Czy technologia LTE jest w zasięgu lokalnego ISP?

[miejsce publikacji] ICT Professional, Nr 4 – jesień 2014, strona 38.
[rubryka] Technologie

[autor] Krzysztof Korzunowicz

[tytuł] Czy technologia LTE jest w zasięgu lokalnego ISP?

___________________________________________________________________________________________________________
 
Z cyklu „Zapytaj eksperta” – Czy technologia LTE jest w zasięgu lokalnego ISP?
 
Wbrew powszechnej opinii LTE to nie tylko narzędzie w rękach dużych graczy GSM. Nasz ekspert spróbuje przybliżyć Wam pogląd, że technologia ta może być wykorzystywana także przez lokalnych dostawców Internetu. Pytamy też o inne, istotne z punktu widzenia małych i średnich operatorów telekomunikacyjnych, aspekty technologii LTE.
Ekspertem, który odpowiada na Wasze pytania jest Pan Krzysztof Korzunowicz. Inżynier z wieloletnim doświadczeniem. Obecnie w firmie SEQUENCE pełni stanowisko Presales Managera i Specjalisty ds. LTE.
               Pytania do naszego eksperta napływały do redakcji różnymi kanałami. Część z nich się powielała. Dało się jednak zauważyć trzy nurtujące naszych czytelników kwestie – wymagania i wydajność systemu a następnie koszty. Poniżej publikujemy wybrane pytania naszych czytelników oraz odpowiedzi eksperta.
 
