美国5G风波,到底是咋回事?
作者 | 鲜枣课堂2022-02-08

这段时间,美国两大权威机构——联邦通信委员会(FCC)与联邦航空管理局(FAA),爆发了激烈的矛盾冲突,引发行业关注。

美国5G风波,到底是咋回事?

这段时间,美国两大权威机构——联邦通信委员会(FCC)与联邦航空管理局(FAA),爆发了激烈的矛盾冲突,引发行业关注。

首先是去年年底,2021年12月7日,FAA发布飞行警示,认为C波段的5G信号对飞机的雷达高度计存在重大干扰风险。FAA要求,直升机和客运飞机的飞行员在进入5G信号覆盖的情况下,不得使用自动降落系统。

FAA通告发出后,引起了FCC的强烈不满。六位前FCC大佬,联名发出邮件,谴责FAA不讲武德。大佬们声称,FCC花了两年时间,进行了详细的技术分析,已经得到了“5G对飞行高度计雷达不存在干扰”的结论,而FAA却对此视而不见,实属无理取闹。

两大机构互怼,倒霉的是运营商。花了几百亿美元拿下3.7GHz频谱的AT&T和Verizon,在美国交通部的强烈要求下,延迟了5G的开通,等待进一步的结论。

究竟FAA和FCC谁对谁错呢?我们先来看看2020年10月份航空无线技术委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)发布的一份报告。

报告一共231页,做了各种场景的详尽分析。这里给大家简单的总结一下报告的主要内容。

飞机在飞行中,采用多种方式进行高度测量,用于保证系统的冗余度。

其中,高度计雷达,通过计算一个无线电信号从地面反射回来的时间,来判断高度。如下图中蓝色虚线所示。

C band 5G与高度计雷达使用频率

C band 5G与高度计雷达使用频率

雷达高度计,一般用于飞机降落时的高度测量,以及警告飞行员高度过低或者前方有上升地形。根据ITU无线电规则的频谱分配,这个雷达高度计的工作频率为4.2~4.4 GHz。

3GPP n77频段的上限是4.2GHz,但在各国的实际规划中,为了保证不对这一系统产生干扰,n77最多只用到4.1GHz (100 MHz作为保护带)。

2020年,FCC拍卖了3.7~3.98GHz频谱,用于5G的使用。当时,总计拍卖价格高达809亿美元。

拍卖前,FCC邀请了各个相关行业、公司提出意见。当时,航空业并没有对这个频谱拍卖提出异议。然而,在拍卖结束后不久,航空业开始发声,说5G的频率距离飞行高度雷达使用的频率很近,担心未来5G对其高度计雷达系统的射频干扰。(典型的马后炮)

在RTCA的这份报告中,分析了从手机到基站,从机舱内到地面,从直升机到客运飞机等多种5G信号存在场景下干扰的情形。最终得出的结论,是从3.7GHz开始的5G信号会对高度计雷达产生干扰。其中最严重的,是5G基站对高度计雷达的干扰。

各个国家和地区C band 5G频谱分配

各个国家和地区C band 5G频谱分配

高度计雷达的天线安装在飞机底部,天线的视轴 (boresight) 指向地面。在这种情形下,即使基站天线采用下倾角的辐射面,在天线的垂直方向图上,仍会有相当一部分功能指向天空。因此,雷达会接收到5G天线旁瓣辐射带来的干扰。

如下图所示:

飞机高度计雷达与5G基站天线视轴

飞机高度计雷达与5G基站天线视轴

如果基站高度更高,飞机即将降落的情形下,雷达甚至能接收到基站天线主瓣辐射的功率。

下图是对不同飞行高度及基站的仿真扫描曲线,我们可以看到,最坏情况出现在200英尺(60米)左右的时候。

干扰源Massive MIMO 5G基站天线辐射方向图

干扰源Massive MIMO 5G基站天线辐射方向图

(横坐标是水平角度扫描)

