這段時間，美國兩大(da)權威機構(gou)——聯(lian)邦通信委(wei)員會（FCC）與聯(lian)邦航(hang)空(kong)管理局（FAA），爆發(fa)了激(ji)烈的矛盾(dun)沖突(tu)，引發(fa)行業關(guan)注。
這段時間，美國兩大(da)權威(wei)機構——聯(lian)邦(bang)通信(xin)委(wei)員會（FCC）與聯(lian)邦(bang)航空管理局（FAA），爆發了激(ji)烈的矛盾沖突，引發行業關(guan)注。
首先是去年(nian)年(nian)底，2021年(nian)12月7日，FAA發布飛行警示，認為C波(bo)段的(de)5G信號(hao)對飛機(ji)的(de)雷達高度(du)計存在(zai)重大(da)干擾風險。FAA要(yao)求，直升機(ji)和客運飛機(ji)的(de)飛行員在(zai)進入5G信號(hao)覆蓋(gai)的(de)情況下，不得(de)使用(yong)自動降落系(xi)統。
FAA通告發出后，引起了(le)FCC的強烈不(bu)滿(man)。六位前FCC大佬，聯名發出郵(you)件，譴責FAA不(bu)講武德。大佬們聲(sheng)稱，FCC花了(le)兩年時間，進行(xing)了(le)詳細的技術(shu)分析，已經得到了(le)“5G對飛行(xing)高(gao)度計雷達不(bu)存在(zai)干擾”的結論，而(er)FAA卻對此視而(er)不(bu)見，實(shi)屬無理取鬧。
兩大機(ji)構互(hu)懟，倒(dao)霉的(de)是運營商。花了幾百億美元拿下3.7GHz頻譜(pu)的(de)AT&T和(he)Verizon，在(zai)美國交通部的(de)強(qiang)烈(lie)要求下，延(yan)遲了5G的(de)開(kai)通，等待進一(yi)步的(de)結論。
究(jiu)竟FAA和FCC誰(shui)對誰(shui)錯(cuo)呢(ni)？我們先來看(kan)看(kan)2020年10月份(fen)航空(kong)無線技(ji)術委員會（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）發布(bu)的一(yi)份(fen)報告。
報告一共231頁，做了各種場景的詳盡分(fen)析。這里給(gei)大家簡(jian)單的總(zong)結一下報告的主要內容。
飛機在飛行(xing)中，采(cai)用多種方式進行(xing)高度(du)測量(liang)，用于保證系統的冗(rong)余(yu)度(du)。
其中(zhong)(zhong)，高度(du)計雷達，通過(guo)計算一個無線電信號從地面反(fan)射回來的時(shi)間，來判斷高度(du)。如下圖(tu)中(zhong)(zhong)藍色虛線所示。
C band 5G與高度(du)計雷達(da)使用頻(pin)率
雷達高(gao)度(du)計，一般(ban)用(yong)于飛(fei)機降(jiang)落時(shi)的高(gao)度(du)測量，以及警告飛(fei)行員高(gao)度(du)過低或(huo)者前(qian)方有上升地形(xing)。根據ITU無線電規則的頻譜分配，這個雷達高(gao)度(du)計的工作頻率為(wei)4.2~4.4 GHz。
3GPP n77頻段的(de)上限是(shi)4.2GHz，但(dan)在各國(guo)的(de)實(shi)際規劃中，為(wei)了(le)保(bao)證不對這一系統產生干擾，n77最多只用到4.1GHz （100 MHz作為(wei)保(bao)護帶）。
2020年，FCC拍(pai)賣了3.7~3.98GHz頻譜(pu)，用于5G的(de)使用。當時(shi)，總計拍(pai)賣價格高達(da)809億美(mei)元。
拍賣(mai)(mai)前，FCC邀請(qing)了各個(ge)(ge)相關(guan)行業、公司提(ti)出(chu)(chu)意見。當時(shi)，航空業并沒有對這個(ge)(ge)頻(pin)(pin)譜拍賣(mai)(mai)提(ti)出(chu)(chu)異議(yi)。然(ran)而，在拍賣(mai)(mai)結(jie)束(shu)后不久，航空業開始發(fa)聲，說(shuo)5G的(de)(de)頻(pin)(pin)率距離飛行高(gao)度雷(lei)達使用(yong)的(de)(de)頻(pin)(pin)率很近，擔心未(wei)來5G對其高(gao)度計雷(lei)達系統的(de)(de)射頻(pin)(pin)干擾。（典型的(de)(de)馬(ma)后炮(pao)）
在RTCA的(de)(de)這份(fen)報(bao)告中(zhong)，分析了(le)從(cong)手機(ji)到基站(zhan)，從(cong)機(ji)艙內到地面，從(cong)直升機(ji)到客運飛機(ji)等多種5G信號存在場景下(xia)干擾(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信號會對高(gao)度(du)計雷達(da)產生干擾(rao)。其(qi)中(zhong)最(zui)嚴重的(de)(de)，是5G基站(zhan)對高(gao)度(du)計雷達(da)的(de)(de)干擾(rao)。
