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資料來(lái)源：鮮棗課堂

作者：唐欣

物聯(lián)網(wǎng)智庫(kù) 轉(zhuǎn)載

導(dǎo)讀

這段時(shí)間，美國(guó)兩大權(quán)威機(jī)構(gòu)——聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）與聯(lián)邦航空管理局（FAA），爆發(fā)了激烈的矛盾沖突，引發(fā)行業(yè)關(guān)注。

首先是去年年底，2021年12月7日，F(xiàn)AA發(fā)布飛行警示，認(rèn)為C波段的5G信號(hào)對(duì)飛機(jī)的雷達(dá)高度計(jì)存在重大干擾風(fēng)險(xiǎn)。FAA要求，直升機(jī)和客運(yùn)飛機(jī)的飛行員在進(jìn)入5G信號(hào)覆蓋的情況下，不得使用自動(dòng)降落系統(tǒng)。

FAA通告發(fā)出后，引起了FCC的強(qiáng)烈不滿。六位前FCC大佬，聯(lián)名發(fā)出郵件，譴責(zé)FAA不講武德。大佬們聲稱(chēng)，F(xiàn)CC花了兩年時(shí)間，進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)分析，已經(jīng)得到了“5G對(duì)飛行高度計(jì)雷達(dá)不存在干擾”的結(jié)論，而FAA卻對(duì)此視而不見(jiàn)，實(shí)屬無(wú)理取鬧。

兩大機(jī)構(gòu)互懟，倒霉的是運(yùn)營(yíng)商?；藥装賰|美元拿下3.7GHz頻譜的AT&T和Verizon，在美國(guó)交通部的強(qiáng)烈要求下，延遲了5G的開(kāi)通，等待進(jìn)一步的結(jié)論。

究竟FAA和FCC誰(shuí)對(duì)誰(shuí)錯(cuò)呢？我們先來(lái)看看2020年10月份航空無(wú)線技術(shù)委員會(huì)（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）發(fā)布的一份報(bào)告。

報(bào)告一共231頁(yè)，做了各種場(chǎng)景的詳盡分析。這里給大家簡(jiǎn)單的總結(jié)一下報(bào)告的主要內(nèi)容。

飛機(jī)在飛行中，采用多種方式進(jìn)行高度測(cè)量，用于保證系統(tǒng)的冗余度。

其中，高度計(jì)雷達(dá)，通過(guò)計(jì)算一個(gè)無(wú)線電信號(hào)從地面反射回來(lái)的時(shí)間，來(lái)判斷高度。如下圖中藍(lán)色虛線所示。

C band 5G與高度計(jì)雷達(dá)使用頻率

雷達(dá)高度計(jì)，一般用于飛機(jī)降落時(shí)的高度測(cè)量，以及警告飛行員高度過(guò)低或者前方有上升地形。根據(jù)ITU無(wú)線電規(guī)則的頻譜分配，這個(gè)雷達(dá)高度計(jì)的工作頻率為4.2~4.4 GHz。

3GPP n77頻段的上限是4.2GHz，但在各國(guó)的實(shí)際規(guī)劃中，為了保證不對(duì)這一系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，n77最多只用到4.1GHz （100 MHz作為保護(hù)帶）。

2020年，F(xiàn)CC拍賣(mài)了3.7~3.98GHz頻譜，用于5G的使用。當(dāng)時(shí)，總計(jì)拍賣(mài)價(jià)格高達(dá)809億美元。

拍賣(mài)前，F(xiàn)CC邀請(qǐng)了各個(gè)相關(guān)行業(yè)、公司提出意見(jiàn)。當(dāng)時(shí)，航空業(yè)并沒(méi)有對(duì)這個(gè)頻譜拍賣(mài)提出異議。然而，在拍賣(mài)結(jié)束后不久，航空業(yè)開(kāi)始發(fā)聲，說(shuō)5G的頻率距離飛行高度雷達(dá)使用的頻率很近，擔(dān)心未來(lái)5G對(duì)其高度計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的射頻干擾。（典型的馬后炮）

在RTCA的這份報(bào)告中，分析了從手機(jī)到基站，從機(jī)艙內(nèi)到地面，從直升機(jī)到客運(yùn)飛機(jī)等多種5G信號(hào)存在場(chǎng)景下干擾的情形。最終得出的結(jié)論，是從3.7GHz開(kāi)始的5G信號(hào)會(huì)對(duì)高度計(jì)雷達(dá)產(chǎn)生干擾。其中最嚴(yán)重的，是5G基站對(duì)高度計(jì)雷達(dá)的干擾。

