5G-NR-Linkbudget-Rechner — Pfadverlust nach 3GPP TR 38.901, SINR und Reichweite

Ein Linkbudget summiert alles, was zwischen Sender und Empfänger liegt, und fragt, ob das Signal mit ausreichender Reserve ankommt. Zwei Teile eines 5G-NR-Linkbudgets stammen aus dem Standard selbst: das Pfadverlustmodell, hier aus dem 3GPP-Kanalmodell TR 38.901, und die Rauschbandbreite, die durch die Anzahl der Ressourcenblöcke im Träger festgelegt ist.

Pfadverlust nach TR 38.901

TR 38.901, Tabelle 7.4.1-1, gibt den Median des Pfadverlusts für vier Einsatzszenarien an: ländliche Makrozelle (RMa), städtische Makrozelle (UMa), städtische Mikrozelle in der Straßenschlucht (UMi) und Indoor-Büro (InH). Jedes hat eine Formel für Sichtverbindung (LOS) und eine ohne Sichtverbindung (NLOS). Im Freien wird der LOS-Verlust jenseits einer Breakpoint-Distanz steiler, ab der die Bodenreflexion beginnt, den direkten Strahl auszulöschen. Für UMa gilt

wobei beide Antennenhöhen um eine effektive Umgebungshöhe von 1 m verringert sind. Unterhalb des Breakpoints gilt $PL_1 = 28.0 + 22\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c)$, mit $f_c$ in GHz und der direkten Entfernung $d_{3D}$ in Metern. Der NLOS-Verlust ist der größere Wert aus LOS-Verlust und NLOS-Formel, die für UMa $13.54 + 39.08\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) - 0.6(h_{UT} - 1.5)$ lautet. Bei 3,5 GHz und 500 m Entfernung von einem 25-m-Mast ergeben die beiden 98,27 dB und 129,92 dB: Ob Sichtverbindung besteht, entscheidet über den größten Teil des Budgets.

Rauschen und SINR

Das Empfängerrauschen ist das thermische Rauschen in der belegten Bandbreite plus die Rauschzahl:

wobei $kT_0$ bei 290 K −173,975 dBm/Hz beträgt. Ein 100-MHz-Träger mit 30 kHz Unterträgerabstand hat 273 Ressourcenblöcke, die 98,28 MHz belegen; sein thermisches Rauschen beträgt also −94,05 dBm vor der Rauschzahl. Die Interferenzreserve hebt dieses Grundrauschen an, um andere Zellen zu berücksichtigen, und das SINR ist die Empfangsleistung bezogen auf das angehobene Grundrauschen.

Reserve und Reichweite

Der maximal zulässige Pfadverlust ist der Verlust, den Sendeleistung und Antennengewinne verkraften, bevor das SINR auf den erforderlichen Wert fällt, nachdem die Shadow-Fading-Reserve beiseitegelegt wurde. Die Linkreserve ist diese Grenze abzüglich des Pfadverlusts, und die maximale Reichweite ist die Entfernung, bei der der Pfadverlust diese Grenze erreicht. Die Standardabweichung des Shadow-Fadings im Szenario wird angezeigt, um bei der Wahl der Reserve zu helfen: Etwa 1,28 Standardabweichungen decken in einer gegebenen Entfernung 90 % der Standorte ab.

Spitzendatenrate

Die Spitzenrate ist die Näherung aus TS 38.306, Abschnitt 4.1.2:

mit $v$ MIMO-Layern, $Q_m$ Bits pro Modulationssymbol, einem Skalierungsfaktor $f$ und einem Overhead $OH$ von 0,14 für den FR1-Downlink, 0,08 für den FR1-Uplink sowie 0,18 und 0,10 in FR2. Vier Layer mit 256-QAM auf 273 Ressourcenblöcken bei 30 kHz ergeben etwa 2337 Mbit/s.

Gültigkeit

Jedes Szenario gilt in den Bereichen von Tabelle 7.4.1-1: 0,5 bis 100 GHz (30 GHz für RMa); 10 m bis 5 km Bodenentfernung (10 km für RMa mit Sichtverbindung); Endgerätehöhen von 1,5 bis 22,5 m bei UMa und UMi und 1 bis 10 m bei RMa; Basisstationshöhen von 10 bis 150 m bei RMa und genau 25 m bei UMa und 10 m bei UMi; sowie 1 bis 150 m direkte Entfernung in Innenräumen. Außerhalb dieser Bereiche wird der Pfadverlust weiterhin angezeigt, mit einer Warnung, die die betroffene Grenze nennt. Die maximale Reichweite wird nur innerhalb des Entfernungsbereichs des Szenarios gesucht: Ginge das Linkbudget an der äußeren Grenze noch auf, wird die Reichweite an dieser Grenze mit einer Warnung angegeben. Der Breakpoint verwendet die exakte Lichtgeschwindigkeit, wo TR 38.901 3,0×10⁸ m/s schreibt. Ressourcenblöcke sind nur in FR1 bis 7,125 GHz und in FR2 ab 24,25 GHz definiert; dazwischen werden weder Rauschen noch Reserve noch Datenrate angegeben. Die LOS-Wahrscheinlichkeit wird nicht angewendet, und UMa behält auch oberhalb von 13 m eine effektive Umgebungshöhe von 1 m bei, wo TR 38.901 sie zufällig zieht.