1.       Jakie są wymagania formalne wybudowania stacji bazowej (pozwolenia na budowę, opinia środowiska, koncesja na częstotliwość, itp.)?
Jeśli używany jest zakres częstotliwości nielicencjonowanej (5,8 Ghz), stacja bazowa będzie stała na wysokim budynku na jakimś stelażu, a moc nadawania będzie mieściła się w limicie poniżej 1 W (30 dBm) dla częstotliwości 5,8 Ghz,  to w zasadzie nic nie jest potrzebne. Takie warunki oznaczają jednak znacząco mniejszą moc, jaką można wypromieniować ze sprzętu i zasięg będzie bardzo mały (do 2 km). W każdym przypadku odejścia od powyższych założeń trzeba już się bardziej wysilić. Wieża poniżej 50m wymaga pozwolenia na budowę, ale nie wymaga specjalnego malowania (powyżej 50m już tak i jest to drogie). Opinia środowiskowa jest potrzebna przy promieniowaniu powyżej 100 W (50 dBm) w częstotliwościach licencjonowanych i dodatkowo jeśli anteny wiszą bardzo blisko siedlisk ludzkich lub obszarów chronionych (Natura2000, rezerwaty itp.) nawet przy mniejszej mocy. Zależy to od decyzji gminy. Koncesja z UKE jest konieczna przy wykorzystaniu jakiejkolwiek częstotliwości licencjonowanej.
2.       Na jakich zakresach częstotliwości jest dostępne LTE dla ISP?
LTE TDD może działać w różnych zakresach. Produkty aktualnego lidera polskiego rynku (Huawei) poza standardowymi komórkowymi częstotliwościami mają możliwość działania w zakresach 2,3/3,5/3,7/5,8 GHz. Inni dostawcy dopasowują się do tego. Na polskim rynku najczęściej używane są częstotliwości 3,5 i 3,7 Ghz, bo je najprościej zdobyć.
3.       Czy każdy może otrzymać przydział częstotliwości ?
Każdy może wystąpić do UKE o przydział częstotliwości. Aktualnie na potrzeby LTE TDD najprościej znaleźć częstotliwość z zakresów 3,5 i 3,7 GHz. W niektórych obszarach są po prostu dostępne w UKE. Dla innych trzeba porozmawiać z tymi, którzy mają tam dzierżawę, ale zdobycie częstotliwości jest do wykonania.
4.       Czy wiążą się z tym jakieś limity, ograniczenia, przetargi? A jeśli już o paśmie mowa, to czy usługę LTE można świadczyć w paśmie niechronionym ? Na jednym z forów padło stwierdzenie, że można do tego celu wykorzystać pasmo 5GHz. Co Panu wiadomo na ten temat?
Jeśli częstotliwość jest w UKE (tzn. nikt nie ma na nią dzierżawy) to zawsze po wyrażeniu zainteresowania przynajmniej przez jedną organizację jest ogłaszany przetarg.
Wysokie nielicencjonowane częstotliwości (5,8 Ghz) mogą być wykorzystywane na potrzeby LTE TDD ale zasięg jest przy nich mocno ograniczony ze względu na dozwoloną moc 1 W. Można starać się o zezwolenie na większą moc nadawania w UKE i nie jest to duży problem, ale za to niedogodnością jest to, że na tych częstotliwościach robi się tłok. Niestety systemy TDD bez synchronizacji wzajemnej bardzo sobie przeszkadzają.
5.       Jaka jest wydajność systemu / pasma? Jak duże są zasięgi od stacji bazowej?
Wydajności systemów są podobne i wynikają ze standaryzacji 3GPP. Na dzień dzisiejszy można mówić, że dla częstotliwości 3,5 i 3,7 GHz przy maksymalnie 12 km średnicy można liczyć średnio 50 Mb/s z sektora stacji o kanale 10 Mhz i 100 Mb/s z 20 Mhz kanału. Przy czym maksymalna liczba sektorów to 4. W sumie 200 Mb/s przy 10 Mhz i 400 Mb/s przy 20 Mhz. Wraz ze wzrostem zasięgu prawdopodobieństwo, że klient zostanie obsłużony przy maksymalnej modulacji spada. A to z kolei oznacza, że sumaryczna prędkość transmisji również spadnie. Powyższe zakłada podział DL:UL = 3:1.
6.       Ilu użytkowników można podłączyć do jednej stacji bazowej przy zachowaniu przyzwoitych parametrów łącza? Przyzwoite parametry należy rozumieć jako stabilne pasmo dla każdego klienta DL=10Mbps oraz UL=5Mbps ping około 30 (+/-10) ms.
Tak zdefiniowany szczęśliwy klient z punktu widzenia operatora ma bardzo ograniczony sens, dlatego, że stacja przyjmie dosłownie kilku takich klientów a potem parametry transmisji muszą spaść.  Dzieje się tak dlatego, że przy ustawieniu podziału czasowego DL:UL=3:1, maksymalny UL jaki można wycisnąć z kanału 10Mhz  to 6 Mb/s. Nawet jak mamy 20 MHz to jest to raptem 12 Mb/s. Za to ping powinien mieścić się w zakresie podanym w pytaniu przy poprawnie skonfigurowanej sieci.
