5G和飞机安全第3部分:模拟如何验证干扰场景

新的5G c波段服务现在已经在美国启动并运行，用户终于开始看到我们一直听说的5G的一些前景。新的c波段业务主要是在3至4 GHz之间的频谱分配，提供更宽的信道分配带宽，以提供显著更高的数据吞吐量。与此同时，这个频率的信号可以比毫米波波段传播得更远。AT&T和Verizon的客户一直在报道下载速度从每秒400兆比特(Mbps)到800兆比特(Mbps)不等，比4G LTE系统提高了近10倍。

然而，你在机场还不能享受到这种更快的服务——至少现在还不行。美国联邦航空管理局(FAA)已经与电信供应商达成了一项为期六个月的协议，以保持c波段发射机在附近关闭受影响的机场．在此期间，FAA将继续检查商用飞机上使用的雷达高度计系统，以获得认证，并进一步研究附近5G c波段基站可能需要的额外限制。

这六个月的中断目前影响大约500座塔全国大约有87个机场。截至2月25日，根据目前的协议，估计90%的商业航空公司飞机已被批准降落，因为它们的雷达高度计有能力应对机场区外c波段5G基站在3.7-3.98 GHz频段的干扰。在一些机场，飞机获准降落进近和起飞因跑道而异，给航空公司和机场管理部门之间的航班调度带来了挑战。例如，在芝加哥中途国际机场，只有一条跑道为机场服务的所有飞机类型100%开绿灯，而其他四条跑道为81%到95%的飞机类型开绿灯。

今年7月，威瑞森和AT&T预计将启用c波段服务塔，以增强5G服务，更靠近机场园区，甚至可能包括机场园区。在此期间，电信服务提供商和FAA可能已经就这些新的c波段5G基站的可接受运行参数进行了谈判和解决。此外，预计美国联邦航空局将完成目前在整个航空业使用的雷达高度计的测试，以及它们与更近的5G塔的相互作用。

通过模拟验证干扰场景

我们必须考虑许多变量来测试和验证(并减轻!)任何机场潜在的干扰。似乎每条机场跑道都需要针对机场进场和起飞航线2英里内的每个5G c波段服务塔进行测试。一些关键变量可能是:

• 每个c波段5G的位置天线系统机场附近(包括涉及多个基站的情况)。
• c波段5G天线系统使用的功率等级和天线类型。
• c波段天线系统的波束指向能力(如果mu-MIMO系统)。
• 飞机在降落或起飞时可能经历的飞行路径、滑翔坡度和滚转、俯仰和偏航角度的范围。
• 预计飞机的飞行路径和“复飞”情况的参数(通常是在较高的高度降落)。
• 飞机上雷达高度计天线系统的类型和安装位置。

应考虑飞行路径和飞机动力学的变化，以确定干扰情况的最坏情况。这些可能包括由于阵风和湍流，飞机在着陆时翻滚，这可能会使飞机雷达高度计天线旋转，盯着附近的地面5G c波段基站。

通过实验飞行来探索这些情况是非常昂贵的，并且需要在测试期间控制机场周围的空域和电磁频谱。对上面列出的每个变量重复这些实验是根本站不住脚的。但通过建模和仿真，我们可以虚拟和自动地探索这些场景，得出可能保证最终飞行测试的最佳场景，以进行基于测量的验证。

通过建模和仿真，我们可以探索任何飞机上任何机场跑道上的任何雷达高度计，针对给定半径内存在的任何c波段5G服务塔。只要有足够保真度的模型，这一切都可以由任何地点的个人在电脑上完成，而不需要飞行时间或影响机场运营。使用模拟，我们可以:

• 探索或修改现有或计划中的雷达高度计系统
• 探索或修改5G c波段基站性能参数
• 检查可能存在多个5G c波段基站的情况
• 检查飞机降落/起飞动力学(滚转/俯仰)的边缘情况，这可能导致天线相互注视高增益区域
• 研究探索功率、波束转向、有效各向同性辐射功率(EIRP)的合理限制，修改机场周边5G业务塔屏蔽区
• 为直升机、私人飞机、无人机等提供飞行规划指导

相邻的c波段5G频谱业务与RADALT系统之间的干扰是可预测和可解决的。如果有正确的工具和精确的保真度，监管机构、设备和飞机制造商以及电信系统提供商应该有可能使用模拟来检查和设置共存准则，以确保在各种环境和场景条件下的航空乘客安全。此外，仿真可以大大减少确认RADALT设备认证所需的最终飞行测试，使认证和合规流程跟上5G和6G通信系统的发展步伐。

