5G无线技术基础自学系列 | 下行链路预算

Posted 2022-12-16 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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图10-2所示为下行链路预算的原理，结合相关参数可以计算出最大允许路径损耗。通常，最大允许路径损耗(MAPL) 通过发射功率和接收灵敏度计算。在传播过程中， 损耗一般是静态的， 如穿透损耗、人体损耗及馈线损耗。增益(如天线增益、MIMO增益) 可以提高最大允许路径损耗， 因为它能增强信号强度或者给损耗带来一些补偿。另外，必须保留余量以确保覆盖性能，即使在小区有负载或者某个地方慢衰落比平均值大的情况下，若保留余量，覆盖(根据链路预算计算)也能满足规划目标，与其相关的公式如下。

下行MAPL=EIRP(辐射功率) -MRSS(最小接收功率) -穿透损耗-阴影余量-干扰余量+天线增益

1.下行等效全向辐射功率

一个站点的发射功率通常被称为下行等效全向辐射功率。它从站点天线的角度反映发射功率水平。5G系统中， 使用OFDMA进行资源分配。对不同带宽而言， 接收灵敏度是不同的， 所以在链路预算过程中，应该将单RE看作一个计算的统一标准。插入损耗是由各个接头带来的损耗， 当采用AAU(RRU和天线一体化设备)时，一般取0dB，其余场景下一般取3dB。下行等效全向辐射功率的计算公式如下。

EIRP=gNodeB每子载波的发射功率+gNodeB天线增益-线损-插入损耗

其中， 每子载波发射功率=基站最大功率(dBm) -10lg(子载波数) 。

以100MHz、200WAAU为例：每载波功率=53-10lg(273x 12) =18dBm。

2.基站最大发射功率

基站最大发射功率由AAU/RRU的型号及相关配置决定， 典型配置下小区最大发射功率为200W(53dBm) 。

3.天线增益

由于5G采用Massive MIMO技术， 天线的增益通常为10dBi， 理论上， BF64通道赋形天线下行可获得18dB的赋形增益。根据系统仿真与测试结果，一般取15dB。

除以上增益外， 部分算法和特性的应用也可以带来一定的增益， 如自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding， AMC) 和切换增益， 典型值取1dB， 但这些增益一般不在链路预算时体现。

4.干扰余量

在链路预算的时候会考虑通过干扰余量来补偿来自负载邻区的干扰。干扰余量针对底噪提升，和地物类型、站间距、发射功率、频率复用度有关。在50%邻区负载的情况下，干扰余量一般取值为3~4dB。邻区的负载越高，干扰余量就越大。

5.阴影衰落余量

阴影衰落也称慢衰落，其衰落符合正态分布，由此造成了小区的理论边缘覆盖率只有50%，为了满足需要的覆盖率而引入了额外的余量，该余量称为阴影衰落余量。要达到运营商设定的覆盖目标，需要考虑阴影衰落余量，用以增强覆盖。

阴影衰落余量依赖于小区边缘覆盖率和慢衰落的标准偏差，要求的覆盖率越高，标准偏差越高，则阴影衰落余量越大。

标准偏差是从不同的簇类型中获取的一个测量值，它基本代表距站点一定距离测得的RF信号强度的变量(该值在平均值周围呈对数正态分布)。因此，簇不同，标准偏差也会不同。取决于传播环境的不同，对数正态标准偏差在6~8dB或更大的数值之间变化。假设是平坦的地形，乡村或者开阔的簇类型一般会比市郊或城区簇类型的标准偏差低，这是因为在城区环境中特有的高建筑会形成阻挡而使平均信号强度的标准偏差比在农村环境中更高。慢衰落的标准偏差和地物类型、频点、环境有关。表10-1所示为典型场景的阴影衰落余量取值。

6.损耗

(1) 馈线损耗：主要是指馈线(或跳线) 和接头损耗。当5G采用AAU部署方式时， 不需要考虑馈线损耗； 当5G采用分布式基站时， 从RRU到天线的一段馈线及相应的接头损耗通常取1dB。馈线损耗和馈线长度及工作频带有关，如表10-2所示(表中1英寸=2.54厘米)。

(2) 人体损耗：UE离人体很近造成的信号阻塞和吸收引起的损耗， 语音(VoIP) 业务的人体损耗参考值为3dB。数据业务以阅读观看为主，UE距人体较远，人体损耗取值为0dB。测试结果表明，高频人体损网耗与人和接收端、信号传播方向的相对位置，以及收发端高度差等因素相关，人体遮挡比例越大，损耗越严重，室外典型人体损耗值约为5dB。不同频段下人体损耗参考取值如表10-3所示。

(3)穿透损耗：当人在建筑物或车内打电话时，信号需要穿过建筑物或车体，会造成一定的损耗。穿透损耗与具体的建筑物结构与材料、电磁波入射角度和频率等因素有关，应根据目标覆盖区的实际情况确定。在实际商用网络建设中，穿透损耗余量一般由运营商统一指定，以保证各家厂商规划结果可比较。不同场景下穿透损耗参考取值如表10-4所示。

(4)植被损耗：对于低频通信，在密集城区植被较少时可以不考虑；对于高频通信，树木遮挡导致的衰减非常重要，植被较密区域建议取17dB作为典型衰减值，具体值可根据规划场景实际情况进行调整。28GHz不同场景下的植被损耗如图10-3所示。

(5) 雨衰：对于Sub6G频段、SUL频段， 不考虑雨衰影响； 对于Above 6G高频段(如28GHz/39GHz 等)，在降雨比较充沛的地区，当降雨量和传播距离达到一定水平时，会带来额外的信号衰减，链路预算、网络规划设计需要考虑这部分的影响。根据实测结果， 使用28GHz和39GHz频段、小区覆盖半径小于500m时，雨衰取值为1~2dB。

7.接收机灵敏度

接收机灵敏度指的是在分配的带宽资源下，不考虑外部的噪声或干扰，为满足业务质量要求而必需的最小接收信号水平。接收机灵敏度的计算公式如下。

接收机灵敏度=背景噪声+接收机噪声系数+SINR

背景噪声也被称为热噪声。热噪声是由传输介质中电子的随机运动而产生的。在通信系统中，电阻器件噪声以及接收机产生的噪声均可以等效为热噪声。其功率谱密度在整个频率范围内都是均匀分布的，故又被称为白噪声。背景噪声的计算公式如下。

背景噪声=KTB

其中， K为Boltzmann常数(1.38x 10e-23J/K) ； T为绝对温度， 取290K(其中， K表示开尔文温度，0K=-273.15℃) ； B为带宽， 5G中每个RE带宽为15~240Hz； 在RE带宽取30KHz的情况下， 当温度为17℃时， 5G每个RE背景噪声为-129dBm。

接收机噪声系数是指当信号通过接收机时，由于接收机引入的噪声而使信噪比恶化的程度，在数值上等于输入信噪比与输出信噪比的比值，是评价放大器噪声性能好坏的指标，用NF表示。该值取决于各厂家基站或终端的性能，不同设备的噪声系数参考取值如表10-5所示。

SINR的取值和很多因素有关， 包括要求的小区边缘吞吐率和BLER、MCS、RB数量、上下行时隙配比(TDD特点) 、信道模型、MIMO的流数。结合这些因素， 通过一系列的系统仿真可以得出要求的SINR 值。下行链路预算中最大允许路径损耗的计算基本参数如表10-6所示。