Calculateur de bilan de liaison 5G NR — affaiblissement 3GPP TR 38.901, SINR et portée

Un bilan de liaison additionne tout ce qui se trouve entre un émetteur et un récepteur et vérifie si le signal arrive avec une marge suffisante. Deux éléments d'un bilan 5G NR viennent de la norme elle-même : le modèle d'affaiblissement de propagation, tiré ici du modèle de canal 3GPP TR 38.901, et la largeur de bande de bruit, fixée par le nombre de blocs de ressources de la porteuse.

Affaiblissement de propagation selon TR 38.901

Le tableau 7.4.1-1 de TR 38.901 donne l'affaiblissement de propagation médian pour quatre déploiements : macrocellule rurale (RMa), macrocellule urbaine (UMa), microcellule urbaine en canyon de rue (UMi) et bureau en intérieur (InH). Chacun a une formule en visibilité directe (LOS) et une autre hors visibilité directe (NLOS). En extérieur, l'affaiblissement LOS croît plus vite au-delà d'une distance de point de rupture, à partir de laquelle la réflexion sur le sol commence à annuler le rayon direct. Pour UMa

où les deux hauteurs d'antenne sont diminuées d'une hauteur effective d'environnement de 1 m. Avant le point de rupture, $PL_1 = 28.0 + 22\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c)$, avec $f_c$ en GHz et la distance directe $d_{3D}$ en mètres. L'affaiblissement NLOS est le plus grand de l'affaiblissement LOS et de la formule NLOS, qui vaut pour UMa $13.54 + 39.08\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) - 0.6(h_{UT} - 1.5)$. À 3,5 GHz et à 500 m d'un mât de 25 m, les deux donnent 98,27 dB et 129,92 dB : c'est la visibilité directe, ou son absence, qui décide de l'essentiel du bilan.

Bruit et SINR

Le bruit du récepteur est le bruit thermique dans la bande occupée, plus le facteur de bruit :

où $kT_0$ vaut −173,975 dBm/Hz à 290 K. Une porteuse de 100 MHz avec un espacement des sous-porteuses de 30 kHz compte 273 blocs de ressources qui occupent 98,28 MHz : son bruit thermique est donc de −94,05 dBm avant le facteur de bruit. La marge d'interférence relève ce plancher pour tenir compte des autres cellules, et le SINR est le rapport entre la puissance reçue et ce plancher relevé.

Marge et portée

L'affaiblissement maximal admissible est ce que la puissance d'émission et les gains d'antenne peuvent perdre avant que le SINR ne tombe à la valeur requise, une fois la marge d'effet de masque mise de côté. La marge de liaison est cette limite moins l'affaiblissement de propagation, et la portée maximale est la distance à laquelle l'affaiblissement l'atteint. L'écart type de l'effet de masque (shadow fading) du scénario est affiché pour aider à choisir la marge : environ 1,28 écart type couvre 90 % des emplacements à une distance donnée.

Débit crête

Le débit crête suit l'approximation de TS 38.306, section 4.1.2 :

avec $v$ couches MIMO, $Q_m$ bits par symbole de modulation, un facteur d'échelle $f$ et un surdébit $OH$ de 0,14 en liaison descendante FR1, 0,08 en liaison montante FR1, 0,18 et 0,10 en FR2. Quatre couches en 256-QAM sur 273 blocs de ressources à 30 kHz donnent environ 2337 Mbps.

Domaine de validité

Chaque scénario vaut dans les plages du tableau 7.4.1-1 : de 0,5 à 100 GHz (30 GHz pour RMa) ; de 10 m à 5 km de distance au sol (10 km pour RMa en visibilité directe) ; des hauteurs d'utilisateur de 1,5 à 22,5 m en UMa et UMi et de 1 à 10 m en RMa ; des hauteurs de station de base de 10 à 150 m en RMa, et exactement 25 m en UMa et 10 m en UMi ; et de 1 à 150 m de distance directe en intérieur. En dehors de ces plages, l'affaiblissement reste affiché, avec un avertissement qui nomme la borne dépassée. La portée maximale n'est cherchée qu'à l'intérieur de la plage de distances du scénario : si la liaison passe encore à la limite supérieure, la portée est donnée à cette limite, avec un avertissement. Le point de rupture utilise la valeur exacte de la vitesse de la lumière, là où TR 38.901 écrit 3,0×10⁸ m/s. Les blocs de ressources ne sont définis qu'en FR1, jusqu'à 7,125 GHz, et en FR2, à partir de 24,25 GHz ; entre les deux, aucun bruit, aucune marge ni aucun débit n'est donné. La probabilité de visibilité directe n'est pas appliquée, et UMa conserve une hauteur effective d'environnement de 1 m même au-dessus de 13 m, alors que TR 38.901 la tire au hasard.