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5G NRリンクバジェット計算ツール — 3GPP TR 38.901の伝搬損失、SINR、通信距離

3GPPのチャネルモデルに基づく5G NRのリンクバジェット。ルーラルマクロ、アーバンマクロ、アーバンマイクロ、屋内オフィスのTR 38.901伝搬損失（LOS/NLOS）、リソースブロック数から求めるノイズフロア、SINR、リンクマージン、モデル適用範囲内の最大通信距離、TS 38.306のピークデータレートを計算します。

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公式

M=PTX+GTX+GRX−L−PL−MSF−(N+MI+SINRreq),N=10log⁡10(kT0)+10log⁡10(NRB⋅12⋅Δf)+NFM = 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

参考: 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— シナリオと見通し状態に応じたTR 38.901 表7.4.1-1の伝搬損失 (dB)
N_{RB}— 帯域幅とSCSに対するリソースブロック数 (TS 38.101 表5.3.2-1)
kT_0— 290 Kでの熱雑音密度、−173.975 dBm/Hz (dBm/Hz)
NF— 受信機の雑音指数 (dB)
M_{SF}, M_I— シャドウイングマージンと干渉マージン (dB)
SINR_{req}— 変調・符号化方式に必要なSINR (dB)

仕組み

リンクバジェットは、送信機から受信機までの利得と損失をすべて積み上げ、信号が十分なマージンをもって届くかを確かめるものです。5G NRのリンクバジェットでは、2つの要素が規格そのものから決まります。1つは伝搬損失モデルで、ここでは3GPPのチャネルモデルTR 38.901を使います。もう1つは雑音帯域幅で、キャリアのリソースブロック数で決まります。

TR 38.901の伝搬損失

TR 38.901の表7.4.1-1は、4つの展開シナリオについて伝搬損失の中央値を与えます。ルーラルマクロ（RMa）、アーバンマクロ（UMa）、アーバンマイクロ・ストリートキャニオン（UMi）、屋内オフィス（InH）です。それぞれに見通し内（LOS）の式と見通し外（NLOS）の式があります。屋外では、大地反射波が直接波を打ち消し始めるブレークポイント距離を超えると、LOSの損失の傾きが急になります。UMaでは

dBP′=4 hBS′ hUT′ fccd'_{BP} = \frac{4\,h'_{BS}\,h'_{UT}\,f_c}{c}

で、2つのアンテナ高はいずれも実効環境高1 mを差し引いた値です。ブレークポイントより手前では PL1=28.0+22log⁡10(d3D)+20log⁡10(fc)PL_1 = 28.0 + 22\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) で、fcf_c はGHz単位、直接距離 d3Dd_{3D} はメートル単位です。NLOSの損失はLOSの損失とNLOSの式の大きいほうで、UMaのNLOSの式は 13.54+39.08log⁡10(d3D)+20log⁡10(fc)−0.6(hUT−1.5)13.54 + 39.08\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) - 0.6(h_{UT} - 1.5) です。3.5 GHz、高さ25 mのマストから500 mの地点では、それぞれ98.27 dBと129.92 dBとなり、見通しの有無がリンクバジェットの大部分を左右します。

雑音とSINR

受信機の雑音は、占有帯域幅内の熱雑音に雑音指数を加えたものです。

N=10log⁡10(kT0)+10log⁡10(NRB⋅12⋅Δf)+NFN = 10\log_{10}(kT_0) + 10\log_{10}(N_{RB} \cdot 12 \cdot \Delta f) + NF

ここで kT0kT_0 は290 Kで−173.975 dBm/Hzです。サブキャリア間隔30 kHzの100 MHzキャリアには273リソースブロックがあり、98.28 MHzを占有するので、雑音指数を加える前の熱雑音は−94.05 dBmです。干渉マージンは他セルからの干渉を見込んでこのノイズフロアを引き上げ、SINRは引き上げたノイズフロアに対する受信電力の比です。

マージンと最大通信距離

最大許容伝搬損失は、シャドウイングマージンを確保したうえで、SINRが所要値に下がるまでに送信電力とアンテナ利得が失ってよい損失です。リンクマージンはこの上限から伝搬損失を引いた値で、最大通信距離は伝搬損失がこの上限に達する距離です。マージンを選ぶ目安として、シナリオのシャドウイング標準偏差を表示します。標準偏差の約1.28倍で、ある距離の地点の90%をカバーできます。

ピークデータレート

ピークデータレートは、TS 38.306の4.1.2節の近似式で求めます。

R=10−6 v Qm f 9481024 NRB⋅12Ts (1−OH),Ts=10−314⋅2μR = 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}}

ここで vv はMIMOレイヤ数、QmQ_m は変調シンボルあたりのビット数、ff はスケーリング係数、OHOH はオーバーヘッドで、FR1のダウンリンクでは0.14、アップリンクでは0.08、FR2ではそれぞれ0.18と0.10です。30 kHzの273リソースブロックで256-QAMを4レイヤ送ると、約2337 Mbpsになります。