各個(gè)國(guó)家和地區(qū)C band 5G頻譜分配

高度計(jì)雷達(dá)的天線安裝在飛機(jī)底部，天線的視軸 (boresight) 指向地面。在這種情形下，即使基站天線采用下傾角的輻射面，在天線的垂直方向圖上，仍會(huì)有相當(dāng)一部分功能指向天空。因此，雷達(dá)會(huì)接收到5G天線旁瓣輻射帶來(lái)的干擾。

如下圖所示：

飛機(jī)高度計(jì)雷達(dá)與5G基站天線視軸

如果基站高度更高，飛機(jī)即將降落的情形下，雷達(dá)甚至能接收到基站天線主瓣輻射的功率。

下圖是對(duì)不同飛行高度及基站的仿真掃描曲線，我們可以看到，最壞情況出現(xiàn)在200英尺（60米）左右的時(shí)候。

干擾源Massive MIMO 5G基站天線輻射方向圖

（橫坐標(biāo)是水平角度掃描）

支持Massive MIMO、16x16天線陣列的5G大功率宏站，具備最大的干擾風(fēng)險(xiǎn)。

在最壞情況下，5G帶內(nèi)信號(hào)超過(guò)了雷達(dá)能容忍的干擾門(mén)限47dB。而帶外雜散，超過(guò)了干擾門(mén)限27dB。

5G基站在飛機(jī)不同飛行高度下的功率譜密度以及高度計(jì)雷達(dá)的抗干擾門(mén)限

如果說(shuō)5G的帶外雜散還能通過(guò)濾波器抑制來(lái)改善，那么讓帶內(nèi)信號(hào)降低47dB，就基本等于關(guān)閉基站了。這一點(diǎn)，是運(yùn)營(yíng)商和FCC不可接受的。

不久后，在FCC的牽頭下，通信行業(yè)做了相應(yīng)的研究，批判了RTCA這份報(bào)告的不合理性。

第一，RTCA在各個(gè)環(huán)節(jié)的分析中，都加入額外的“設(shè)計(jì)裕量”。甚至在“設(shè)計(jì)裕量”上，再額外添加“安全裕量”。

同時(shí)，對(duì)5G基站輻射和飛機(jī)起降的情況，RTCA也采用了各種最壞情況假設(shè)的組合，并不符合實(shí)際可能出現(xiàn)的情況。

最后，在測(cè)試時(shí)，RTCA的報(bào)告又引入了比FAA的最低性能標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛的指標(biāo)，很不合理。

在FCC之后，CTIA、5G Americans等組織，也都發(fā)布了相應(yīng)的研究報(bào)告，駁斥RTCA報(bào)告中的不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。

事情當(dāng)時(shí)告一段落，兩年來(lái)，在其它已經(jīng)商用5G的國(guó)家中，也沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)任何一起干擾飛機(jī)的事件發(fā)生。于是，AT&T和Verizon兩大運(yùn)營(yíng)商，斥巨資購(gòu)買(mǎi)了頻譜，興高采烈地準(zhǔn)備推出3.7GHz的5G服務(wù)。

然而，F(xiàn)AA卻沒(méi)有因此作罷。他們將事情鬧到了美國(guó)交通部，認(rèn)為如果不對(duì)5G的部署進(jìn)行限制，會(huì)對(duì)波音787，777，737等飛機(jī)造成影響。嚴(yán)重情況下，甚至?xí)?022年導(dǎo)致大量的航班延誤和取消。

涉及航空安全，豈是小事？交通部立刻要求運(yùn)營(yíng)商暫停5G的發(fā)布兩周。連美國(guó)總統(tǒng)拜登，也站出來(lái)表態(tài)，希望兩周的延期能解決兩大管理局的爭(zhēng)端，保證民航不出現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)營(yíng)商能在19號(hào)開(kāi)通5G網(wǎng)絡(luò)。

熟悉RF設(shè)計(jì)的同學(xué)們，一定會(huì)想到，即使5G的上限頻率是3.98GHz，距離4.2GHz還有220MHz的間隔，怎么會(huì)產(chǎn)生干擾呢？

