili, cioè quelli contenenti l’informazione d’utente. In pratica non viene considerato ne il simbolo di preambolo del frame, ne i simboli di overhead. Allora l’espressione per il calcolo del Raw Bit Rate per ciascuna delle modulazioni considerate sarà la seguente:

F f OFDM S SC D b R T N N r M Log R ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 2 − −

dove M è il numero di bit per ciascun simbolo della modulazione considerata, r è il coding rate, RF è il fattore di ripetizione assunto unitario per tutte le

modulazioni, TF è la durata del frame pari a 5 ms, ND-SC è il numero di

sottoportanti dati, NS-OFDM è il numero di simboli OFDM utili all’interno di ogni

frame. Per una maggior chiarezza nella Tabella 12 sono riporrtati i valori dei suddetti parametri in base a quanto stabilito per i profili di certificazione considerati:

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Per entrambi i servizi offerti, sono state individuate le percentuali di utilizzo sia per i singoli individui, che per le Unità Locali:

Tabella 13 – Percentuali di utilizzo dei Servizi

In base a tali percentuali il tool ha fornito i seguenti risultati in termini di capacità:

Tabella 14 – Capacity Requirements; Numero di BS e carico di settore

Dunque in termini di capacità, per entrambi gli scenari, il numero di BS necessarie a soddisfare i requisiti di target è pari a 11.

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