這段(duan)時間，美(mei)國(guo)兩大權(quan)威機(ji)構——聯(lian)邦(bang)(bang)通信(xin)委員會（FCC）與聯(lian)邦(bang)(bang)航(hang)空管理(li)局（FAA），爆(bao)發了(le)激(ji)烈(lie)的矛盾沖突，引發行業關(guan)注。
這段(duan)時(shi)間，美國(guo)兩大(da)權威機構——聯邦通信委員會（FCC）與聯邦航空管(guan)理局（FAA），爆發(fa)了激烈的矛盾沖突，引發(fa)行業關(guan)注(zhu)。
首先是去年(nian)年(nian)底，2021年(nian)12月7日，FAA發布飛行(xing)警(jing)示(shi)，認為C波(bo)段(duan)的(de)5G信號對飛機(ji)(ji)的(de)雷達高度計(ji)存在重(zhong)大干(gan)擾(rao)風(feng)險(xian)。FAA要求，直(zhi)升機(ji)(ji)和客運飛機(ji)(ji)的(de)飛行(xing)員在進入5G信號覆蓋的(de)情況下，不得(de)使用自動降落(luo)系(xi)統。
FAA通告發出后，引起了(le)(le)FCC的(de)強烈不(bu)(bu)(bu)滿(man)。六位前FCC大佬，聯名發出郵件，譴責FAA不(bu)(bu)(bu)講武德。大佬們聲稱，FCC花了(le)(le)兩年時間，進行(xing)了(le)(le)詳(xiang)細的(de)技(ji)術分(fen)析，已經得到了(le)(le)“5G對飛行(xing)高度計雷達(da)不(bu)(bu)(bu)存在干擾”的(de)結論(lun)，而FAA卻對此視而不(bu)(bu)(bu)見，實屬無(wu)理(li)取鬧。
兩大機構互懟(dui)，倒霉的(de)是運營商。花了幾百億(yi)美元拿(na)下(xia)3.7GHz頻譜的(de)AT&T和Verizon，在美國交通(tong)部的(de)強烈要求(qiu)下(xia)，延遲了5G的(de)開(kai)通(tong)，等待進(jin)一步的(de)結論。
究竟FAA和FCC誰對誰錯呢？我們先來看看2020年10月份航空(kong)無線技(ji)術委員會(hui)（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）發布的一份報告(gao)。
報告一共231頁，做了各(ge)種場景的詳盡分析。這里給大家簡(jian)單的總結一下(xia)報告的主要內(nei)容。
飛(fei)機在飛(fei)行中，采用(yong)多種(zhong)方式進行高(gao)度測量(liang)，用(yong)于保證系統的冗余度。
其中，高(gao)(gao)度計雷(lei)達，通過計算一個無線(xian)電(dian)信號從地面反射回來的時間，來判斷高(gao)(gao)度。如下圖中藍(lan)色(se)虛線(xian)所(suo)示。
C band 5G與高度(du)計雷達使用頻率(lv)
雷達高(gao)(gao)度計，一般(ban)用于(yu)飛機降落時的高(gao)(gao)度測量，以(yi)及警告飛行員高(gao)(gao)度過低或者前(qian)方(fang)有上升地形。根據ITU無線(xian)電(dian)規則(ze)的頻譜(pu)分配，這個(ge)雷達高(gao)(gao)度計的工作(zuo)頻率為4.2~4.4 GHz。
3GPP n77頻段(duan)的上限是4.2GHz，但在各(ge)國的實際(ji)規劃(hua)中，為了保證不對這(zhe)一系統產生干擾，n77最(zui)多只(zhi)用到4.1GHz （100 MHz作為保護帶）。
2020年，FCC拍賣了3.7~3.98GHz頻譜，用于5G的(de)使用。當(dang)時，總(zong)計拍賣價格(ge)高達809億美元(yuan)。
拍賣前，FCC邀請了各個相關行業、公司提出意見(jian)。當(dang)時，航空(kong)業并沒有(you)對這個頻(pin)(pin)譜拍賣提出異議(yi)。然而，在拍賣結(jie)束后不久，航空(kong)業開始發聲，說5G的頻(pin)(pin)率(lv)距離飛行高度(du)雷達(da)使用的頻(pin)(pin)率(lv)很近，擔心(xin)未來5G對其高度(du)計雷達(da)系統的射頻(pin)(pin)干擾。（典型的馬后炮(pao)）
在(zai)RTCA的(de)(de)這(zhe)份報告中(zhong)，分析了從(cong)手機到(dao)基(ji)(ji)站，從(cong)機艙內(nei)到(dao)地面，從(cong)直升(sheng)機到(dao)客運飛機等多種5G信號(hao)存在(zai)場景(jing)下干擾(rao)(rao)的(de)(de)情形。最(zui)終得出的(de)(de)結論，是從(cong)3.7GHz開始的(de)(de)5G信號(hao)會(hui)對高度(du)計雷(lei)達(da)(da)產(chan)生干擾(rao)(rao)。其(qi)中(zhong)最(zui)嚴重的(de)(de)，是5G基(ji)(ji)站對高度(du)計雷(lei)達(da)(da)的(de)(de)干擾(rao)(rao)。
