Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?


Published on

Distributed Antenna Systems grew from the need to provide wireless coverage and capacity to areas of highly concentrated users. More recently, as capacity and coverage demands expanded and some municipalities passed strict edicts against constructing towers, DAS systems got deployed along streets to provide service in the urban and suburban outdoors. Another solution to add capacity and coverage uses compact base stations which are getting large attention from both a cost and performance perspective. From a deployment perspective, they provide similar network architecture to DAS, which raises the question on how these two solutions compare. This application note will highlight the areas where each solution makes economic and technical sense.

Published in: Technology
1 Like
  • Be the first to comment

No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

  1. 1.  Application Note Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which? By Frank Rayal, VP, Product Management & Marketing Overview Distributed Antenna Systems, or DAS, grew from the need to provide wireless coverage and capacity to areas of highly concentrated users. This includes indoor settings like office buildings, convention centers, airports and train stations, and outdoor settings like stadiums, campuses and plazas.  More recently, as capacity  and  coverage  demands  expanded  and  some  municipalities  passed  strict  edicts  against constructing  towers,  DAS  systems  got  deployed  along  streets  to  provide  service  in  the  urban  and suburban  outdoors.  In  all  cases,  DAS  serves  to  distribute  wireless  services  where  needed  and  in  the process provide high capacity and excellent coverage. By ‘distribute,’ we mean serving a relatively small area  which  limits  interference  and  enables  greater  frequency  reuse  factor,  consequently  leading  to greater  capacity.  The  ability  to  place  antennas  almost  anywhere  makes  DAS  systems  perfect  to  reach areas that are otherwise difficult to serve.  Another  solution  to  add  capacity  and  coverage  uses  compact  base  stations  which  are  getting  large attention from both a cost and performance perspective. From a deployment perspective, they provide similar  network  architecture  to  DAS,  which  raises  the  question  on  how  these  two  solutions  compare. This application note will highlight the areas where each solution makes economic and technical sense. In particular, we will address the concept of compact base station deployment with wireless backhaul and  highlight  the  benefit  of  BLiNQ’s  solution  in  enabling  a  network  architecture  with  low  cost  of ownership. DAS, RRH and Compact Base Stations DAS  has  developed  from  the  need  to  extend  the  service  of  legacy  base  stations.  These  base  stations consisted  of  a  rack  of  equipment  where  baseband  and  radios  are  housed  in  the  same  chassis.  DAS systems  include  a  RF‐to‐optical  converter  which  digitizes  radio  signals  and  sends  the  data  over  a  fiber optical  cable  to  a  remote  unit  which  in  turn  converts  the  optical  signal  into  an  RF  signal  as  shown  in Figure  2.  The  data  rate  on  the  fiber  cable  is  very  high  –  on  the  order  of  Gbps.  There  are  different possibilities  in  deploying  such  a  system  where  multiple  remote  units  can  be  daisy‐chained  and conversion nodes used sparingly where capacity and coverage are required. DAS allows the operator to concentrate baseband capacity in one location, such as a building basement, and use fiber cable laid to different parts of the building. As higher capacity is required, the number of remote nodes per baseband module is reduced (i.e. number of daisy‐chained nodes is reduced) while more baseband modules are © 2011 BLiNQ Networks Inc.    1 
