5G和飞机安全第2部分:模拟高度计天线干扰

上个月，美国联邦航空管理局(FAA) 1月18日的一项裁决扰乱了航空旅行，该裁决禁止飞行员在Verizon和AT&T正在建立新的c波段5G服务塔的50个美国机场使用自动着陆系统。这一命令与这些发射塔的服务激活相一致，将射频功率辐射到那些与飞机高度计系统使用的无线电频率非常接近的新频段。有关干扰问题的更多历史和背景，请阅读本博客系列的第1部分。

这个计算机模拟显示了一架飞机通过机场附近基站发射的c波段5G信号着陆。飞机下方的圆球代表雷达高度计。Ansys是模拟软件领域的领导者，工程师们使用该软件对这些场景进行建模，以便在物理产品制造或部署之前发现并缓解问题。这种建模也可以用于设置5G发射器的安全限制在机场周围的特定地点或其他关系到公共安全的地点。在计算机中调整系统比在构建后对硬件进行昂贵的更新要便宜得多。

自从我写了上一篇文章以来，有两个主要的发展:

1.美国联邦航空局达成协议威瑞森和美国电话电报公司将附近基站的c波段服务推迟6个月50个商业机场用低能见度的方法。根据美国联邦航空管理局1月28日发布的一份声明，服务提供商共享了关于新5G发射器确切位置的信息，以便联邦航空管理局可以更详细地研究干扰潜力，以缩小无线运营商被允许部署有源发射器的区域。目前，距离指定机场2英里内的c波段信号塔似乎仍处于不活动状态，目前还不清楚AT&T和Verizon计划何时激活它们。威瑞森表示，这影响了机场附近的大约500座塔这还不到他们新c波段系统部署总量的10%。

2.根据与5G服务提供商达成的协议，美国联邦航空局一直在努力批准雷达高度计系统以及安装了该系统的商用飞机，以允许在部署了5G c波段服务的机场进行低能见度降落。到1月底，美国联邦航空局估计它已经做到了批准了大约90%的美国商用飞机包括大多数装有20个经批准的雷达高度计装置之一的大型商用飞机。然而,一些只能由小型飞机服务的小型机场目前仍有航班取消，因为为他们提供服务的飞机尚未得到放行。

在前一篇博客文章中，我曾暗示过这些问题中的许多都可以通过模拟来解决。在本文中，我将研究一个示例。

c波段频谱一览

让我们先回顾一下无线电频谱c波段部分的频谱情况。

5G服务提供商已经购买了一个覆盖三个独立5G通道的分配:

• 3.7 - -3.8 GHz:目前正逐步用于当前c波段塔的部署。这一波段是主要关注的主题，因为它现在正在提供。
• 3.8 - -3.9 GHz:未来将增加100 MHz的频谱，以进一步增加容量．
• 3.9 - -3.98 GHz:在前两个100 MHz频段完全部署后，未来可能增加的80 MHz频谱。

到目前为止，只考虑了与高度计波段距离最大的最低信道，但更近(未来)的5G信道可能会在两个系统之间产生更高的干扰潜力。

干扰分析的解剖

确定是否存在干扰的传统方法是简单地打开相关的无线电并测量频谱。在5G c波段干扰雷达高度表的情况下，这将涉及打开机场附近的一座塔，通过无线电系统推动峰值交通水平，使用特定的雷达高度表系统驾驶飞机穿过空域，并采集许多数据样本。进行实际测量的成本很高，原因有很多:

• 测试一次只能验证每架测试飞机的一个雷达高度计，并且根据天线与主机机身的相互作用，一次只能适用于一种飞机类型
• 5G和雷达高度计波段内的其他信号需要“静音”，以便测量结果不会受到该区域其他信号的影响
• 在进行测试时，该空域需要清空其他飞机
• 测试将一次适用于一个5G基站位置，一次适用于一个机场

这些只是导致通过测量进行验证的成本非常高的一些因素。

有了足够的保真度，模拟提供了一种非常经济且可重复的方法来测试和验证雷达高度计、主机飞机、c波段5G基站组合和参数以及机场位置的组合。让我们通过模拟来检查最坏情况的干扰分析。在我们的例子中，我们将使用Ansys电子桌面，具有Ansys基于建模模拟器天线和它们与当地环境的相互作用，以及Ansys电磁干扰工具包(EMIT)，用于建模无线电系统之间的宽带干扰电位。

干扰场景建模可以分为三个部分，如图2所示。

在这种情况下，我们关注的是一个5G发射器和一个雷达高度计接收器。为了进行分析，我们不考虑其他方向的干扰(从雷达高度计发射器到5G接收器)，但使用Ansys EMIT可以考虑这一点。

