這段時間，美國兩大權(quán)威機(jī)構(gòu)——聯(lián)邦通信委員會(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信號對飛機(jī)的雷達(dá)高度計存在重大干擾風(fēng)險。FAA要求，直升機(jī)和客運飛機(jī)的飛行員在進(jìn)入5G信號覆蓋的情況下，不得使用自動降落系統(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，F(xiàn)CC花了兩年時間，進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)分析，已經(jīng)得到了“5G對飛行高度計雷達(dá)不存在干擾”的結(jié)論，而FAA卻對此視而不見，實屬無理取鬧。

兩大機(jī)構(gòu)互懟，倒霉的是運營商。花了幾百億美元拿下3.7GHz頻譜的AT&T和Verizon，在美國交通部的強(qiáng)烈要求下，延遲了5G的開通，等待進(jìn)一步的結(jié)論。

究竟FAA和FCC誰對誰錯呢?我們先來看看2020年10月份航空無線技術(shù)委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA)發(fā)布的一份報告。

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

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

其中，高度計雷達(dá)，通過計算一個無線電信號從地面反射回來的時間，來判斷高度。如下圖中藍(lán)色虛線所示。

C band 5G與高度計雷達(dá)使用頻率

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

3GPP n77頻段的上限是4.2GHz，但在各國的實際規(guī)劃中，為了保證不對這一系統(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拍賣了3.7~3.98GHz頻譜，用于5G的使用。當(dāng)時，總計拍賣價格高達(dá)809億美元。

拍賣前，F(xiàn)CC邀請了各個相關(guān)行業(yè)、公司提出意見。當(dāng)時，航空業(yè)并沒有對這個頻譜拍賣提出異議。然而，在拍賣結(jié)束后不久，航空業(yè)開始發(fā)聲，說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5G對其高度計雷達(dá)系統(tǒng)的射頻干擾。(典型的馬后炮)

在RTCA的這份報告中，分析了從手機(jī)到基站，從機(jī)艙內(nèi)到地面，從直升機(jī)到客運飛機(jī)等多種5G信號存在場景下干擾的情形。最終得出的結(jié)論，是從3.7GHz開始的5G信號會對高度計雷達(dá)產(chǎn)生干擾。其中最嚴(yán)重的，是5G基站對高度計雷達(dá)的干擾。

各個國家和地區(qū)C band 5G頻譜分配

高度計雷達(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，仍會有相當(dāng)一部分功能指向天空。因此，雷達(dá)會接收到5G天線旁瓣輻射帶來的干擾。

如下圖所示：

飛機(jī)高度計雷達(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。

在最壞情況下，5G帶內(nèi)信號超過了雷達(dá)能容忍的干擾門限47dB。而帶外雜散，超過了干擾門限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雷達(dá)的抗干擾門限

如果說5G的帶外雜散還能通過濾波器抑制來改善，那么讓帶內(nèi)信號降低47dB，就基本等于關(guān)閉基站了。這一點，是運營商和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這份報告的不合理性。

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

同時，對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，并不符合實際可能出現(xiàn)的情況。

最后，在測試時，RTCA的報告又引入了比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)的研究報告，駁斥RTCA報告中的不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)。

事情當(dāng)時告一段落，兩年來，在其它已經(jīng)商用5G的國家中，也沒有聽說過任何一起干擾飛機(jī)的事件發(fā)生。于是，AT&T和Verizon兩大運營商，斥巨資購買了頻譜，興高采烈地準(zhǔn)備推出3.7GHz的5G服務(wù)。

然而，F(xiàn)AA卻沒有因此作罷。他們將事情鬧到了美國交通部，認(rèn)為如果不對5G的部署進(jìn)行限制，會對波音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?交通部立刻要求運營商暫停5G的發(fā)布兩周。連美國總統(tǒng)拜登，也站出來表態(tài)，希望兩周的延期能解決兩大管理局的爭端，保證民航不出現(xiàn)問題，運營商能在19號開通5G網(wǎng)絡(luò)。

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

其實，這就要“歸功”于高度計雷達(dá)的射頻設(shè)計了。

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。

從圖上可以看出，5G對雷達(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)有用信號對雷達(dá)接收機(jī)產(chǎn)生的阻塞影響。

高度計雷達(dá)接收機(jī)，很多是基于90年代的設(shè)計。在那個時候，移動通信最多也在2GHz以內(nèi)。3GHz以上，只有微弱的衛(wèi)星下行信號。

高度計雷達(dá)在當(dāng)年設(shè)計時，并沒有考慮臨近會有無處不在的大功率移動通信。

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

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)因為其低噪聲放大器，混頻器等器件的非線性，很容易在大信號下出現(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，我就不再累述，具體可以參考教材。引用一張來自Analog Device公司的圖片，給大家一個接收機(jī)在大信號干擾下響應(yīng)的直觀印象。

干擾大信號阻塞下有用信號無法正常接收

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

沒錯，F(xiàn)CC、運營商們也這么認(rèn)為。既然是高度計雷達(dá)的接收機(jī)問題，航空公司就應(yīng)該自己解決。

這要是一般的民用通信，可能很快就沒事兒了。然而，所有裝上飛機(jī)的東西，都必須通過層層檢測認(rèn)證，從時間和經(jīng)費上來說，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兩大運營商最終做出讓步，在機(jī)場附近將不部署3.7GHz以上的5G基站。總統(tǒng)拜登也贊許了運營商這一顧全大局的舉動。

美國的問題，引來了澳洲、日本、歐盟等多各個頻譜監(jiān)管和航空管理機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

你一定會問，這個高度計雷達(dá)問題，對中國的5G部署會產(chǎn)生影響嗎?已經(jīng)部署的C band 5G，會威脅國內(nèi)的飛行安全嗎?

事實上，受制于C波段衛(wèi)星下行的影響，中國的C band 5G牌照只發(fā)到了3.6GHz，距離高度計雷達(dá)工作的4.2~4.4GHz，還有600MHz的保護(hù)帶。所以，我們國家沒有這個問題。

鑒于美國的經(jīng)驗教訓(xùn)，未來飛機(jī)高度計雷達(dá)的設(shè)計也一定會更新。

國內(nèi)的5G頻段分配

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.