Calculadora de presupuesto de enlace 5G NR: pérdida de trayecto 3GPP TR 38.901, SINR y alcance

Presupuesto de enlace 5G NR con los modelos de canal del 3GPP: pérdida de trayecto TR 38.901 para macrocelda rural, macrocelda urbana, microcelda urbana y oficina interior, con o sin línea de vista (LOS/NLOS), nivel de ruido de fondo a partir de los bloques de recursos, SINR, margen de enlace, alcance máximo dentro de la validez del modelo y velocidad máxima de datos según TS 38.306.

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Referencia de Fórmula

M = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - PL - M_{SF} - \left(N + M_I + SINR_{req}\right),\quad N = 10\log_{10}(kT_0) + 10\log_{10}\left(N_{RB}\cdot 12\cdot \Delta f\right) + NF

Ref: 3GPP TR 38.901 V17.0.0, Table 7.4.1-1; TS 38.101-1 V18.15.0 Table 5.3.2-1; TS 38.306 V18.11.0, §4.1.2

PL— Pérdida de trayecto de la tabla 7.4.1-1 de TR 38.901 para el escenario y la condición LOS (dB)

N_{RB}— Bloques de recursos para el ancho de banda y la SCS (TS 38.101, tabla 5.3.2-1)

kT_0— Densidad de ruido térmico a 290 K, −173,975 dBm/Hz (dBm/Hz)

NF— Figura de ruido del receptor (dB)

M_{SF}, M_I— Márgenes de desvanecimiento por sombra y de interferencia (dB)

SINR_{req}— SINR requerida por la modulación y la codificación (dB)

Fórmula

M = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - PL - M_{SF} - \left(N + M_I + SINR_{req}\right),\quad N = 10\log_{10}(kT_0) + 10\log_{10}\left(N_{RB}\cdot 12\cdot \Delta f\right) + NF

Referencia: 3GPP TR 38.901 V17.0.0, Table 7.4.1-1; TS 38.101-1 V18.15.0 Table 5.3.2-1; TS 38.306 V18.11.0, §4.1.2

PL— Pérdida de trayecto de la tabla 7.4.1-1 de TR 38.901 para el escenario y la condición LOS (dB)

N_{RB}— Bloques de recursos para el ancho de banda y la SCS (TS 38.101, tabla 5.3.2-1)

kT_0— Densidad de ruido térmico a 290 K, −173,975 dBm/Hz (dBm/Hz)

NF— Figura de ruido del receptor (dB)

M_{SF}, M_I— Márgenes de desvanecimiento por sombra y de interferencia (dB)

SINR_{req}— SINR requerida por la modulación y la codificación (dB)

Cómo Funciona

Un presupuesto de enlace suma todo lo que hay entre un transmisor y un receptor y comprueba si la señal llega con margen suficiente. Dos partes de un presupuesto 5G NR salen de la propia norma: el modelo de pérdida de trayecto, tomado aquí del modelo de canal del 3GPP TR 38.901, y el ancho de banda de ruido, fijado por el número de bloques de recursos de la portadora.

Pérdida de trayecto según TR 38.901

La tabla 7.4.1-1 de TR 38.901 da la pérdida de trayecto mediana para cuatro despliegues: macrocelda rural (RMa), macrocelda urbana (UMa), microcelda urbana en cañón urbano (UMi) y oficina interior (InH). Cada uno tiene una fórmula con línea de vista (LOS) y otra sin línea de vista (NLOS). En exteriores, la pérdida LOS crece con más pendiente más allá de una distancia de punto de quiebre, a partir de la cual la reflexión en el suelo empieza a cancelar el rayo directo. Para UMa

d'_{BP} = \frac{4\,h'_{BS}\,h'_{UT}\,f_c}{c}

con ambas alturas de antena reducidas en una altura efectiva del entorno de 1 m. Por debajo del punto de quiebre $PL_1 = 28.0 + 22\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c)$ , con $f_c$ en GHz y la distancia directa $d_{3D}$ en metros. La pérdida NLOS es la mayor entre la pérdida LOS y la fórmula NLOS, que para UMa es $13.54 + 39.08\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) - 0.6(h_{UT} - 1.5)$ . A 3,5 GHz y a 500 m de un mástil de 25 m, las dos dan 98,27 dB y 129,92 dB: la condición de línea de vista decide la mayor parte del presupuesto.

Ruido y SINR

El ruido del receptor es el ruido térmico en el ancho de banda ocupado más la figura de ruido:

N = 10\log_{10}(kT_0) + 10\log_{10}(N_{RB} \cdot 12 \cdot \Delta f) + NF

donde $kT_0$ vale −173,975 dBm/Hz a 290 K. Una portadora de 100 MHz con separación entre subportadoras de 30 kHz tiene 273 bloques de recursos que ocupan 98,28 MHz, así que su ruido térmico es de −94,05 dBm antes de sumar la figura de ruido. El margen de interferencia eleva ese nivel de ruido de fondo para tener en cuenta las demás celdas, y la SINR es la potencia recibida sobre el nivel así elevado.