  2. 2.  added to address capacity requirements. Typical DAS systems start with 1:4 or 1:6 remote modules per baseband module, and the ratio is reduced as higher capacity is required.   Antenna Indoor   Outdoor Backhaul Optical Fiber Cable   Baseband  RF‐Optical  Optical‐RF  RF Processing Converter Converter Wireless Base Station Distributed Antenna System (DAS) Figure 2 Block diagram for a Distributed antenna system.In  recent  years,  base  station  architecture  evolved  from  a  centralized  to  a  split  architecture  where  a remote  radio  headend  is  connected  to  baseband  via  a  fiber  optical  cable  as  shown  in  Figure  1.  This allows the radio itself to be placed close to the antenna where coverage is required. Baseband resources can  still  be  housed  and  ‘packed’  in  a  chassis  which  allows  scalability  of  capacity.  This  base  station architecture  provides  similar  usability  to  DAS  with  a  cost  reduction  as  RF/optical  converters  are eliminated. The fiber cable connecting baseband with the RRH still runs very high data rate that can be 3 Gbps (as in OBSAI 3.01) or even higher in future generation base stations.   Antenna   Indoor   Outdoor Backhaul Remote  Baseband  Optical Fiber Cable Radio  Processing OBSAI / CPRI Interface Head Wireless Base Station Figure 1 Block diagram for a split architecture base station. Moving from a centralized to split architecture configuration represents an important transformation in network operator’s deployment process as active electronics are deployed outdoors on pole or on tower tops, an idea that was not acceptable earlier to maintain high reliability and enable redundancy in the base  station.  Having  broken  through  that  barrier,  it  becomes  natural  to  adopt  deployment  of  zero‐footprint,  all‐outdoor  base  stations  where  the  baseband  processing  is  moved  outdoor  and  integrated with  the  radio  into  one  mechanical  package  as  shown  in  Figure  3.  Each  compact  base  station  is backhauled through a wireline (fiber included) or wireless connectivity.  To  summarize  the  architectural  perspective,  DAS  features  a  centralized  base  station  architecture  that includes  baseband  and  radio  in  one  location  which  is  then  made  decentralized  by  using  an  ‘applique’ optical/RF  converters  to  ‘distribute’  the  radio  modules.  Split  base  station  architecture,  using  remote © 2011 BLiNQ Networks Inc.    2 
  3. 3.   Antenna   Outdoor Backhaul Remote  Baseband  Radio  Processing Head Compact Base Station Figure 3 Compact base station block diagram. radio headends, represents an evolution over DAS systems where the decentralized architecture of the base station obviates the need for expensive optical/RF converters, and finally the compact base station architecture  is  a  complete  decentralized  baseband  and  radio  architecture.  Compact  base  station therefore  provides  a  capacity  as  high  as  a  1:1  baseband‐to‐remote  ratio  deployment  of  a  DAS  or  RRH system.   Aside  from  architecture,  there  are  similarities  and  differences  in  how  these  systems  are  connected  to the  core  network.  DAS  systems  concentrate  baseband  resources  in  one  central  location.  Therefore, backhaul capacity at one location needs to accommodate that capacity which typically means that fiber backhaul or very high capacity microwave link is used (sufficient to accommodate multiple baseband, or in other terms, base station instances). In legacy systems, backhaul through a high capacity leased line may be used.  Split  architecture  base  stations  are  backhauled  in  a  very  similar  manner  to  DAS  systems  because  they also  feature  centralized  baseband.  However,  the  compact  base  station  architecture  offers  a  different requirement for backhaul: the backhaul capacity is distributed and is on the order of the capacity of a baseband unit.  Therefore, if fiber is used to backhaul compact base stations, the capacity required is on the order of Mbps and not Gbps as is the case in DAS and RRH systems. This opens the possibility to use non‐line‐of‐sight  wireless  backhaul  with  compact  base  stations.The  following  figures  show  network diagrams for DAS and compact base stations utilizing wireless backhaul installations. DAS,  RRH  and  compact  base  station  solutions  provide  similar  use  case  and  benefits  to  network operators. Therefore, it can be easy to see them as competing solutions. Yet, this is not the case since each  solution  has  a  different  cost  depending  on  the  deployment  scenario.  It  becomes  important  to identify a framework which helps us identify which solution is cost effective per the desired application scenario. Architecture and backhaul configuration are two key elements in this framework: they indicate which type of system to deploy as they impact the cost structure and place technical constraints on the deployment  scenarios.  We  will  explore  this  framework  in  the  next  section  focusing  on  outdoor deployments. © 2011 BLiNQ Networks Inc.    3 