模拟机场进近过程中的干扰

在我之前博客条目，我阐述了基于5G c波段无线电系统的真实发射模型、候选雷达高度计接收机磁化率特性以及基于c波段相控阵基站和机载雷达高度计天线的物理模型的干扰分析仿真。在我们的最坏情况分析中，我们假设5G c波段基站距离航线400米，飞机在100米的高度，每个天线都在互相注视，最大增益指向彼此。这可能代表了设备和飞行轨迹组合可能出现的最坏的干扰情况，但它并没有告诉我们可能发生严重干扰的事件时间表。在这种情况下，我们假设我们有能力提前猜测这种安排的最坏情况干扰发生在哪里。在不同的机场和跑道上，5G基站的位置和天线系统类型可能不同，在着陆或复飞过程中，可能会出现不同的着陆动态。如果在降落或起飞的关键阶段有大型建筑物或视线阻塞，5G基站附近的局部散射环境也可能很重要。

为了更好地理解干扰在降落、起飞或复飞过程中可能发生的方式，我们需要模拟在飞行过程中展开的场景。这将需要在涉及特定跑道的精确虚拟环境中模拟飞行序列中的干扰情况。

我们已经在华盛顿州西雅图的金县国际机场附近组装了这样一个着陆场景的模拟。下面的图显示了在万博Ansys系统工具包(STK)软件。一个概念的远程，宽体飞机显示与安装雷达高度计系统的安装天线模式。飞机在降落过程中所采取的轨迹由南-东南方向的蓝线显示，其中包括降落后在跑道上滑行的距离。航迹正下方指示5G c波段基站天线系统，安装高度9.5m，位于附近建筑物屋顶高度或以下。STK在场景中包含了当地地形，你甚至可以看到远处的雷尼尔山。

如下图所示，在这种情况下，飞机将非常接近5G c波段基站，但我们可以自由地将基站天线放置和移动到任何我们希望的地方，从而能够快速重新评估该场景。

在此模拟中使用的无线电与中定义的相同我们的博客系列的第2部分，但我们的雷达高度计接收器的带外饱和功率水平为-30 dBm。值得注意的是，这并不反映实际安装在特定飞机上的雷达高度表系统，而只是一个基于雷达高度表系统范围的概念系统设计RTCA向FAA报告日期是2020年10月。

用物理捕获天线到天线耦合

该仿真的一个重要补充是使用高保真物理模拟来计算场景中每时每刻的天线到天线耦合。回想一下，在电磁模拟中，每个天线模式都有其基础万博Ansys基于和HFSS SBR+来捕捉已安装的雷达高度计天线效果，以及为5G c波段相控阵天线捕捉精确的辐射模式。

将天线置于一个更大的散射环境模型中，该模型包括机场周围的塔、建筑物和大型散射结构，并用HFSS SBR+对天线对天线耦合进行采样。通过这种解决方法，从c波段5G基站到雷达高度计天线的物理路径耦合中包含了附近建筑物和结构的潜在掩蔽和多路径反射。s参数耦合数据可以计算单个频率或在任何感兴趣的频带上采样的大量频率。

当前和未来5G c波段信道实现的干扰场景

完整的着陆场景如下面的视频所示。在插入图中，说明了电磁干扰(EMI)裕度。EMI裕度表示雷达高度计接收机前端在感兴趣的波段上存在的干扰发射机光谱功率，减去接收机拒绝该功率的能力。当EMI边缘(黑色曲线)高于红线时，存在干扰的可能性，接收机要么饱和(由强带外信号)，要么去敏化(由强带内信号)。此外，图上的EMI裕度图例是用颜色编码的，以表示任何时候的干扰。绿色表示在波段内无干扰操作，蓝色和黄色表示EMI边缘已经超过干扰条件附近的指标阈值，红色表示正在发生干扰事件。下面的模拟是在当前3.7-3.8 GHz频段工作的5G c波段系统上进行的:

我们可以看到，当飞机经过5G c波段塔时，出现了强烈的干扰。雷达高度表在其工作通道内记录干扰(以4.2 GHz为中心)，接收机也会受到超出雷达高度表预期工作波段的强5G信号的饱和。

在我们之前的博客中我概述了一个事实，即最终将推出的5G c波段分配有三部分。第一部分，目前由AT&T和Verizon实施的是100 MHz频段，从3.7 GHz到3.8 GHz。该频段与雷达高度计波段的距离最宽，缓冲频谱为420 MHz。但是，电信供应商已经支付的另外两个部分呢?未来将被用于进一步加速5G c波段服务?

在我们的模拟中，我们可以轻松地更改5G c波段发射机定义，以考虑当电信运营商使用80 MHz频段从3.9 GHz到3.98 GHz时的干扰潜力。因为它更接近雷达高度计波段，我们可能会认为雷达高度计受到干扰的可能性会增强，STK中的快速重新模拟揭示了这种情况:

可用频谱是一种宝贵的资源，随着我们启用新的通信和传感器系统，频谱拥挤仍然是一个挑战。考虑到底层模型有足够的保真度，仿真是一种经济高效的方法，可以在任何跑道位置对任何飞机进行不引人注目的测试和验证潜在干扰场景。场景可以超出仅考虑机场附近的5G塔-使用AGI STK和万博Ansys电子桌面我们可以观察任何可能表现出干扰潜力的无线系统组合。例如，这对于直升机的低空飞行规划、城市空中机动和无人机投放系统等功能可能变得非常重要。

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