建立发射机模型

5G基站模型需要了解其宽带电磁发射——包括5G通道内和带外发射。由于信号调制，任何在射频信号中传输消息的发射机都有带外发射，美国联邦通信委员会(FCC)和国际电信联盟(ITU)对任何许可(或未许可)发射机传输的信号水平设置了监管限制。发射机是固定的——位于地面或固定的塔上，但天线可能有能力通过波束形成的过程将能量集中在特定的方向上。

在寻找干扰电位的过程中，我们研究了最坏情况的影响。在对发射机建模时，我们从峰值功率谱掩模开始，它显示了在任何时间任何频率使用的最大功率。我们还可以捕捉诸如谐波、互调产品、宽带噪声、窄带噪声等效应，但最好的方法之一是使用最大排放的行业监管要求。国际电联制定这些标准是为了确保射频水平暴露对人员和系统的安全。为了进行检查，我们已经开始使用3GPP规范中规定的16 × 16阵列的广域覆盖c波段基站规范。(如果你有兴趣深入了解细节，你可以在这里找到它)。我应该提到的是，电信设备供应商可能(也确实)提供的宽带噪声性能超过了我们使用的值;我们从需求开始，因为这代表了兼容发射机的最坏情况。事实上，在一个航空无线电技术委员会(RTCA)向FAA提供的辅助研究，我们发现了一些用于定义5G无线电发射掩模的有用参数。

图3显示了我们在模拟中使用的5G发射机发射模型，我们考虑了目前3.7-3.8 GHz的可用频段，以及拟议的3.8-3.9 GHz和3.9-3.98 GHz的未来频段。

建立接收者模型

雷达高度计接收机还具有宽带性能特点。虽然它被设计为在4.2-4.4 GHz频段工作，但如果其他无线电在这个频段发射足够强的信号，它的性能可能会下降。此外，它可能容易受到这一波段以外的辐射。无线电系统设计者经常用一种叫做磁化率，这通常是衡量接收器在任何频率上拒绝射频信号的程度。在其工作频带内，接收机被设计成非常敏感的，因此其灵敏度非常低。在其工作通道之外，它被设计成对传入信号不敏感，因此它在带外频率的敏感性非常高。

接收机设计中的一个特殊挑战是平衡带内或信道内磁化率与带外磁化率。接收器可能对其频段内的信号非常敏感，但这种敏感性的后果可能是，它可能被一个非常强的带外信号过载，以至于它破坏了接收器拒绝它的能力，从而导致一种所谓的情况饱和．

由于饱和事件可以发生在强传输源附近的接收机，任何好的干扰模拟都需要考虑接收机的灵敏度和饱和特性的通道内和带外信号。

在研究雷达高度计性能模型时，我们发现存在很大的性能差异。可以说，最好的高度计系统是用于商用客机，事实上，这反映在现在已经批准在低能见度条件下降落在指定机场的飞机类型上。在我们为这个演示开发模型的努力中，我们寻找了一个“中间道路”系统来表示雷达高度计的敏感性。

为了建立我们的模型，我们在RTCA研究，选择具有良好宽带特性的高度计(以产生最佳的高度测量分辨率)，以及-10 dBm的“相当好的”接收机饱和电平。这意味着雷达应该有合理的性能来拒绝超出其预期工作频率的信号。图4显示了基于RTCA研究中列出的参数，我们用于此项干扰研究的接收机磁化率模型。

Antenna-to-Antenna耦合

精确地模拟干扰取决于有精确的模型来耦合从发射机发出的功率到接收机-跨越整个频段。这对于通道内耦合和带外发射耦合都很重要。由于天线之间的间距和雷达高度计天线在连续运动的事实，天线耦合的测量是具有挑战性的。

图2的无线信道由5G发射天线及其在给定方向聚焦功率的特性，雷达高度计天线及其方向增益灵敏度，以及信号在两个天线之间传播时的传播(和损失)组成。为了获得准确的天线性能，Ansys HFSS可用于通过电磁模拟准确预测天线行为，以捕获波束形成性能以及天线的主机平台交互改变天线性能的方式。图5显示了用HFSS和HFSS SBR+模拟的一架客机机身下的一个假想的双频5G天线单元和一个候选雷达高度计天线设计。

从图中可以看出，天线可以将能量导向特定的方向。因此，5G天线的波束转向控制将非常重要，飞机在降落和起飞时的位置和方向也很重要。如果飞机在飞行过程中由于颠簸或其他原因发生侧倾，天线的敏感区也会随之侧倾。