  4. 4.       Figure 4 Network diagram for DAS installation.     Figure 5 Network diagram for compact base station with wireless backhaul. Deployment Considerations System  architecture  and  backhaul  are  two  key  criteria  to  evaluate  in  the  deployment  of  capacity  or coverage enhancing systems. Both impact the installation cost. For example, DAS and RRH installations require  fiber  optical  cable  connection  between  baseband  and  every  remote  node.  Compact  base stations on the other hand require backhaul which can be fiber or wireless. In case the backhaul is fiber, the application becomes similar to that of DAS and RRH in terms of cost (especially when dominated by capital  and  not  operational  expenditures).  However,  when  it  is  possible  to  use  wireless  backhaul, considerable cost savings can be achieved. So, when can wireless backhaul of compact base stations be used? BLiNQ’s non‐line‐of‐sight wireless backhaul solution is a point‐to‐multipoint system that allows backhaul of  up  to  four  compact  base  stations  using  a  single  hub  module.  Each  hub  module  operates  in  Time Division Duplex (TDD) mode on a 10 MHz channel in sub‐6 GHz licensed spectrum band (e.g. 2.3‐2.4, 2.5‐© 2011 BLiNQ Networks Inc.    4 
  5. 5.  2.7 or 3.3‐3.8 GHz). The amount of backhaul spectrum and compact base station density determines the suitability of the wireless backhaul solution. If N is the number of available 10 MHz backhaul channels, BLiNQ’s  systems  can  be  used  to  backhaul  up  to  4N  compact  base  stations  concentrated  in  a  single geographic area (e.g. a circle of 500 m in radius). This is because backhaul frequency reuse is required for  sufficient  signal  quality  and  it  is  not  possible  to  achieve  sufficient  reuse  factor  while  covering  an overlapping area. If the area is non‐overlapping, the same backhaul frequency can be used by leveraging antenna  directivity  at  the  hub  and  BLiNQ’s  interference  mitigation  techniques  to  achieve  sufficient separation  in  the  frequency  reuse  plan  of  the  backhaul  network.  Therefore,  taking  the  example  of  an outdoor stadium, it would only be possible to backhaul up to 4 compact base stations with one 10 MHz channel.  To  backhaul  a  higher  number  of  compact  base  stations,  additional  backhaul  channels  will  be required since the backhaul channels will overlap in coverage over the stadium resulting in interference that degrades wireless backhaul performance, as shown in Figure 6. However, if we look at the example of a campus or urban center deployment, as shown in Figure 7, where it is possible to reuse the same backhaul  channel  by  leveraging  the  hub  antenna  directivity  and  interference  mitigation  techniques, wireless backhaul provides a highly cost effective solution to connect multiple compact base stations to a  central  location  (such  as  a  macro  cell  where  high  capacity  fiber  or  microwave  backhaul  is  already available) and thereafter to the core network. Success in using wireless backhaul requires sufficient frequency isolation similar to frequency planning in access  systems  (although  less  stringent  in  wireless  backhaul  due  to  use  of  directional  antennas  which limit interference as well as the presence of fewer remote backhaul nodes than there are subscribers in access systems). Adequate frequency reuse factor of the backhaul network becomes more challenging in smaller size areas and very high concentration of compact base stations. While an outdoor stadium may not  be  the  ideal  deployment  scenario  for  non‐line‐of‐site  backhaul  system,  especially  if  more  than  4N nodes are required, a street deployment to cover a neighborhood, a plaza, a pedestrian mall, a campus or  other  such  venue  presents  a  very  cost  effective  alternative  to  outdoor  DAS  systems.  In  such  a deployment scenario, enough separation can be achieved to reuse the backhaul frequency.     Figure 6Deployment of compact base stations with wireless backhaul in a stadium. Multiple backhaul  channels required to achieve sufficient isolation.  © 2011 BLiNQ Networks Inc.    5 
