Riporto qui di seguito un lungo post di Luca Spada (CEO di NGI) riguardo gli sviluppi della rete EOLO verso il … wimax! (qui l’originale)

NGWN: Next Generation Wireless Network. La rete EOLO in 802.16e.
Come alcuni di voi ha già intuito da qualche settimana abbiamo iniziato a installare alcune nuove BTS nell’innovativa tecnologia 802.16e (volgarmente chiamato WiMAX).

L’attualmente tecnologia: 802.11h, utilizzata sin dalla nascita di EOLO, è stata sviluppata circa 15 anni fa per fornire larga banda wireless in contesti indoor con un basso numero di client collegati.
L’evoluzione del software di gestione del protocollo e il miglioramento di sensibilità degli apparati radio ha consentito di utilizzare l’802.11h anche in outdoor e con un elevato numero di utenti per cella, collegati e distanze diverse.

Tuttavia il protocollo ha dei limiti intrinseci che lo rendono inadatto per la realizzazione di reti geografiche estese dove il numero di clienti si misura in decine o centinaia di migliaia.
Vediamo quali sono i limiti più noti:

Piccolo glossario:
Cella = radio-antenna lato BTS che serve una certa area geografica a cui sono collegate le CPE
CPE = radio-antenna lato cliente

1) Inefficiente sistema di condivisione del canale radio

L’802.11a utilizza un singolo canale radio sia per la trasmissione che la ricezione dei pacchetti (TDD). Quindi le varie unità (indipendentemente dal fatto che siamo la BTS o le CPE) si scambiano i dati sempre e solo su un unico canale radio.
L’unicità del media non consente di effettuare trasmissioni contemporanee e quindi ogni unità deve impegnare il canale radio per la trasmissione del suo pacchetto dati in modo univoco.
Dato che una delle prerogative dell’802.11h era la semplicità del protocollo (per avere economicità degli apparati e facilità di installazione) è stato scelto come sistema di condivisione del media il CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Il sistema ricorda abbastanza quello usato nelle reti Ethernet ai tempi del cavo coassiale o gli HUB.
Quando un’unità ha qualcosa da trasmettere attende di vedere il canale libero e appena possibile trasmette il suo pacchetto. Se per sfortuna anche un’altra unità ha iniziato la trasmissione viene generata una collisione e le unità aspettano un tempo random prima di ritrasmettere. Finché le unità sono poche (<10) è un sistema abbastanza efficiente, ma con l’aumento delle stesse diventa altamente inefficiente fino ad arrivare al punto in cui sono maggiore le collisioni/ritrasmissioni dei pacchetti effettivamente utili.
Un altro effetto collaterale di questo sistema di condivisione anarchico è la cosiddetta “unità cattiva”. Ossia, nel caso di EOLO, la radio di un cliente con un segnale basso che genera molte ritrasmissioni. Questa radio per mandare i suoi pacchetti alla BTS dovrà tenere impegnato il canale radio per moltissimo tempo (a volte all’infinito) facendo generare collisioni e ritrasmissioni a tutte le altre unità della BTS. Questa è la ragione percui siamo cosi’ sensibili alle radio cliente con SNR basso, fino ad arrivare al punto di limitargli la banda se la % di ritrasmissioni supera il livello di guardia.

2) Decadimento prestazionale con la lunghezza del link radio

Un altro effetto negativo dato dall’accoppiata TDD+CSMA/CA è il forte decadimento prestazionale della cella quando deve erogare banda a unità lontane.
Una cella con unità collegate entro i 5km riesce a erogare una banda aggregata di circa 30mbit/s.
Questa banda diventa di 25mbit/s a 10km, 15mbit/s a 25km e 10mbit/s a 35km.
Il motivo di questo decadimento prestazionale è dovuto al “propagation delay”, ossia al tempo che i pacchetti impiegano a viaggiare dalla BTS all’unità e viceversa.
Considerando che le onde radio si propagano alla velocità della luce (circa 300.000km/s), significa che per ogni km di distanza BTS-unità, la BTS dovrà rimanere in silenzio almeno per 3.33usec dopo ogni invio di pacchetto per permettere allo stesso di arrivare a destinazione.
Considerando che in un secondo i pacchetti inviati possono arrivare anche al migliaio, significa inserire “migliaia” di volte un silenzio forzato che fa scendere le prestazioni della cella.