W skrócie działanie sieci LTE musi zakładać nadsubskrypcję, żeby ten biznes się opłacił. Do analizy wykorzystana zostanie wartość 6 Mb/s w DL i brak gwarancji w UL. Używając wartości 400 Mb/s jako podstawowej i stwierdzając, że nie wszyscy korzystają z sieci w tym samym czasie i do tego rzadko z pełną prędkością, można przyjąć przyjazny dla użytkownika końcowego wskaźnik nadsubskrypcji rzędu 5. Zatem efektywnie mamy 1 Gb/s dla naszych klientów. Jeśli chcemy, żeby każdy widział 6 Mb/s nie tylko w reklamie, ale czasem nawet w parametrach aktualnej transmisji, wtedy można ich podłączyć 166. Każdy kolejny będzie zmniejszał szansę na zobaczenie tej wartości. Przy znacząco mniej przyjaznym wskaźniku nadsubskrypcji rzędu 10, maksymalna liczba użytkowników na stację to 332, ale nie jestem przekonany że w przy takim ustawieniu użytkownik kiedykolwiek zobaczy obiecane 6 Mb/s.
7.       W jaki sposób spada jakość usługi w zależności od odległości od nadajnika ?
W odległości 12 km na częstotliwości 3,5/3,7 GHz, 90% urządzeń CPE powinno spinać się ze stacją na wysokich modulacjach. CPE, które mają widok bezpośredni, mogą się spinać na dużo większe odległości (rekord o jakim wiem to 38 km). Oczywiście mowa jest tu o CPE wystawionych za okno, z zasilaniem z gniazdka, na odpowiednim podwyższeniu. Na dalszych odległościach mogą pojawiać się sytuacje, w których:
a)      sygnał nie ma się od czego odbić, a jest w cieniu czegoś wysokiego,
b)      potrzebne jest za dużo bardzo stratnych odbić żeby sygnał dotarł,
c)       przypadek szczególny – a) i b), czyli np. las wysokich drzew liściastych zasłaniający CPE – najlepszy możliwy tłumik.
Efekt sprowadzi się to do tego, że sygnał z CPE nie będzie miał wystarczająco mocy na to, aby być „usłyszany” przez stację bazową, lub w ogóle do niej nie trafi.
Wszystko to co znajdzie się pomiędzy sytuacją optymalną (czyli widokiem bezpośrednim) a wielokrotnymi odbiciami ze stratą aż do poziomu szumu, będzie skutkowało tym, że zamiast modulacji najbardziej upakowanej (aktualnie 16QAM 0.93) zostanie użyta słabsza 16QAM lub QPSK. A to z kolei oznacza zmniejszenie ilości danych jakie stacja może przesłać i odebrać w ramach takiej transmisji. Ale to wszystko jest całkowicie zależne od położenia stacji, CPE i środowiska w jakim się znajdują.
8.       Czy lub od kiedy (od ilu stacji bazowych albo jak dużych inwestycji) opłaci się budować sieci LTE lokalnym operatorom ISP? Jakie są koszty związane z budową stacji nadawczej (np. 4×90 stopni), a jaki jest koszt stacji abonenckiej? Jakie są koszty związane z eksploatacją (opłaty za pasmo, dzierżawy, zużycie energii elektrycznej)? Czy wiadomo jest Panu coś na temat ewentualnych dotacji do takich inwestycji ?
Od końca: Dotacje na takie tematy na 100% pojawią się wraz z wdrażaniem programu Polska Cyfrowa, związanym z nową prognozą dofinansowań Unii Europejskiej, jak tylko rząd Polski się zdecyduje wydać konkretne wytyczne na ten program.
Koszty należy na dzień dzisiejszy liczyć tak: około 30k USD za stację, około 100k USD za rdzeń sieci i poniżej 200 USD za CPE. To są ceny początkowe, dla małej skali. Przy większej poprawią się. A to od ilu się to opłaca… Wydaje mi się, że bez problemu business case zamykać się będzie przy wykorzystaniu finansowania z UE opisanego wyżej. Niestety bez finansowania z UE projekt zapewne będzie wymagał dość dużej skali. Ale nie jestem w stanie dokładnie podać ile, bez konkretnych danych o możliwych przychodach i kosztach związanych z dzierżawą działek na wieże, kosztów radiolinii (lub światłowodów) między stacjami, wież itd. Oczywiście da się taką analizę zrobić.
9.       Co poza dużą szybkością transmisji danych jest zaletą tej technologii? Jak skomplikowana jest to technologia? Jakie są przykłady sieci, które już świadczą usługę w technologii LTE ?
W województwie Zachodniopomorskim powstaje sieć LTE 3,8 Ghz budowana przez ISP.
Poza szybkością transmisji zaletą jest jej długi przewidywany czas życia i rozwoju, niska komplikacja w porównaniu do sieci 2G i 3G a także praktycznie brak konkurencji technologicznej w typie dostępu punkt-wielopunkt.