  6. 6.       Figure 7 Campus or urban deployment of compact base stations: isolation between adjacent sectors  allows cost effective wireless backhaul.  We  should  also  note  that  the  areas  where  wireless  backhaul  succeeds  in  providing  a  viable  technical solution and business case, DAS fails to provide the required economics and vice versa. This is because fiber  costs  escalate  with  distance  between  the  baseband  and  remote  nodes  in  the  case  of  DAS  while wireless  backhaul  reaches  its  limitations  when  there’s  a  large  density  of  remote  nodes  in  one location.Table 1 below illustrates a simple guide on which technology is most suitable given the density of remote nodes and length of fiber cable runs.Therefore, we view DAS/RRH and compact base station deployments  as  complementary  solutions  where  one  provides  a  better  business  case  than  the  other depending on the deployment scenario.   Table 1Preferred technology for different deployment scenarios.     Low Density of Remote Nodes  High Density of Remote Nodes  Long Fiber Run  C‐BTS with Wireless Backhaul  N/A  Short Fiber Run  DAS or C‐BTS w. Wireless Backhaul  DAS/RRH Cost Drivers Compact base stations provide an intrinsically lower capital cost solution than RRH‐based systems which are an evolution of DAS. DAS systems are expensive because they require optical/RF converters at both ends. Newer  split architecture base stations inherently use fiber to connect the baseband with the RF module  resulting  in  lower  cost.  Since  compact  base  stations  combine  baseband  and  RF  into  a  single module, the cost of fiber cable, optical fiber transceivers and the electronics associated with the OBASI or  CPRI  interface  is  eliminated.  Moreover,  the  baseband  module  chassis,  traffic  aggregation  modules and power supply modules are eliminated as well. This results in significant savings in equipment capital expenditure of compact base stations over DAS/RRH systems.   © 2011 BLiNQ Networks Inc.    6 
  7. 7.  Admittedly, equipment cost is not generally the main cost driver, rather, it is the cost of fiber in the case of DAS and the cost of spectrum for wireless backhaul that are the main cost drivers. Cost of fiber varies depending  on  location  (from  one  neighborhood  to  another  in  a  city)  while  spectrum  cost  varies  on  a country and region basis.Table 2shows typical cost of fiber in North America while it must be noted that cost  can  exceed  the  ones  indicated  below  in  certain  municipalities  and  dense  urban  centers  such  as Manhattan and San Francisco. Spectrum costs have been about 2 euro‐cents per MHz‐PoP as per recent auctions in Europe.  Table 2 Cost of Fiber.  Deployment Costs   Aerial  $4.5‐$11.5  (per meter; includes right of way  Rural  $10‐$30  and renovation construction  Trenching   Suburban  $30‐$100  works)  Urban  $80‐$230  Fiber Cost  (per meter; includes cable,  $5‐$12  connector, & testing)  Fiber Lease Cost (per month)  Variable > ~16/Mbps   Table 3 Example of NLOS wireless backhaul spectrum pricing.  Country  Operator  Frequency Band Channel Size  Price  Germany   Vodafone  2.6 GHz  1x5 MHz  € 9,051,000  Germany   Clearwire  3.5 GHz  2x21 MHz  € 20,000,000  UK  UK Broadband  3.5 GHz  2x20 MHz  £7,000,000  Netherlands  WorldMax  3.5 GHz  20 MHz  € 4,000,000  Austria  WiMAX Telecom  3.5 GHz  2x28 MHz  € 155,000  Greece  Cosmotel  3.5 GHz  2x14 MHz  € 20,475,000  Poland  Clearwire  3.6 GHz  2x14 MHZ  PLN 1,400,000  Canada  Several Operators  3.5 GHz  2x25 MHz  $11,240,615  System Costs Estimation We assume that the network operator will deploy their own fiber in case of DAS & RRH deployments. In this case, the annual operating expense for fiber is very low since the operator averts paying monthly fees. This scenario generally leads to a better business case for DAS & RRH deployments since fiber lease expenses  can  be  very  high,  often  ranging  around  $1,000  ‐  $1,500  in  monthly  fees,  which  is  at  least $50,000  in  operating  cost  over  a  5  year  period1.  Hence,  we  focus  on  capital  expenditure  as,for  the assumptions made, the operating expenditure for each case would be very similar.                                                              1  The present value of fiber optical cable leased at $1,000 per month with $1,500 initial setup fee is $51.7k assuming 2% inflation rate and 12% discount rate.  © 2011 BLiNQ Networks Inc.    7 