其實(shí)，這就要“歸功”于高度計(jì)雷達(dá)的射頻設(shè)計(jì)了。

從下圖中我們可以看到，圖中3.7~3.98 GHz淡藍(lán)色的代表5G輻射譜，4.2~4.4 GHz部分為高度雷達(dá)的接收信號(hào)。

從圖上可以看出，5G對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的干擾，包括兩方面。

第一部分，是5G帶外雜散直接落在雷達(dá)接收機(jī)接收頻率4.2~4.4GHz中的同頻干擾。

第二部分，也是最主要的部分，是5G帶內(nèi)有用信號(hào)對(duì)雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生的阻塞影響。

高度計(jì)雷達(dá)接收機(jī)，很多是基于90年代的設(shè)計(jì)。在那個(gè)時(shí)候，移動(dòng)通信最多也在2GHz以?xún)?nèi)。3GHz以上，只有微弱的衛(wèi)星下行信號(hào)。

高度計(jì)雷達(dá)在當(dāng)年設(shè)計(jì)時(shí)，并沒(méi)有考慮臨近會(huì)有無(wú)處不在的大功率移動(dòng)通信。

因此，接收機(jī)的設(shè)計(jì)，普遍沒(méi)有考慮使用高性能的波導(dǎo)濾波器來(lái)濾除帶外干擾。

上面的圖中，綠色虛線為雷達(dá)接收機(jī)的頻率響應(yīng)，可以看出接收機(jī)對(duì)帶外的抑制能力非常差。

缺少了帶外抑制，雷達(dá)接收機(jī)因?yàn)槠涞驮肼暦糯笃?，混頻器等器件的非線性，很容易在大信號(hào)下出現(xiàn)ACLR臨道泄露、阻塞、n階交調(diào)、壓縮等非線性響應(yīng)。

這里的基礎(chǔ)射頻知識(shí)，我就不再累述，具體可以參考教材。引用一張來(lái)自Analog Device公司的圖片，給大家一個(gè)接收機(jī)在大信號(hào)干擾下響應(yīng)的直觀印象。

干擾大信號(hào)阻塞下有用信號(hào)無(wú)法正常接收

寫(xiě)到這里，可能你已經(jīng)想到——在雷達(dá)接收機(jī)的前端，加上個(gè)濾波器，不就皆大歡喜了？

沒(méi)錯(cuò)，F(xiàn)CC、運(yùn)營(yíng)商們也這么認(rèn)為。既然是高度計(jì)雷達(dá)的接收機(jī)問(wèn)題，航空公司就應(yīng)該自己解決。

這要是一般的民用通信，可能很快就沒(méi)事兒了。然而，所有裝上飛機(jī)的東西，都必須通過(guò)層層檢測(cè)認(rèn)證，從時(shí)間和經(jīng)費(fèi)上來(lái)說(shuō)，都是一筆不小的投資。在新冠疫情下已經(jīng)奄奄一息的航空公司，不愿意折騰。

就在截稿前，AT&T和Verizon兩大運(yùn)營(yíng)商最終做出讓步，在機(jī)場(chǎng)附近將不部署3.7GHz以上的5G基站?？偨y(tǒng)拜登也贊許了運(yùn)營(yíng)商這一顧全大局的舉動(dòng)。

美國(guó)的問(wèn)題，引來(lái)了澳洲、日本、歐盟等多各個(gè)頻譜監(jiān)管和航空管理機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

你一定會(huì)問(wèn)，這個(gè)高度計(jì)雷達(dá)問(wèn)題，對(duì)中國(guó)的5G部署會(huì)產(chǎn)生影響嗎？已經(jīng)部署的C band 5G，會(huì)威脅國(guó)內(nèi)的飛行安全嗎？

事實(shí)上，受制于C波段衛(wèi)星下行的影響，中國(guó)的C band 5G牌照只發(fā)到了3.6GHz，距離高度計(jì)雷達(dá)工作的4.2~4.4GHz，還有600MHz的保護(hù)帶。所以，我們國(guó)家沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題。

鑒于美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，未來(lái)飛機(jī)高度計(jì)雷達(dá)的設(shè)計(jì)也一定會(huì)更新。

國(guó)內(nèi)的5G頻段分配

本文作者唐欣博士，目前擔(dān)任Spectrum Lab技術(shù)總監(jiān)。

參考文獻(xiàn)

[1] RTCA Paper,Assessment of C-Band Mobile Telecommunications Interference Impact on Low Range Radar Altimeter Operations.

[2] CTIA, Altimeter Performance and the RTCA study.

[3] 5G Americas White Paper, Mid-band spectrum & the coexistence with radio altimeter.

美國(guó)5G風(fēng)波，到底是咋回事？