這段時間，美國兩大權(quán)威機構(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。
這段時間，美國兩大權(quán)威機構(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，認為C波段的5G信號對飛機的雷達高度計存在重大干擾風(fēng)險。FAA要求，直升機和客運飛機的飛行員在進入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，進行了詳細的技術(shù)分析，已經(jīng)得到了“5G對飛行高度計雷達不存在干擾”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，在美國交通部的強烈要求下，延遲了5G的開通，等待進一步的結(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。
飛機在飛行中，采用多種方式進行高度測量，用于保證系統(tǒng)的冗余度。
其中，高度計雷達，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。如下圖中藍色虛線所示。
C band 5G與高度計雷達使用頻率
雷達高度計，一般用于飛機降落時的高度測量，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使用的頻率很近，擔(dān)心未來5G對其高度計雷達系統(tǒng)的射頻干擾。（典型的馬后炮）
在RTCA的這份報告中，分析了從手機到基站，從機艙內(nèi)到地面，從直升機到客運飛機等多種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產(chǎn)生干擾。其中最嚴重的，是5G基站對高度計雷達的干擾。
各個國家和地區(qū)C band 5G頻譜分配
高度計雷達的天線安裝在飛機底部，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，雷達會接收到5G天線旁瓣輻射帶來的干擾。
如下圖所示：
飛機高度計雷達與5G基站天線視軸
如果基站高度更高，飛機即將降落的情形下，雷達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基站在飛機不同飛行高度下的功率譜密度以及高度計雷達的抗干擾門限
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的最低性能標準更為嚴苛的指標，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)、不嚴謹。
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，認為如果不對5G的部署進行限制，會對波音787，777，737等飛機造成影響。嚴重情況下，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淡藍色的代表5G輻射譜，4.2~4.4 GHz部分為高度雷達的接收信號。
從圖上可以看出，5G對雷達接收機的干擾，包括兩方面。
第一部分，是5G帶外雜散直接落在雷達接收機接收頻率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)有用信號對雷達接收機產(chǎn)生的阻塞影響。
高度計雷達接收機，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，綠色虛線為雷達接收機的頻率響應(yīng)，可以看出接收機對帶外的抑制能力非常差。
缺少了帶外抑制，雷達接收機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——在雷達接收機的前端，加上個濾波器，不就皆大歡喜了？
沒錯，F(xiàn)CC、運營商們也這么認為。既然是高度計雷達的接收機問題，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，所有裝上飛機的東西，都必須通過層層檢測認證，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)管和航空管理機構(gòu)的關(guān)注。
你一定會問，這個高度計雷達問題，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，距離高度計雷達工作的4.2~4.4GHz，還有600MHz的保護帶。所以，我們國家沒有這個問題。
鑒于美國的經(jīng)驗教訓(xùn)，未來飛機高度計雷達的設(shè)計也一定會更新。
國內(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
[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.