各(ge)個國(guo)家和地區C band 5G頻譜分配
高度計雷(lei)達的(de)(de)天(tian)線安裝在(zai)飛機底部，天(tian)線的(de)(de)視軸 (boresight) 指向地(di)面。在(zai)這種情形(xing)下(xia)，即使(shi)基(ji)站(zhan)天(tian)線采(cai)用下(xia)傾角的(de)(de)輻(fu)射面，在(zai)天(tian)線的(de)(de)垂直(zhi)方向圖上，仍會(hui)有相當一部分功能指向天(tian)空。因(yin)此，雷(lei)達會(hui)接(jie)收到(dao)5G天(tian)線旁瓣輻(fu)射帶來的(de)(de)干擾。
如下圖所示：
飛機高度計雷達與5G基站天線視軸
如(ru)果基(ji)站高度更高，飛機即將降落的情形下，雷達甚至能接收到(dao)基(ji)站天(tian)線(xian)主(zhu)瓣輻射的功率。
下(xia)圖是對不同飛(fei)行高(gao)度及(ji)基站(zhan)的仿真掃描曲線，我們可(ke)以看(kan)到(dao)，最壞情況(kuang)出現在200英尺（60米）左(zuo)右的時候(hou)。
干(gan)擾源Massive MIMO 5G基站天線輻射方向圖(tu)
（橫(heng)坐標是水(shui)平(ping)角度掃描）
支持Massive MIMO、16x16天線陣列的(de)5G大(da)功率宏站，具備最大(da)的(de)干擾風險。
在(zai)最壞情況(kuang)下，5G帶內信號(hao)超過(guo)(guo)了雷達(da)能容忍(ren)的干(gan)(gan)擾門限(xian)47dB。而帶外雜散，超過(guo)(guo)了干(gan)(gan)擾門限(xian)27dB。
5G基站(zhan)在飛(fei)機不同飛(fei)行高(gao)度下(xia)的功率譜密度以及(ji)高(gao)度計雷達的抗干擾門(men)限(xian)
如(ru)果說5G的(de)帶(dai)外雜散(san)還能通過濾波器抑制來改(gai)善，那么(me)讓帶(dai)內信號降低(di)47dB，就基本等于關(guan)閉基站(zhan)了。這一(yi)點，是運營商(shang)和(he)FCC不(bu)可接受(shou)的(de)。
不(bu)(bu)久后，在FCC的(de)(de)牽頭下(xia)，通信行業做(zuo)了相應的(de)(de)研究，批判了RTCA這(zhe)份(fen)報告的(de)(de)不(bu)(bu)合(he)理性。
第一(yi)，RTCA在各個環節的分析中(zhong)，都加入額外(wai)的“設(she)計(ji)裕量”。甚至在“設(she)計(ji)裕量”上，再(zai)額外(wai)添加“安全裕量”。
同時，對5G基站(zhan)輻射和飛機起降的情(qing)況(kuang)，RTCA也采(cai)用了各種(zhong)最壞(huai)情(qing)況(kuang)假設的組合，并不符合實(shi)際可能出現(xian)的情(qing)況(kuang)。
最后，在測試時，RTCA的(de)報告(gao)又(you)引(yin)入了(le)比FAA的(de)最低(di)性能標準更為嚴苛的(de)指(zhi)標，很不合理。
在FCC之后，CTIA、5G Americans等組織(zhi)，也都(dou)發(fa)布了相(xiang)應的研(yan)究報(bao)告，駁斥RTCA報(bao)告中的不科(ke)學(xue)、不嚴謹。
事情當時告一段落(luo)，兩(liang)年來，在其它已經商(shang)用(yong)5G的國家(jia)中，也沒有聽(ting)說過任何一起干擾飛機的事件(jian)發(fa)生。于是，AT&T和Verizon兩(liang)大運營(ying)商(shang)，斥巨資(zi)購買了頻譜，興(xing)高采烈地準(zhun)備(bei)推(tui)出3.7GHz的5G服務(wu)。
然而，FAA卻沒(mei)有因此作罷。他們將事(shi)情鬧到了美國交通部(bu)，認(ren)為如果不(bu)對5G的部(bu)署進行限制，會對波音787，777，737等飛機造成影(ying)響(xiang)。嚴重情況下，甚至會在(zai)2022年導(dao)致(zhi)大量(liang)的航班延(yan)誤和取消(xiao)。
涉及航空安(an)全，豈是小事？交通(tong)部立刻要求運營(ying)商暫(zan)停(ting)5G的發布(bu)兩周。連美國總(zong)統拜登，也站(zhan)出來表態，希望兩周的延期能解決兩大(da)管(guan)理(li)局的爭(zheng)端，保證民航不(bu)出現問題，運營(ying)商能在19號開(kai)通(tong)5G網絡。
