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5G(NR)网络中毫米波(28GHz)链路预算
KangGuoYing
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发表于 2020-3-20 15:56:21  只看楼主 

       5G(NR)技术与毫米波频段的结合开启了超高速、低延迟移动性能的新纪元。 随着商业服务、设备和高达850 MHz宽带的普及,使得28GHz的应用日渐成熟。天线阵列和波束斌形技术的结合,使得28GHz 频段毫米波频率成功应用于无线通信。


1. 28GHz技术参数


  •      3GPP 波段编号:n257

  •      频率范围:26.50 GHz– 29.50 GHz

  •      可用带宽:850 MHz

  •      信道带宽:50 MHz, 100 MHz, 200 MHz,      400 MHz

  •      波段名称: LMDS

image.png

2.链路预算分析


         从运营商角度来看,任何新技术的可行性都取决于商业模式完成后形成的业务案例。商业案例由两个主要因素决定: 所需资本的支出(CAPEX) ,其次是运营和维护网络的成本(OPEX)。其中:资本支出(CAPEX)包括:


  •      部署站点(小区)数量

  •      小区边缘性能指标(如边缘速率要求)

  •      覆盖情况


          毫米波支持波束斌形,有助于克服较高的路径损耗,但覆盖范围有限;而频率低于6 GH的频谱都被营业商使用。 为了确保足够的覆盖,链接预算分析也就必不可少。


3.链路预算实例


      考虑到28 GHz频带和100 MHz载波带宽,首先需要计算接收机灵敏度极限。我们假设:BW= 100 MHz的场景


  •       SINR达到成功解码 16 QAM,1/2 FEC = 8dB,

  •       天线阵列增益 17 dB

  •       UE 噪声指数 10 dB

·            估算覆盖1000米 ISD(小区半径500米)

                视距路径损耗    133 dB

                非视距路径损耗 156 dB


第一步:设定接收灵敏度


      • Rx   Sensitivity = -174 + 10*log (BW) + Noise Figure

  •                                          =-174  + 10*log(100*10^6) + 10

  •                                              = -174 + 80 +10

                                                 = -84 dB

    第二步:设定路径损耗


      • (理想条件下)视距:133        dB

      • (固定无线接入FWA)非视距:156dB


第三步:设定各向同性辐射所需有效功率


      • EIRP        = Receiver Sensitivity + SNR – Rx Antenna Gain + Path Loss

        • LOS    Case            EIRP  = -84 +8 -16 +133 =41dBm

        • Non-LOS     Case   EIRP  = -84 +8 -16 +156 = 64 dBm

第四步:设定小区边缘的性能指标(如速率)


              每个载波数据传输速率取决于调制、 MIMO方案和可达到的SNR。例如,一个典型要求是达到2 bps/Hz频谱效率,即100 MHz信道带宽达到200 Mbps。为了实现这一目标,信噪比需要约8 dB,这就进一步提高了对接收机灵敏度的要求。

              接收机使用天线阵列,波束斌形的增益,单个天线单元增益和单元总数决定了小区边缘的速率。 在5G部署早期阶段,总接收波束斌形增益接近17 dBi。


              根据估计路径损耗,可以确定所需的总等效各向同性辐射功率(EIRP)和所需的发射功率。 根据以上计算,发送端所需的总EIRP在41到64 dBm之间(见步骤2)。 在5G拉远无线单元(RRH)上使用大型天线阵列也可获得较大的波束斌形增益。


        对于毫米波网元来说,也都需高输出功率;设计这样的功率放大器、射频前端和天线阵列的电路对射频硬件设计师来说也是一个挑战。由于不是所有的基带板都能提供如此高的功率输出,业界面临着设计这些射频元件的公司之间的所有挑战。 其中之一就是提供一个可接受的功率增加效率,用以处理散热元件。

        基于以上的分析,下行方向建立一个可行的通信链路,其在与ISD的1000米是可以实现。 然而上一代无线技术的上行链路功率有限,5G也不例外。 下面显示了上行链路预算,假设最大设备功率为+23 dBm,用户设备(CPE)路由器天线是16个单元的阵列。


4.上行链路预算


  •         总发射功率:Tx EIRP: 41 dBm

  •         路径损耗:133 to 156 dB

  •         带宽:100MHz

  •         热噪声:-174 + 10*log(100*10^6) =−94 dBm

  •         gNB接收噪声系数:6 dB

  •         最小可探测信号:−88 dBm

  •         QPSK and ½ FEC解调SNR: 5 Db

  •         天线赋形总接收增益:24 dBi

  •         100MHZ带宽信号接收:−107 dBm

  •         边缘链路= Total Tx EIRP – Path Loss – Rx Signal

  •         边缘链路* −9 to +14 dB


        根据路径损耗和信道模型,可以计算出一个覆盖的大致范围(如:-9 to +14 dB)的链路预算。所有低于零的数据都表明这个链接无法匹配。

        通过这些理想的计算,可得出这样结论:毫米波频率在1000米上ISD上行链路是有问题的。基于这个原因,3GPP定义了一个5G(NR)用户设备(UE)功率等级,它允许总EIRP达到+55 dBm。


        目前美国规定中允许有如此高EIRP的设备,但不允许在手机上使用。 然而实现这一EIRP 本身就是一个技术挑战,(产品)可能会在更晚的时候上市。从这个角度来看,服务提供者应该在其业务案例中考虑一个较短的ISD。 目前的文献和文件正在为无线电设备的早期阶段规划250米或更小的小区。现在需要确定一个较短的ISD,例如250米,是否满足5G 毫米波FWA的业务需求。

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发表于 2020-3-20 16:27:18 


QUOTE:
原帖由 litom2004 于 2020-3-20 15:56:21 发表
5G(NR)技术与毫米波频段的结合开启了超高速、低延迟移动性能的新纪元。 随着商业服务、设备和高达850 MHz宽带的普及,使得28GHz的应用日渐成熟。天线阵列和波束斌形技术的结合,使得 ...

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