Calculadora de orçamento de enlace 5G NR — perda de percurso 3GPP TR 38.901, SINR e alcance

Um orçamento de enlace soma tudo o que há entre um transmissor e um receptor e verifica se o sinal chega com margem suficiente. Duas partes de um orçamento 5G NR vêm da própria norma: o modelo de perda de percurso, aqui tirado do modelo de canal TR 38.901 do 3GPP, e a largura de banda de ruído, definida pelo número de blocos de recursos da portadora.

Perda de percurso pelo TR 38.901

A Tabela 7.4.1-1 do TR 38.901 dá a perda de percurso mediana para quatro cenários de implantação: macro rural (RMa), macro urbana (UMa), micro urbana em cânion de rua (UMi) e escritório indoor (InH). Cada um tem uma fórmula com linha de visada (LOS) e outra sem linha de visada (NLOS). Em ambiente externo, a perda em LOS passa a crescer mais rápido além da distância de breakpoint, onde a reflexão no solo começa a cancelar o raio direto. Para UMa

com as duas alturas de antena reduzidas de uma altura efetiva do ambiente de 1 m. Abaixo do breakpoint, $PL_1 = 28.0 + 22\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c)$, com $f_c$ em GHz e a distância direta $d_{3D}$ em metros. A perda em NLOS é a maior entre a perda em LOS e a fórmula NLOS, que para UMa é $13.54 + 39.08\log_{10}(d_{3D}) + 20\log_{10}(f_c) - 0.6(h_{UT} - 1.5)$. Em 3,5 GHz e a 500 m de um mastro de 25 m, as duas dão 98,27 dB e 129,92 dB: a condição de linha de visada decide a maior parte do orçamento.

Ruído e SINR

O ruído do receptor é o ruído térmico na largura de banda ocupada mais a figura de ruído:

onde $kT_0$ vale −173,975 dBm/Hz a 290 K. Uma portadora de 100 MHz com espaçamento entre subportadoras de 30 kHz tem 273 blocos de recursos ocupando 98,28 MHz, então seu ruído térmico é de −94,05 dBm antes da figura de ruído. A margem de interferência eleva esse piso para levar em conta as outras células, e a SINR é a potência recebida sobre o piso elevado.

Margem e alcance

A perda de percurso máxima admissível é o quanto a potência de transmissão e os ganhos de antena podem perder antes que a SINR caia ao valor exigido, depois de reservada a margem de sombreamento. A margem do enlace é esse limite menos a perda de percurso, e o alcance máximo é a distância em que a perda de percurso o atinge. O desvio padrão do sombreamento do cenário é exibido para ajudar a escolher a margem: cerca de 1,28 desvio padrão cobre 90% dos locais a uma dada distância.

Taxa de dados de pico

A taxa de pico é a aproximação da TS 38.306, seção 4.1.2:

com $v$ camadas MIMO, $Q_m$ bits por símbolo de modulação, um fator de escala $f$ e um overhead $OH$ de 0,14 no downlink da FR1, 0,08 no uplink da FR1, e 0,18 e 0,10 na FR2. Quatro camadas de 256-QAM em 273 blocos de recursos com 30 kHz dão cerca de 2337 Mbps.

Validade

Cada cenário vale nas faixas da Tabela 7.4.1-1: de 0,5 a 100 GHz (30 GHz para RMa); de 10 m a 5 km de distância no solo (10 km para RMa com linha de visada); alturas do usuário de 1,5 a 22,5 m em UMa e UMi e de 1 a 10 m em RMa; alturas da estação base de 10 a 150 m em RMa, e exatamente 25 m em UMa e 10 m em UMi; e de 1 a 150 m de distância direta em ambiente interno. Fora delas, a perda de percurso continua sendo exibida, com um aviso que indica o limite. O alcance máximo é procurado apenas dentro da faixa de distâncias do cenário: quando o enlace ainda fecharia no limite superior, o alcance é dado nesse limite, com um aviso. O breakpoint usa a velocidade exata da luz, enquanto o TR 38.901 usa 3,0×10⁸ m/s. Os blocos de recursos só são definidos na FR1, até 7,125 GHz, e na FR2, a partir de 24,25 GHz; entre as duas não se informa ruído, margem nem taxa. A probabilidade de linha de visada não é aplicada, e a UMa mantém a altura efetiva do ambiente de 1 m mesmo acima de 13 m, onde o TR 38.901 a sorteia aleatoriamente.