最后，必须准确确定天线之间的链路，这可以使用标准传播损耗公式或使用HFSS SBR+等电磁分析解决方案来计算。出于我们的目的，我们将使用传播损失模型。Ansys EMIT还可以包括水蒸汽的效果，雨，雨率，和褪色效果，如果需要。因为这些效应只会带来额外的损耗，从而减少干扰，所以我们暂时不考虑它们。

使用EMIT，在所有频率上模拟天线特性和它们之间的无线传播，并用于图2所示的链计算。

干扰评估:把成分放在一起

我们想做一个测试，看看是带内干扰还是带外干扰可能是由于机场附近有一个5G发射机，雷达高度计感受到了这一点。这包括使用系统之间的最坏情况耦合进行分析，以及5G发射器和雷达高度计接收器的合理候选设计。我们需要更多的细节来完善这个场景。

这代表了最坏的情况，代表了一个高功率的基站，将波束聚焦在着陆的飞机上，飞机以这样的方式滚动，从而将雷达高度计辐射图的峰值放置在基站上。然而，在制定标准或研究辐射塔的关键防护区域时，这是需要使用的分析类型。此分析中的任何参数都可以随时更改，以快速评估干扰缓解策略。

让我们来看看在100 MHz频段(3.7-3.8 GHz)首次推出c波段服务的结果。图6显示了我们的调查结果。黑色曲线向我们展示了接收机中正在发生的事情，并测量了每个频率的发射功率与接收机拒绝该能量的能力(接收机灵敏度)之间的差异。如果这个值高于零(红线)，我们就有干扰事件，因为接收器无法在该频率上拒绝能量。我们还可以设置阈值来观察接近干扰事件的频率。该图表明，在雷达高度计的接收波段内，5G发射机的带外发射正在产生强大的干扰潜力(对于我们的环境条件而言)。5G发射器的带内辐射(3.7-3.8 GHz)很接近，但没有超过接收机饱和，因此不会造成干扰。

服务提供商已经在这三个频道上花费了大量的资金，最终将希望在当前操作频段之上的两个频段中包含的额外180 MHz上提供服务。在最坏的情况下，当这些波段在未来与雷达高度计对抗时会发生什么?

图7显示了我们在下一个100 MHz频段(3.8-3.9 GHz)面临基本相同的问题。然而，右边的图表显示，如果最后80 MHz频段(3.9-3.98 GHz)被激活，就会出现一个新问题。干扰似乎是由于5G发射掩模将更高的功率水平引入了高度计接收器减少抑制的频谱部分，并且这里存在强干扰，这将需要在较低的两个通道上至少额外降低25 dB 5G信号以确保共存。

如何解决5G c波段机场问题

当然，这是最坏的情况，但它说明了能够非常快速和详细地检查这些情况的变体。存在几种策略，我们可以在模拟工作流程中测试其中几种。一些可能的策略可能包括以下一项或多项措施:

1. 将5G基站放置在远离机场的地方，创建一个“隔离区”。这是目前服务提供商与美国联邦航空局合作使用的策略，未来六个月他们将继续研究这一问题。
2. 限制5G基站天线波束的指向角度，以减少在机场附近任何飞行路径方向上传输的有效功率。
3. 降低5G基站的总传输功率。
4. 提高雷达高度表接收机的选择性和饱和水平，并要求修改或更换现有的不满足性能要求的高度表。
5. 在5G发射元件的输出上集成低通或带通滤波器。

Ansys EMIT可用于快速评估这些缓解策略，无需一个小时的飞行时间。例如，如果我们向5G传输元件添加一个低通滤波器(我们可以很容易地设计和合成使用Ansys Nuhertz滤波器解决方案软件)，我们可以探索滤波器对减少5G系统在雷达高度计上的带外发射的影响。在EMIT的5G发射机链中添加了低通滤波器(1 dB的带内损耗，4 GHz以上40 dB的抑制)，我们看到了立即的改善——干扰被消除了。图8显示了安装滤波器后的EMI裕度图，显示在任何频率发生干扰之前，我们都有5.2 dB的“头部空间”。

你可能想知道，我们是否使用模拟来检查(和验证)特定的雷达高度计，以对抗特定机场的特定5G基站安装。干扰势是一种动态现象，随着飞机的降落或起飞，干扰势时刻都在变化。在我们的下一期博客中，我们将把这个干涉建模机器连接到我们的Ansys AGI STK飞行模拟能力，并向您展示在预期的机场设置中考虑动态运动、位置和方向时，在着陆或起飞期间的干扰情况。

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