  8. 8.  The cost for each solution is shown in Tables 4, 5 and 6. It is no surprise that the main cost driver is the cost of fiberin the case of DAS & RRH deployments. Outdoor DAS is further burdened by the need for additional optical converter modules which are ‘applique’ modules to existing base stations. RRH/base station hotel concept deployment has similar economics to outdoor DAS, but makes use of evolved base station  technology  to  eliminate  the  RF/optical  converter  modules.  Compact  base  station  deployment with wireless backhaul, when it is possible to implement, is the lowest cost alternative – by as much as a factor of 4 in case of RRH deployment and a factor of 6 in case of outdoor DAS. Table 4 Estimated capex costs for compact base station deployment with wireless backhaul.  Compact Base Station  $2,500  Assume 1 W Micro BTS  Remote Backhaul Module  $2,500  Representative cost – not actual BLiNQ product pricing  Backhaul Hub Module  $2,500  Assume 1:1 (PTP) backhaul configuration. Cost is lower for  PMP  Spectrum / Link  $1,000  Assume $20 m for 20 Year license and 1000 Links per  network  Total (C‐BTS)  $8,500  Table 5 Estimated capex costs for remote radio headend deployment (base station hotel).  Remote Radio Headend  $1,000  1W RRH  Base Station Baseband /  $2,540  Per RRH ‐ BTS consists of 10‐sector chassis with following  Sector  assumptions: $1,000 for chassis; $2,000 per baseband card;  $200 per power card; $2,000 for one control card.  Optical Fiber Cable  $24,000  Assume $240/m for underground run of 100 m, includes  Construction  materials, right‐of‐way and construction costs.  Total (RRH/BTS Hotel)  $27,540  Table 6 Estimated capex costs for outdoor DAS.  BTS (per sector)  $4,000  Assumed cost for a single sector of a standard base station  RF/Fiber Converters  $5,000  Cost of converter at base station site.   Remote Radio  $3,000  Cost includes optical‐to‐RF converter and the radio.   Optical Fiber Cable  $24,000  Assume $240/m for underground run of 100 m, includes  Construction  materials, right‐of‐way and construction costs.  Total (Outdoor DAS)  $36,000    Conclusions DAS, RRH and compact base stations provide solutions that distribute wireless capacity and coverage to areas where service is needed. Traditional distributed antenna systems are ‘applique’ solutions used to extend  coverage  and  capacity  of  legacy  base  stations.  They  provide  a  viable  business  case  for  indoor applications and highly concentrated outdoor structures like stadiums where very large subscribers are located  in  one  area  such  that  very  tight  frequency  reuse  and  high  density  of  baseband  resources  are needed to provide sufficient capacity. Enhancements of base station architecture allowed remote radios © 2011 BLiNQ Networks Inc.    8 
  9. 9.  to be placed outdoors, collocated with the antenna on top of the tower, a building rooftop, or on a pole. This further reduced the cost associated with legacy outdoor DAS systems by eliminating the RF/optical converters  of  traditional  DAS.  Finally,  compact  base  stations  represent  a  further  evolution  where  the baseband and radio are collocated outdoors which presents an attractive cost reduction for the network operator.  Although  compact  base  stations  backhauled  through  wireline  technologies,  mainly  fiber, provide  a  similar  business  case  as  DAS/RRH  deployment,  they  can  offer  significant  cost  savings  when NLOS  wireless  backhaul  is  used.  However,  there  are  limitations  on  the  use  of  NLOS  wireless  backhaul related to backhaul frequency reuse plan. Therefore, DAS/RRH and compact base stations can be viewed as  complementary  technologies  each  succeeding  in  offering  a  competitive  business  case  for  a  certain deployment scenario. A framework based on density of nodes and length of fiber is introduced to assist in determining the case where each solution is more competitive.  Acronyms CPRI  Common Public Radio InterfaceDAS   Distributed Antenna System NLOS  Non Line of Sight OBSAI  Open Base Station Architecture InitiativePoP  Per head of Population RRH   Remote Radio Headend TDD  Time Division Duplex        About BLiNQ Networks BLiNQ Networks is a pioneer of backhaul self‐organizing network (B‐SON) solutions that fundamentally change the way  mobile  operators  deliver  mobile  broadband  services.    BLiNQ  solutions  provide  the  building  blocks  to  cost‐effectively and rapidly scale mobile data networks. The intelligent systems are designed to continuously adapt to changing environments, maximize spectral efficiency, and are easy to configure, deploy, and maintain. For more information, please visit www.blinqnetworks.com.            BLiNQ Networks Inc.400 March Road, Suite 240 Ottawa, ON Canada K2P 0E3  Main: +1 613.599.3388   Fax: +1 613.599.7228 Email: info@blinqnetworks.com www.blinqnetworks.com © 2011 BLiNQ Networks Inc.    9