支持Massive MIMO、16x16天线阵列的5G大功率宏站,具备最大的干扰风险。

在最坏情况下,5G带内信号超过了雷达能容忍的干扰门限47dB。而带外杂散,超过了干扰门限27dB。

5G基站在飞机不同飞行高度下的功率谱密度以及高度计雷达的抗干扰门限

5G基站在飞机不同飞行高度下的功率谱密度以及高度计雷达的抗干扰门限

如果说5G的带外杂散还能通过滤波器抑制来改善,那么让带内信号降低47dB,就基本等于关闭基站了。这一点,是运营商和FCC不可接受的。

不久后,在FCC的牵头下,通信行业做了相应的研究,批判了RTCA这份报告的不合理性。

第一,RTCA在各个环节的分析中,都加入额外的“设计裕量”。甚至在“设计裕量”上,再额外添加“安全裕量”。

同时,对5G基站辐射和飞机起降的情况,RTCA也采用了各种最坏情况假设的组合,并不符合实际可能出现的情况。

最后,在测试时,RTCA的报告又引入了比FAA的最低性能标准更为严苛的指标,很不合理。

在FCC之后,CTIA、5G Americans等组织,也都发布了相应的研究报告,驳斥RTCA报告中的不科学、不严谨。

事情当时告一段落,两年来,在其它已经商用5G的国家中,也没有听说过任何一起干扰飞机的事件发生。于是,AT&T和Verizon两大运营商,斥巨资购买了频谱,兴高采烈地准备推出3.7GHz的5G服务。

然而,FAA却没有因此作罢。他们将事情闹到了美国交通部,认为如果不对5G的部署进行限制,会对波音787,777,737等飞机造成影响。严重情况下,甚至会在2022年导致大量的航班延误和取消。

涉及航空安全,岂是小事?交通部立刻要求运营商暂停5G的发布两周。连美国总统拜登,也站出来表态,希望两周的延期能解决两大管理局的争端,保证民航不出现问题,运营商能在19号开通5G网络。

熟悉RF设计的同学们,一定会想到,即使5G的上限频率是3.98GHz,距离4.2GHz还有220MHz的间隔,怎么会产生干扰呢?

其实,这就要“归功”于高度计雷达的射频设计了。

从下图中我们可以看到,图中3.7~3.98 GHz淡蓝色的代表5G辐射谱,4.2~4.4 GHz部分为高度雷达的接收信号。

美国5G风波,到底是咋回事?

从图上可以看出,5G对雷达接收机的干扰,包括两方面。

第一部分,是5G带外杂散直接落在雷达接收机接收频率4.2~4.4GHz中的同频干扰。

第二部分,也是最主要的部分,是5G带内有用信号对雷达接收机产生的阻塞影响。

高度计雷达接收机,很多是基于90年代的设计。在那个时候,移动通信最多也在2GHz以内。3GHz以上,只有微弱的卫星下行信号。

高度计雷达在当年设计时,并没有考虑临近会有无处不在的大功率移动通信。

因此,接收机的设计,普遍没有考虑使用高性能的波导滤波器来滤除带外干扰。

上面的图中,绿色虚线为雷达接收机的频率响应,可以看出接收机对带外的抑制能力非常差。

缺少了带外抑制,雷达接收机因为其低噪声放大器,混频器等器件的非线性,很容易在大信号下出现ACLR临道泄露、阻塞、n阶交调、压缩等非线性响应。

这里的基础射频知识,我就不再累述,具体可以参考教材。引用一张来自Analog Device公司的图片,给大家一个接收机在大信号干扰下响应的直观印象。

干扰大信号阻塞下有用信号无法正常接收

干扰大信号阻塞下有用信号无法正常接收

写到这里,可能你已经想到——在雷达接收机的前端,加上个滤波器,不就皆大欢喜了?

没错,FCC、运营商们也这么认为。既然是高度计雷达的接收机问题,航空公司就应该自己解决。

这要是一般的民用通信,可能很快就没事儿了。然而,所有装上飞机的东西,都必须通过层层检测认证,从时间和经费上来说,都是一笔不小的投资。在新冠疫情下已经奄奄一息的航空公司,不愿意折腾。

就在截稿前,AT&T和Verizon两大运营商最终做出让步,在机场附近将不部署3.7GHz以上的5G基站。总统拜登也赞许了运营商这一顾全大局的举动。

美国的问题,引来了澳洲、日本、欧盟等多各个频谱监管和航空管理机构的关注。

你一定会问,这个高度计雷达问题,对中国的5G部署会产生影响吗?已经部署的C band 5G,会威胁国内的飞行安全吗?

事实上,受制于C波段卫星下行的影响,中国的C band 5G牌照只发到了3.6GHz,距离高度计雷达工作的4.2~4.4GHz,还有600MHz的保护带。所以,我们国家没有这个问题。

鉴于美国的经验教训,未来飞机高度计雷达的设计也一定会更新。

国内的5G频段分配

国内的5G频段分配

本文作者唐欣博士,目前担任Spectrum Lab技术总监。

参考文献

[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.


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