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5G讯号影响飞安?电磁讯号模拟有解方!
 

【作者: Ansys提供】2022年02月21日 星期一

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目前,已有许多电信公司推出了新的无线电接入网络 (RAN) 元件,而这些元件能在5G中频(C-Band)里运行。这些电信公司於2020年12月以690亿美元从美国FCC购买了频谱的使用权,以获得高达280 MHz的组合频宽。该频宽能提供比4G LTE服务更快的上传和下载速度,其频率比新兴的5G毫米波段,具备更好的范围覆盖和抗障碍物阻挡性能。


然而,这个频谱的销售却在美国联邦航空局、商业航空业和国防部内部引发了重大的问题,因为他们认为飞机的雷达高度计系统可能会受到影响,进而造成旅客飞行的危险。


最後,美国联邦航空局宣布了一项立即裁决,飞行员在新的5G讯号可能干扰雷达高度计系统的情况下,禁止使用自动降落(以及其他在低空中使用的飞行系统)。这项裁决立即引发了整个航空业的巨大反应,甚至还牵动了证券交易市场。


这项裁决导致大型的国际航空公司纷纷取消飞往美国的航班。此外,美国联邦航空局也强调担心,将有50个机场的多条美国国内航线,将会被取消或面临取消的危险。



图一 : 5G中频(C-Band)能提供比4G LTE服务更快的上传和下载速度,这个频谱的销售却会影响飞机的雷达高度计系统,进而造成旅客飞行的危险。
图一 : 5G中频(C-Band)能提供比4G LTE服务更快的上传和下载速度,这个频谱的销售却会影响飞机的雷达高度计系统,进而造成旅客飞行的危险。

美国联邦航空局突如其来的行动所造成的後果影响甚广,包含造成全球航空旅行的困难性、导致飞机制造商的股票大跌,并促使航空电子设备制造商开始测试和认证他们的设备,以防御新的频谱威胁。


目前全世界有数千架飞机正在接受严密的审查,从大型商用客机到私人飞机,甚至是直升机,因为过去和近几代的雷达高度计的设计,从未需要考量预测和抑制相邻讯号的功能,但现在雷达高度计开发商和使用他们设备的飞机制造商,都必须要检查和测试他们的设计,以评估飞机在5G基地台附近起飞或降落时的性能。


随後,美国联邦航空局宣布,批准了「估计有78%的美国民航机队,将在电信公司释放C波段讯号的机场,进行低能见度降落」。这份清单涵盖了大多数大型飞机,以及一些区域性的飞机。


使用电磁模拟软体来避免干扰事件发生

为什麽会发生雷达高度计的干扰事件?由於无线电频率 (RF) 系统广泛应用於整个飞机平台设备,以执行各种任务,通常是自动驾驶仪器和仪表降落系统(ILS)的关键组件。


而在3700至4400MHz间的RF波段,先前曾被指定用於固定点服务与地面卫星服务。运作於该部分频段的通讯设备,通常具有非常低能量的无线电发射;或 uplink上链点在地理位置上,一般都远离机场位置。而雷达高度计的使用在 4200至4400 MHz波段内,也获得国际的认可和保护。


但在2020年3月,美国联邦通讯委员会 (FCC) 决定重新分配波段,将3700至3980 MHz的280 MHz频率,专用於支援电信产业对额外波段的需求。在波段重新分配之下,留下了一个20 MHz的保护波段(从3980 MHz到4000 MHz),以及用於飞机安全和雷达系统的频谱平衡(4000至4400 MHz)。然而,美国联邦通讯委员会 (FCC)在次年12月,售出了这个电信频谱。


雷达高度计系统通常在4200至4400 MHz之间运作,也不与电信公司使用相同的波段,那问题是出在哪里呢?


原来雷达高度计系统对任何讯号干扰非常敏感,即使来自频外的讯号源。如果发生干扰,雷达高度计可能会显示错误的离地距离读数。此外,这些系统与自动降落和起飞系统相结合,可以导致飞行控制快速地减少或增加机推力、减少机翼、释放起落架,或采取其他可能导致飞机失速并危及乘客安全的自动安全措施。


最後拜登政府和美国联邦航空局已与电信公司达成初步协议,将延迟启用已被认定机场附近的新基站,同时与联邦监管机构合作,共同解决有关新5G服务可能干扰飞航安全的争议。



图二 : 电磁模拟工具早已经可以预测这些干扰效应并且提供指引,但干扰的问题却仍然存在。(source:Ansys)
图二 : 电磁模拟工具早已经可以预测这些干扰效应并且提供指引,但干扰的问题却仍然存在。(source:Ansys)

模拟软体如何协助解决这项争议

这项争议将如何被解决?其中有两个部份需要被调查和解决:


1.来自5G系统的波道内无线电辐射,以及需要在雷达高度计接收器处抑制这些讯号;


2.落在雷达高度计工作波段内的频外5G讯号发射器的能量辐射;


这些调查的结果可能导致最终需要对其中一个或两个系统,进行所费不赀的修改。


然而,Ansys EMIT这类模拟工具,早已经可以预测这些干扰效应并且提供指引,以降低干扰的情抗。但干扰的问题却仍然存在,实在有点令人惊讶。


对於棘手的干扰问题,Ansys EMIT工具组是Ansys Electronics Desktop不可或缺的一部分,也是Ansys HFSS产品组合的一部分,其核心技术是为超宽频发射器的释放与其接收器特性,进行全面的评估。


因此频内与频外的影响皆已被纳入考量。除了发射器和接收器之外,还必须考虑天线系统、飞机的方向和位置,以及5G天线系统的波束形成与波束控制特性。目前Ansys HFSS已是天线系统的物理特性、安装效果和耦合建模的产业指标,其运用领域甚至已拓展至长距离地面和地形反射的场景中。


**刊头图(source: pexels-pixabay)


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