適用範囲

各シナリオが成り立つのは表7.4.1-1の範囲内です。周波数0.5〜100 GHz（RMaは30 GHzまで）、地上距離10 m〜5 km（見通し内のRMaは10 kmまで）、端末高はUMaとUMiで1.5〜22.5 m、RMaで1〜10 m、基地局高はRMaで10〜150 m、UMaとUMiではそれぞれ25 mと10 mの固定値、屋内では直接距離1〜150 mです。範囲外でも伝搬損失は表示し、超えた境界を示す警告を出します。最大通信距離はシナリオの距離範囲内だけで探索します。遠端の限界でもまだリンクが成立する場合は、その限界値を最大通信距離として警告とともに表示します。ブレークポイントには光速の厳密値を使います（TR 38.901では3.0×10⁸ m/sと表記）。リソースブロックが定義されているのは7.125 GHzまでのFR1と24.25 GHz以上のFR2だけで、その間の周波数では雑音、マージン、データレートは表示しません。見通し確率は適用しません。また、TR 38.901では端末高13 m超でUMaの実効環境高をランダムに決めますが、この計算ツールでは常に1 mとします。

計算例

問題: 3.5 GHzのn78マクロセルが、高さ25 mにある17 dBiのパネルアンテナに46 dBmを入力して送信します。端末は地上1.5 m、基地局から500 m離れた見通し外の位置にあり、アンテナ利得は0 dBi、雑音指数は7 dBです。キャリアは100 MHz、サブキャリア間隔は30 kHzで、その他の損失3 dB、シャドウイングマージン8 dB、干渉マージン3 dB、所要SINR 0 dBを見込みます。

ステップ1 - 伝搬損失（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（d′_BP = 560.4 mより手前） 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

ステップ2 - 雑音: N_RB = 273、占有帯域幅 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

ステップ3 - 受信電力とSINR: P_RX = 46 + 17 + 0 − 3 − 129.92 = −69.92 dBm SINR = −69.92 − (−87.05 + 3) = 14.13 dB

ステップ4 - マージン: MAPL = 46 + 17 + 0 − 3 − 8 − (−87.05 + 3 + 0) = 136.05 dB M = 136.05 − 129.92 = 6.13 dB

ステップ5 - 最大通信距離とピークデータレート: 伝搬損失は718.1 mで136.05 dBに達し、UMaの適用範囲5 kmの内側です。 273リソースブロックで256-QAM、4レイヤ: 約2337 Mbps

リンクはシャドウイングマージンに加えて6.13 dBの余裕をもって成立します。見通し内であれば、同じ端末の伝搬損失は98.27 dB、マージンは37.78 dBとなります。見通し内を前提に計画するとセル半径を過大に見積もるのはこのためです。

実践的なヒント

  • ✓シナリオのプリセットを使ってください。各プリセットは、TR 38.901がそのシナリオで想定する基地局アンテナ高（UMaは25 m、UMiは10 m）と代表的な距離を設定します。
  • ✓シャドウイングマージンは、出力されるシャドウイング標準偏差から決めてください。その約1.28倍で、セル端の地点の90%をカバーできます。
  • ✓先に5G NRバンド検索ツールでリソースブロック数とバンドの端を調べ、そのうえでここにキャリア周波数を入力してください。
  • ✓リンクバジェットは上り・下りの両方向で計算してください。リンク方向をアップリンクに切り替え、端末の送信電力と基地局の雑音指数を入力します。

よくある間違い

  • ✗都市部の路上にいる端末に見通し内（LOS）の式を使ってしまう。数百mより遠くでは都市部の端末のほとんどは基地局から見通せず、NLOSの損失は30 dB以上大きくなります。
  • ✗雑音を占有帯域幅ではなくチャネル帯域幅で計算してしまう。30 kHzの100 MHzキャリアが占有するのは98.28 MHzで、雑音は公称帯域幅ではなくリソースブロック数で決まります。
  • ✗モデルが当てはめられた距離を超えて通信距離を延ばしてしまう。TR 38.901の屋外の式は5 kmまで（ルーラルの見通し内は10 kmまで）で、それより先の結果は外挿です。
  • ✗ピークデータレートをユーザーが実際に得られる速度とみなしてしまう。これはすべてのリソースブロック、最高次の変調、最良のチャネル状態を前提とした能力値であり、スループットの予測値ではありません。

よくある質問

3GPPのチャネルモデルTR 38.901の表7.4.1-1を使い、ルーラルマクロ、アーバンマクロ、アーバンマイクロ・ストリートキャニオン、屋内オフィスの各シナリオについて、見通し内と見通し外の両方に対応します。これらは、3GPPが0.5〜100 GHzの5Gシステムの評価に使うモデルです。
サブキャリア間隔30 kHzでは、キャリアは273リソースブロックで98.28 MHzを占有するため、熱雑音は約−94.05 dBmです。これに受信機の雑音指数を加えたものがノイズフロアで、たとえば雑音指数7 dBなら−87.05 dBmです。
TS 38.306では、レイヤ数、変調ビット数、スケーリング係数、948/1024、OFDMシンボル時間あたりのサブキャリア数（リソースブロック数×12）を掛け合わせ、オーバーヘッドを差し引いた値で近似します。30 kHzの273リソースブロックで256-QAMを4レイヤ送ると、約2337 Mbpsになります。
TR 38.901の屋外の式は、地上距離5 kmまで（見通し内のルーラルマクロは10 kmまで）しか定義されていないためです。その限界でもまだリンクが成立する場合、計算ツールは外挿せず、限界値を警告付きで表示します。
各シナリオにはシャドウイングの標準偏差が示されており、屋内の見通し内の3 dBから、ルーラルマクロの見通し外の8 dBまであります。標準偏差の約1.28倍のマージンで、ある距離の地点の90%を、約1.64倍で95%をカバーできます。

方法論と参考文献

参考文献

  • 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 リンク
  • 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 リンク
  • 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 リンク

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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