3) Latenza / jitter molto variabili

Una delle conseguenze dell’inefficiente sistema di condivisione del canale radio, oltre alla diminuzione della capacità di banda, è anche l’estrema variabilità della latenza. Infatti la BTS non potendo “governare” le unità radio ad esse associate e quindi l’occupazione del canale radio, unità che generano un elevato numero di ritrasmissioni oppure un elevato numero di collisioni introducono nella catena trasmissiva della BTS delle pause che si riflettono in elavata latenza per tutte le unità collegate alla cella.
L’elevato jitter rende applicazioni sensibili alla latenza come il voip o il gaming online difficilmente realizzabili su una cella con tecnologia 802.11h (a meno di celle con traffico e utenti estremamente ridotti).

Il protocollo 802.16e è invece stato sviluppato in maniera mirata per gli operatori, ossia per la realizzazione di reti radio per accesso a larga banda su vasta scala.
I benefici introdotti sono molteplici, vi illustro i principali:

1) Scheduling del protocollo

Rispetto all’802.11h dove nel canale radio regna sostanzialmente l’anarchia, l’802.16e introduce il concetto di mappa all’inizio di ogni frame. La cella, in base al numero di unità connesse e alla banda che deve erogare a ciascuna di loro, invia all’inizio di ogni ciclo trasmissivo una mappa dove indica in maniera precisa QUANDO e per QUANTO tempo ogni unità può impegnare il canale radio.
Ovviamente la cella assegnerà più tempo (più “timeslot”) ad un’unità che ha un’elevata banda minima garantita rispetto ad un’altra che ne ha meno in modo da fare una distribuzione coerente della banda.
Il fatto che ogni unità sa quando trasmettere elimina alla radice il problema delle collisioni e della unità cattiva, in quanto eventuali unità radio con bassi SNR potranno trasmettere solo per il tempo assegnatoli e quindi andranno “male” solo loro, non rischiando di compromettere il buon funzionamento di tutta la cella radio.
I benefici diretti dello scheduling sono un aumento di circa 50% dell’efficienza spettrale e una diminuzione dell’impatto del propagation delay sulle performance della cella.
L’unico svantaggio dello scheduling è una latenza di base più alta del link, infatti rispetto all’802.11h che trasmette il dato senza “aspettare”, in 802.16e ogni CPE deve comunque aspettare il suo “turno” anche se il canale radio è libero.
La latenza di base, sotto il quale è impossibile scendere per ragioni di protocollo è di circa 35-40ms, oltre alla tratta BTS – collegamento ad Internet.

2) MIMO

Un’altra novità molto interessante è il MIMO, ossia l’utilizzo della diversità spaziale per la trasmissione/ricezione dei pacchetti. Sia le celle, sia le CPE sono tutte dotate di doppia radio collegata a due antenne distinte con polarità separata di 90°.
Per la trasmissione cella – CPE vengono utilizzate entrambe le radio in modalità MIMO A o B.
In MIMO A, generalmente usato per unità con SNR abbastanza basso, lo stesso dato viene inviato sui due canali radio in modo da raddoppiare la possibilità che almeno una copia arrivi correttamente.
In MIMO B vengono invece inviati due dati diversi sui due canali in modo da dimezzare il tempo trasmissivo.
La cella sceglie automaticamente MIMO A o B ad ogni invio in base alla qualità radioelettrica del collegamento in quell’istante.

3) HARQ

Hybrid ARQ, è un’evoluzione del protocollo di correzione degli errori che invece di ritrasmettere per intero i frame corrotti, ne ritrasmette solo la sottoporzione arrivata corrotta. Consente di minimizzare i tempi di ritrasmissioni

4) Uplink subchanneling

Per quanto riguarda la trasmissione CPE – cella, data l’asimmetricità del traffico, la cella assegna una sottoporzione del proprio canale radio per la ricezione del traffico dalla CPE. La CPE dovendo trasmettere su un canale più piccolo avrà meno probabilità di generare ritrasmissioni a causa di interferenze e riuscirà ad inviare un segnale più intenso. La sottocanalizzazione permette inoltre lato cella di ricevere flussi in uplink paralleli dalle CPE migliorando notevolmente l’efficienza spettrale.