Margen y alcance

La pérdida de trayecto máxima admisible es la pérdida que pueden soportar la potencia de transmisión y las ganancias de antena antes de que la SINR caiga al valor requerido, una vez reservado el margen de desvanecimiento por sombra. El margen de enlace es ese límite menos la pérdida de trayecto, y el alcance máximo es la distancia a la que la pérdida de trayecto llega a ese límite. Se muestra la desviación estándar del desvanecimiento por sombra del escenario para ayudar a elegir el margen: unas 1,28 desviaciones estándar cubren el 90% de las ubicaciones a una distancia dada.

Velocidad máxima de datos

La velocidad máxima es la aproximación de TS 38.306, apartado 4.1.2:

R = 10^{-6}\, v\, Q_m\, f\, \frac{948}{1024}\, \frac{N_{RB} \cdot 12}{T_s}\,(1 - OH), \qquad T_s = \frac{10^{-3}}{14 \cdot 2^{\mu}}

con $v$ capas MIMO, $Q_m$ bits por símbolo de modulación, un factor de escala $f$ y una sobrecarga $OH$ de 0,14 para el enlace descendente en FR1, 0,08 para el enlace ascendente en FR1, y 0,18 y 0,10 en FR2. Cuatro capas de 256-QAM sobre 273 bloques de recursos a 30 kHz dan unos 2337 Mbps.

Validez

Cada escenario es válido en los rangos de la tabla 7.4.1-1: de 0,5 a 100 GHz (30 GHz para RMa); de 10 m a 5 km de distancia sobre el terreno (10 km para RMa con línea de vista); alturas de usuario de 1,5 a 22,5 m en UMa y UMi y de 1 a 10 m en RMa; alturas de estación base de 10 a 150 m en RMa, y exactamente 25 m en UMa y 10 m en UMi; y de 1 a 150 m de distancia directa en interiores. Fuera de ellos la pérdida de trayecto se sigue mostrando, con una advertencia que indica el límite superado. El alcance máximo solo se busca dentro del rango de distancias del escenario: si el enlace aún cierra en el límite lejano, el alcance se da en ese límite con una advertencia. El punto de quiebre usa la velocidad exacta de la luz, donde TR 38.901 escribe 3,0×10⁸ m/s. Los bloques de recursos solo están definidos en FR1, hasta 7,125 GHz, y en FR2, desde 24,25 GHz; entre ambos no se da ruido, margen ni velocidad. No se aplica la probabilidad de línea de vista, y UMa mantiene una altura efectiva del entorno de 1 m incluso por encima de 13 m, donde TR 38.901 la sortea aleatoriamente.

Ejemplo Resuelto

Problema: Una macrocelda n78 a 3,5 GHz entrega 46 dBm a un panel de 17 dBi situado a 25 m de altura. Un terminal a 1,5 m sobre la calle, a 500 m de distancia y sin línea de vista con el mástil, tiene una antena de 0 dBi y una figura de ruido de 7 dB. Considere 3 dB de otras pérdidas, un margen de desvanecimiento por sombra de 8 dB, un margen de interferencia de 3 dB y una SINR requerida de 0 dB, en una portadora de 100 MHz con separación entre subportadoras de 30 kHz.

Paso 1 - Pérdida de trayecto (TR 38.901, UMa NLOS): d₃D = √(500² + 23.5²) = 500.55 m PL_LOS = 28.0 + 22 log₁₀(500.55) + 20 log₁₀(3.5) = 98.27 dB (dentro de d′_BP = 560.4 m) PL′_NLOS = 13.54 + 39.08 log₁₀(500.55) + 20 log₁₀(3.5) − 0.6 × 0 = 129.92 dB PL = max(98.27, 129.92) = 129.92 dB

Paso 2 - Ruido: N_RB = 273, que ocupan 273 × 12 × 30 kHz = 98.28 MHz kTB = −173.975 + 10 log₁₀(98.28 × 10⁶) = −94.05 dBm N = −94.05 + 7 = −87.05 dBm

Paso 3 - Potencia recibida y SINR: P_RX = 46 + 17 + 0 − 3 − 129.92 = −69.92 dBm SINR = −69.92 − (−87.05 + 3) = 14.13 dB

Paso 4 - Margen: MAPL = 46 + 17 + 0 − 3 − 8 − (−87.05 + 3 + 0) = 136.05 dB M = 136.05 − 129.92 = 6.13 dB

Paso 5 - Alcance y velocidad máxima: La pérdida de trayecto llega a 136.05 dB a 718.1 m, dentro del rango de 5 km de UMa. Cuatro capas de 256-QAM sobre 273 bloques de recursos: unos 2337 Mbps.