各(ge)個國家和(he)地(di)區C band 5G頻(pin)譜分(fen)配
高度計(ji)雷(lei)達的(de)(de)天線(xian)安裝(zhuang)在飛機底部，天線(xian)的(de)(de)視軸 (boresight) 指(zhi)向(xiang)地面。在這種(zhong)情形(xing)下，即使基(ji)站天線(xian)采用下傾角(jiao)的(de)(de)輻(fu)射(she)(she)面，在天線(xian)的(de)(de)垂直方向(xiang)圖上，仍(reng)會(hui)有(you)相(xiang)當一部分功能指(zhi)向(xiang)天空(kong)。因此，雷(lei)達會(hui)接收到5G天線(xian)旁(pang)瓣輻(fu)射(she)(she)帶來的(de)(de)干擾。
如下圖所示：
飛機(ji)高度計雷達(da)與5G基站天線視軸
如果基(ji)站高(gao)(gao)度更高(gao)(gao)，飛機即將降(jiang)落的(de)情形下(xia)，雷(lei)達甚至能(neng)接收到基(ji)站天線主瓣(ban)輻(fu)射的(de)功率。
下圖是對不(bu)同飛行高度及基站的(de)仿真(zhen)掃描曲(qu)線(xian)，我們(men)可(ke)以看(kan)到，最壞情況出現(xian)在200英尺（60米）左右的(de)時候。
干擾源(yuan)Massive MIMO 5G基站(zhan)天線輻射方(fang)向圖(tu)
（橫坐標是水平角度掃描）
支持Massive MIMO、16x16天線陣(zhen)列的5G大功率宏(hong)站(zhan)，具備最大的干擾風險。
在最(zui)壞情(qing)況下，5G帶(dai)內信號超過了雷達能容忍的干擾門(men)限47dB。而帶(dai)外(wai)雜散，超過了干擾門(men)限27dB。
5G基站在飛機(ji)不同飛行高度(du)下(xia)的功率譜密(mi)度(du)以及高度(du)計雷達的抗干擾門限
如果說(shuo)5G的帶外雜散(san)還能通過(guo)濾波器抑(yi)制來改善，那么讓帶內信號降低(di)47dB，就(jiu)基本(ben)等于(yu)關閉基站了。這(zhe)一點，是運營商和FCC不可接受的。
不(bu)久后，在(zai)FCC的牽頭(tou)下，通信行業做了(le)相應的研究(jiu)，批判了(le)RTCA這份(fen)報告的不(bu)合理性。
第一，RTCA在各個環(huan)節的分(fen)析中，都加入(ru)額(e)外的“設計(ji)裕(yu)量(liang)”。甚至在“設計(ji)裕(yu)量(liang)”上，再額(e)外添加“安全裕(yu)量(liang)”。
同時，對5G基站輻射和飛機起降(jiang)的(de)情(qing)況，RTCA也采用了各種最壞情(qing)況假設的(de)組合，并(bing)不符合實際可能出現的(de)情(qing)況。
最后(hou)，在測(ce)試時，RTCA的(de)報告又引入了比FAA的(de)最低性能(neng)標(biao)準更為嚴(yan)苛的(de)指標(biao)，很(hen)不(bu)合(he)理(li)。
在(zai)FCC之后，CTIA、5G Americans等組織，也都(dou)發布了相應的(de)研究報(bao)(bao)告，駁斥RTCA報(bao)(bao)告中的(de)不科學、不嚴謹。
事(shi)情當時告一段落(luo)，兩(liang)年來，在其它已經商用5G的國家中(zhong)，也(ye)沒(mei)有(you)聽說(shuo)過任何一起干擾(rao)飛機的事(shi)件發生。于是，AT&T和Verizon兩(liang)大運營商，斥巨資(zi)購買(mai)了頻譜，興高采烈地準備(bei)推出3.7GHz的5G服務。
然而，FAA卻沒有(you)因此作罷。他們將事情(qing)(qing)鬧到了美(mei)國交(jiao)通(tong)部，認為(wei)如(ru)果不對(dui)(dui)5G的部署進行限制(zhi)，會對(dui)(dui)波音(yin)787，777，737等飛(fei)機造成影響。嚴(yan)重情(qing)(qing)況(kuang)下，甚至會在2022年導致大量的航班(ban)延誤和取消(xiao)。
涉及航(hang)空安全，豈是(shi)小事(shi)？交通(tong)部(bu)立刻要求運營商暫停5G的發布(bu)兩周。連(lian)美國(guo)總統拜登，也(ye)站出(chu)(chu)來(lai)表態(tai)，希望兩周的延期能解決(jue)兩大(da)管理局的爭端，保證民航(hang)不出(chu)(chu)現(xian)問(wen)題，運營商能在19號開通(tong)5G網絡(luo)。