熟(shu)悉RF設計的同學們，一定會(hui)想到，即使5G的上限頻(pin)率(lv)是3.98GHz，距離4.2GHz還有220MHz的間隔，怎么會(hui)產生干擾呢(ni)？
其實，這就要(yao)“歸功”于高(gao)度計雷達的射(she)頻設計了。
從下圖中我們可以看到，圖中3.7~3.98 GHz淡(dan)藍色的代表5G輻射譜，4.2~4.4 GHz部分為(wei)高(gao)度(du)雷達的接收(shou)信(xin)號。
從圖上可(ke)以看(kan)出，5G對雷(lei)達接收機的(de)干擾，包括兩方(fang)面。
第一(yi)部分，是(shi)5G帶外雜散直接(jie)(jie)落在雷達接(jie)(jie)收機接(jie)(jie)收頻(pin)率4.2~4.4GHz中的(de)同頻(pin)干擾。
第二(er)部分(fen)，也(ye)是(shi)最主(zhu)要的(de)部分(fen)，是(shi)5G帶內有用信號對雷達接收機(ji)產生的(de)阻塞(sai)影響(xiang)。
高度(du)計(ji)雷(lei)達(da)接收機(ji)，很多是基于(yu)90年代的設計(ji)。在那個時候，移動(dong)通信最多也在2GHz以內。3GHz以上，只有微(wei)弱的衛星下(xia)行信號。
高度計(ji)雷達在(zai)當(dang)年設計(ji)時，并沒(mei)有(you)(you)考慮臨近會(hui)有(you)(you)無處不在(zai)的(de)大(da)功(gong)率移(yi)動通信。
因此，接收機的設計，普遍沒有考慮使用高性能的波導(dao)濾波器來濾除帶外干擾。
上面的圖中，綠色虛線為雷達接收(shou)機的頻率(lv)響應，可以看出接收(shou)機對帶(dai)外的抑制(zhi)能力非常(chang)差(cha)。
缺少了帶外抑制(zhi)，雷達接收機因(yin)為其低(di)噪聲(sheng)放大器，混頻器等器件的非線(xian)性，很(hen)容易(yi)在大信號下出現ACLR臨道泄露、阻塞、n階(jie)交調、壓(ya)縮等非線(xian)性響(xiang)應。
這里的基礎射頻知識，我就不再累述，具體可以(yi)參考教材(cai)。引用一張來(lai)自Analog Device公司的圖片(pian)，給大家一個接收機在大信(xin)號(hao)干擾下響應的直觀印象(xiang)。
干(gan)擾大信號阻(zu)塞下有用(yong)信號無法正常接收
寫(xie)到這(zhe)里(li)，可能(neng)你已(yi)經想到——在雷達接(jie)收機(ji)的前端，加(jia)上個濾波器(qi)，不就皆大歡喜(xi)了(le)？
沒(mei)錯(cuo)，FCC、運(yun)營商們也這么認為。既然是高度計(ji)雷達的接收機(ji)問題，航空公司就(jiu)應(ying)該自己解決。
這(zhe)要(yao)是一般的(de)民用通信，可能很快就沒事(shi)兒了。然而(er)，所(suo)有裝上飛機的(de)東西(xi)，都必(bi)須通過層層檢測認證，從時間和經(jing)費(fei)上來說，都是一筆不小的(de)投(tou)資。在新冠疫(yi)情下已經(jing)奄(yan)奄(yan)一息的(de)航(hang)空公司(si)，不愿意折騰(teng)。
就在截稿(gao)前(qian)，AT&T和Verizon兩大(da)運(yun)營(ying)商(shang)最終(zhong)做出讓步，在機場(chang)附近將不部署3.7GHz以上的5G基站。總統拜(bai)登也贊許(xu)了運(yun)營(ying)商(shang)這一(yi)顧(gu)全大(da)局(ju)的舉動(dong)。
美國(guo)的問(wen)題，引來(lai)了澳(ao)洲、日(ri)本(ben)、歐盟等多各個頻譜(pu)監管和(he)航空管理機構的關注。
你(ni)一定會問，這個高(gao)度計雷達問題，對中國的(de)5G部署會產生影(ying)響嗎？已經部署的(de)C band 5G，會威脅(xie)國內的(de)飛行安全嗎？
事實(shi)上，受(shou)制于C波段(duan)衛星下行的影響，中(zhong)國(guo)的C band 5G牌照只發到了3.6GHz，距離高度計雷達工作的4.2~4.4GHz，還有600MHz的保護帶(dai)。所以，我們(men)國(guo)家沒(mei)有這個(ge)問(wen)題。
鑒于美國的(de)經驗教訓(xun)，未來(lai)飛機高度計(ji)雷達的(de)設(she)計(ji)也一定會更新。
國(guo)內的(de)5G頻段分配(pei)
本文作(zuo)者唐(tang)欣博士，目前擔任Spectrum Lab技術總監。
參考(kao)文(wen)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.
