distributed antenna systems and compact base stations: when to use which?

9
© 2011 BLiNQ Networks Inc. 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 RFtooptical 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 daisychained 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 daisychained nodes is reduced) while more baseband modules are

Upload: frank-rayal

Post on 19-Jan-2015

1.173 views

Category:

Technology


2 download

DESCRIPTION

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.

TRANSCRIPT

Page 1: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    1 

ApplicationNote

DistributedAntennaSystemsandCompactBaseStations:WhentoUseWhich?

ByFrankRayal,VP,ProductManagement&Marketing

OverviewDistributed 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,RRHandCompactBaseStationsDAS 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 

Page 2: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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.  

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.  

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 

 

  Baseband Processing

RF RF‐Optical Converter

Optical‐RF Converter

Antenna

Optical Fiber Cable

Wireless Base Station Distributed Antenna System (DAS)

Backhaul

Outdoor Indoor

Figure 2 Block diagram for a Distributed antenna system.

  

Baseband Processing

Remote Radio Head

Antenna

Optical Fiber Cable

Wireless Base Station

OBSAI / CPRI Interface

Backhaul Outdoor Indoor

Figure 1 Block diagram for a split architecture base station. 

Page 3: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    3 

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. 

 

Baseband Processing

Remote Radio Head

Antenna

Backhaul

Compact Base Station

Outdoor

Figure 3 Compact base station block diagram. 

Page 4: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    4 

 

 

Figure 4 Network diagram for DAS installation. 

 

 

Figure 5 Network diagram for compact base station with wireless backhaul. 

DeploymentConsiderationsSystem  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‐

Page 5: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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.  

Page 6: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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 

CostDriversCompact 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.   

Page 7: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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  

(per meter; includes right of way 

and renovation construction 

works) 

Aerial  $4.5‐$11.5 

Trenching  

Rural  $10‐$30 

Suburban  $30‐$100 

Urban  $80‐$230 

Fiber Cost 

(per meter; includes cable, 

connector, & testing) 

$5‐$12 

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 

 

SystemCostsEstimationWe 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.  

Page 8: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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 / Sector 

$2,540  Per RRH ‐ BTS consists of 10‐sector chassis with following assumptions: $1,000 for chassis; $2,000 per baseband card; $200 per power card; $2,000 for one control card. 

Optical Fiber Cable Construction 

$24,000  Assume $240/m for underground run of 100 m, includes 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 Construction 

$24,000  Assume $240/m for underground run of 100 m, includes materials, right‐of‐way and construction costs. 

Total (Outdoor DAS)  $36,000   

 

ConclusionsDAS, 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 

Page 9: Distributed Antenna Systems and Compact Base Stations: When to Use Which?

 

© 2011 BLiNQ Networks Inc.    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: [email protected] www.blinqnetworks.com