熟悉RF設計(ji)的同學們，一(yi)定會(hui)想到，即使5G的上限頻(pin)率是3.98GHz，距(ju)離4.2GHz還有220MHz的間隔，怎么會(hui)產(chan)生干擾呢？
其實，這就要“歸(gui)功”于高度計(ji)雷達的射頻(pin)設計(ji)了。
從下圖中(zhong)我們可(ke)以看到，圖中(zhong)3.7~3.98 GHz淡藍色(se)的代表5G輻射譜，4.2~4.4 GHz部分為高(gao)度(du)雷達的接收信號。
從圖上可以(yi)看出，5G對雷達接收機的干擾，包括兩(liang)方面。
第一部分，是5G帶外(wai)雜(za)散直接(jie)落在雷達接(jie)收(shou)機接(jie)收(shou)頻(pin)率4.2~4.4GHz中的(de)同頻(pin)干擾。
第二部分，也(ye)是最主要的(de)部分，是5G帶內有用(yong)信號對雷達接收機產(chan)生的(de)阻塞影響。
高(gao)度計(ji)雷達接收機，很多是基(ji)于90年代的設計(ji)。在那個(ge)時候，移(yi)動通信最多也在2GHz以(yi)內。3GHz以(yi)上，只(zhi)有微弱的衛星下行信號。
高(gao)度計雷達(da)在當年設計時(shi)，并沒有(you)考慮(lv)臨(lin)近會有(you)無處(chu)不在的(de)大功率移動通信。
因此，接(jie)收機的(de)設(she)計，普遍沒有(you)考慮使(shi)用高性能的(de)波(bo)導濾波(bo)器來濾除帶外干擾。
上面的(de)圖中，綠色虛(xu)線為雷達接(jie)收機的(de)頻率響應，可(ke)以看出(chu)接(jie)收機對帶外的(de)抑制能力非常差。
缺少了帶外抑制，雷達(da)接收機因為其(qi)低噪聲放大(da)(da)器，混頻器等(deng)器件的非線性，很容易在大(da)(da)信號下出現ACLR臨(lin)道泄(xie)露(lu)、阻塞、n階交(jiao)調、壓縮等(deng)非線性響應。
這(zhe)里的(de)基(ji)礎射頻知識，我(wo)就(jiu)不(bu)再累(lei)述，具體可(ke)以參(can)考教材。引用一(yi)張來(lai)自(zi)Analog Device公(gong)司(si)的(de)圖片，給(gei)大(da)家一(yi)個(ge)接收機在大(da)信(xin)號干(gan)擾下響應的(de)直觀印象(xiang)。
干擾(rao)大信(xin)號阻塞(sai)下有用信(xin)號無法(fa)正常(chang)接收
寫到(dao)這里，可能你已(yi)經想到(dao)——在雷達接收機的(de)前端，加上個(ge)濾波(bo)器，不就(jiu)皆大歡喜了(le)？
沒錯，FCC、運營(ying)商們也這么認為。既(ji)然(ran)是高度計雷達的接收(shou)機問題，航(hang)空公司就應(ying)該自己解決。
這要是(shi)一(yi)般的民用通(tong)信(xin)，可能很快就沒事(shi)兒了。然而，所有裝上(shang)飛機(ji)的東西(xi)，都(dou)必(bi)須通(tong)過層(ceng)層(ceng)檢(jian)測認證，從(cong)時間和經費(fei)上(shang)來(lai)說，都(dou)是(shi)一(yi)筆不(bu)小的投資。在新冠疫情下已經奄奄一(yi)息的航(hang)空公司(si)，不(bu)愿意折騰。
就在(zai)截稿(gao)前，AT&T和Verizon兩大運營商最終做出讓(rang)步，在(zai)機場附近將不(bu)部署3.7GHz以上的(de)5G基(ji)站。總統拜登也(ye)贊(zan)許了(le)運營商這一顧全大局的(de)舉動。
美國的問題，引來了澳洲、日本(ben)、歐盟等多各個頻譜監(jian)管(guan)和航空管(guan)理機構的關注(zhu)。
你一定(ding)會問(wen)，這個高(gao)度計(ji)雷達問(wen)題(ti)，對中(zhong)國的5G部署會產生影響嗎？已經(jing)部署的C band 5G，會威(wei)脅國內的飛行(xing)安全嗎？
事實上，受(shou)制于C波段衛星(xing)下行的影響，中(zhong)國(guo)(guo)的C band 5G牌照只發到(dao)了(le)3.6GHz，距離高(gao)度計雷達工作(zuo)的4.2~4.4GHz，還有600MHz的保護帶。所以(yi)，我們國(guo)(guo)家沒有這個問題。
鑒于美國的(de)經驗教訓，未來飛(fei)機(ji)高度(du)計雷達(da)的(de)設計也一(yi)定會(hui)更(geng)新。
國內的5G頻段分配
本文作者唐欣(xin)博(bo)士，目前擔(dan)任(ren)Spectrum Lab技術總監。
參考文獻(xian)
[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.