5) Sincronizzazione di tutte le celle

Ogni cella sulla rete è sincronizzata via GPS in modo che le fasi di trasmissione/ricezione siano identiche su tutta la rete. Questo meccanismo consente di evitare l’auto interferenza fra celle adiacenti e BTS adiacenti consentendo di incrementare notevolmente la possibilità di riutilizzo di frequenza e quindi la banda disponibile per BTS.

Queste caratteristiche, unite a molte altre consentono ad NGI di migliorare notevolmente la gestione della rete e la scalabilità della stessa, riuscendo a gestire un maggior numero di utenti per cella e quindi gestire al meglio la crescita dell’utenza.

Schema riassuntivo dei miglioramenti:

                                   802.11h            802.16e
Efficienza spettrale             1.2bit/s/HZ        3.5bit/s/HZ
Utenti medi per cella  		     80                250
Banda media per cella              20mbit/s          80mbit/s
Problema CPE cattiva                 SI                 NO
Scalabilità della rete             limitata          infinita
VoIP                               limitato           totale
gestione CPE lontane               limitata          molto buona
latenza                        non controllabile    buona stabilità
resistenza alle interferenze       bassa             molto alta

FAQ

D. La mia radio antenna 802.11h è compatibile con 802.16e ?
R. No, i due protocollo sono incompatibili e hanno bisogno di CPE differenti.

D. Con l’802.16e potrò usare il VoIP anche se sono a più di 10km dalla BTS ?
R. Si, il VoIP non sarà più legato alla distanza della cella o ad un certo SNR, tuttavia per avere la certezza del suo funzionamento è tassativo utilizzare EOLO Voce, altrimenti i pacchetti voip non verranno correttamente prioritizzati dalla rete.

D. Per usare WiMAX non bisogna avere frequenze licenziate ?
R. No. 802.16e (WiMAX) è un protocollo. Non è legato a nessuna “frequenza” e può essere utilizzato su qualsiasi frequenza, licenziata o meno.

D. Cosa farete della BTS in tecnologia 802.11h ?
R. Tutte le nuove BTS strategiche e gli upgrade delle BTS esistenti verranno effettuati in 802.16e. Le BTS “minori” (dove gli utenti saranno molto vicini alla BTS) verranno realizzate ancora in 802.11h dato che è una tecnolgia ancora assolutamente valida per contesti con bassa concentrazione di utenza.

D. Ho EOLO con radio 802.11h e ho scoperto di essere coperto da una BTS con tecnologia 802.16e. Posso cambiare radio ?
R. No, il cambio radio verrà effettuato solo se il cliente richiede EOLO Voce.

D. Quali benefici porta 802.16e per l’utente ?
R. I maggiori benefici dell’802.16e rispetto a 802.11h sono per NGI dato che ha strumenti più efficienti per gestire la crescita della rete. In termini di banda e disponibilità di servizio le prestazioni per l’utente sono uguali. Il maggior beneficio per l’utente è una latenza più stabile, ma leggermente più alta rispetto a quella dell’802.11a

D. Gli utenti con 802.16e avranno più banda ?
R. No, l’offerta di EOLO è sempre la stessa. L’utilizzo di una tecnologia rispetto all’altra è del tutto trasparente per l’utente.

D. In fase d’ordine posso chiedere di essere messo su una BTS 802.11h o 802.16e ?
R. No, la scelta ricade sull’installatore e su NGI in base anche all’effettiva visibilità dal tetto del cliente delle BTS raggiungibili. Come regola generale gli installatori hanno mandato di usare con priorità massima BTS 802.16e rispetto a quelle 802.11h dato che gestiscono un maggior numero di utenti e sono maggiormente upgradabili.

D. I limiti di segnale sono gli stessi di 802.11h ?
R. No, i limiti sono completamente diversi e legati alla tipologia di contratto scelta dal cliente.

D. Quali sono i limiti di distanza dalla BTS con 802.16e ?
R. Dipendono dalla BTS, generalmente intorno ai 17km. Non è possibile andare attualmente oltre dato che non sono ancora disponibili le radio che possono essere collegate ad antenne con alto guadagno. Dovrebbero essere disponibili a partire da settembre 2010.