El enlace cierra con 6,13 dB de sobra, además del margen de desvanecimiento por sombra. Con línea de vista, el mismo terminal vería 98,27 dB y un margen de 37,78 dB, y por eso planificar con línea de vista sobrestima el alcance de la celda.

Consejos Prácticos

✓Use los preajustes de escenario: cada uno fija la altura de mástil que TR 38.901 supone para él, 25 m para UMa y 10 m para UMi, y una distancia típica.
✓Fije el margen de desvanecimiento por sombra a partir de la desviación estándar que da la calculadora: unas 1,28 veces ese valor cubren el 90% de las ubicaciones en el borde de la celda.
✓Consulte primero los bloques de recursos y los bordes de la banda en la calculadora de búsqueda de bandas 5G NR, y luego introduzca aquí la frecuencia portadora.
✓Calcule el presupuesto en los dos sentidos del enlace: cambie la dirección a enlace ascendente e introduzca la potencia del terminal y la figura de ruido de la estación base.

Errores Comunes

✗Usar la fórmula con línea de vista para un usuario a pie de calle en una ciudad. A partir de unos cientos de metros, la mayoría de los usuarios urbanos no tienen línea de vista con el mástil, y la pérdida NLOS es 30 dB mayor, o más.
✗Calcular el ruido sobre el ancho de banda del canal en lugar del ancho de banda ocupado. Una portadora de 100 MHz a 30 kHz ocupa 98,28 MHz, y el ruido lo fijan los bloques de recursos, no el ancho de banda nominal.
✗Extender el alcance más allá de las distancias para las que se ajustó el modelo. Las fórmulas de exteriores de TR 38.901 terminan en 5 km (10 km para entorno rural con línea de vista); más allá, el resultado es una extrapolación.
✗Tomar la velocidad máxima de datos como la que verá un usuario. Supone todos los bloques de recursos, la modulación más alta y el mejor canal, y es una cifra de capacidad, no una previsión del caudal real.

Preguntas Frecuentes

¿Qué modelo de pérdida de trayecto usa este presupuesto de enlace 5G?

Usa el modelo de canal del 3GPP TR 38.901, tabla 7.4.1-1, para macrocelda rural, macrocelda urbana, microcelda urbana en cañón urbano y oficina interior, cada uno con o sin línea de vista. Son los modelos que el 3GPP usa para evaluar sistemas 5G de 0,5 a 100 GHz.

¿Cuál es el nivel de ruido de fondo de una portadora 5G NR de 100 MHz?

Con separación entre subportadoras de 30 kHz, la portadora tiene 273 bloques de recursos que ocupan 98,28 MHz, así que el ruido térmico es de unos −94,05 dBm. Sume la figura de ruido del receptor para obtener el nivel de ruido de fondo, por ejemplo −87,05 dBm con una figura de ruido de 7 dB.

¿Cómo se calcula la velocidad máxima de datos en 5G?

TS 38.306 la aproxima como el producto de las capas, los bits de modulación, el factor de escala, 948/1024, los bloques de recursos y 12 subportadoras por símbolo OFDM, menos una sobrecarga. Cuatro capas de 256-QAM sobre 273 bloques de recursos a 30 kHz dan unos 2337 Mbps.

¿Por qué el alcance máximo se detiene en 5 km?

Las fórmulas de exteriores de TR 38.901 solo están definidas hasta 5 km de distancia sobre el terreno, o 10 km para macrocelda rural con línea de vista. Si el enlace aún cierra en ese límite, la calculadora indica el límite con una advertencia en lugar de extrapolar.

¿Qué margen de desvanecimiento por sombra debo usar?

Cada escenario indica una desviación estándar del desvanecimiento por sombra, desde 3 dB en interiores con línea de vista hasta 8 dB en macrocelda rural sin línea de vista. Un margen de unas 1,28 desviaciones estándar cubre el 90% de las ubicaciones a una distancia dada, y uno de unas 1,64 cubre el 95%.

Metodología y referencias

Referencias

3GPP TR 38.901, Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz, V17.0.0 (Release 17) — 3GPP / ETSI TR 138 901 V17.0.0 (2022-04), §7.4.1, Table 7.4.1-1 — path loss, shadow fading and applicability ranges enlace
3GPP TS 38.306, NR; User Equipment (UE) radio access capabilities, V18.11.0 (Release 18) — 3GPP, 2026-09 — §4.1.2, supported maximum data rate for DL/UL enlace
3GPP TS 38.101-1, NR; UE radio transmission and reception; Part 1: Range 1 Standalone, V18.15.0 (Release 18) — 3GPP, 2026-09 — Table 5.3.2-1, maximum transmission bandwidth configuration N_RB enlace

Reproduces TR 38.901 UMa at 3.5 GHz and 500 m (98.27 dB LOS, 129.92 dB NLOS), the −94.05 dBm thermal noise of 273 resource blocks at 30 kHz, and the TS 38.306 peak rate of about 2337 Mbps for 4 layers of 256-QAM; the two LOS branches meet at the breakpoint within 0.1 dB.

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