基地台訊號干擾飛安？　模擬測試解救美機場5G之亂

該項命令攸關這些基地台所提供的服務，因為由這些基地台的無線電頻率(RF)所提供的新頻段與飛機高度計系統所使用的無線電頻率相當靠近。

在這段期間，產業中有以下兩個主要發展。首先，FAA與Verizon和AT&T兩家電信公司達成協議，將在50個低能見度的商務機場附近的基地台上，延遲啟動C頻段服務長達六個月的時間。根據1月28日發布的FAA聲明，兩家電信公司提供了有關新的5G發射器的確切位置的相關資訊，以便FAA可以更詳細地研究潛在的干擾，並縮小電信公司可架設發射器的區域範圍。截至近期，於50座指定機場2哩範圍內的C頻段基地台似乎仍處於靜置狀態，而AT&T和Verizon尚未有明確規畫何時啟用它們。Verizon表示，這影響了機場附近大約共500座基地台，然而這不及他們部署新C頻段系統總量的10%。

其次，FAA一直在努力批准雷達高度計系統與有安裝它們的商務飛機，以允許這些飛機可以在受5G C頻段影響的機場，進行低能見度的降落，但FAA仍須盡力與5G服務電信公司達成協議。截至1月底，FAA估計他們已經批准了大約90%的美國商務飛機，而多數飛機裝有的雷達高度計皆是已獲FAA批准的20種雷達高度計。然而，一些只能起降小型飛機的小型機場仍持續被取消航班，因為這些小型飛機尚未獲得FAA的批准。

其實，這些問題可以透過模擬來解決，這裡將以一個研究範例作為示範。

C頻段頻譜概述

先回顧一下無線電頻譜中C頻段的頻譜狀況，如圖1所示。

5G電信商購買了以下三個獨立5G頻道：

．3.7~3.8GHz

目前正在逐步進行中，為C頻段基地台做準備。該頻段是關注的重點，因為現在就能使用該頻段。

．3.8~3.9GH

未來將增加100MHz的頻譜，以進一步擴增容量。

．3.9~3.98GHz

在前兩個100MHz頻譜完整部署後，可能未來會再增加80MHz的頻譜。

到目前為止，只考慮了與雷達高度計頻段間隔最大的最低頻道。但在不遠的將來，5G頻道可能會在兩個系統之間產生更多的潛在干擾。

更進一步檢視干擾分析

要確定干擾是否存在的傳統方法，就是打開相關無線電並測量其頻譜。如要以傳統方式測試5G C頻段對雷達高度計的干擾情況，就須開啟機場附近的基地台，透過無線電系統傳送龐大的數據流量，再安排使用特定雷達高度計系統的飛機飛越此區域，才能獲取大量的數據樣本。

進行實際測量的成本很高，原因有很多，這邊僅列出了導致實體量測成本高昂的部分因素，包括：每一次的飛行測試只能驗證單一雷達高度計，並且取決於天線與主機機身之間的互動，一趟測試所產生的結果可能只適用於一種飛機類型；5G和雷達高度計頻段內的其他訊號必須保持靜默狀態，以便測量時不會受到該地區其他訊號的影響而產生偏差；在進行測試時，須要淨空空域中的其他飛機；一次的測試結果只適用於單一5G基地台位置，也只適用於單一機場。

如果使用的模擬軟體能提供足夠的準確度，就能以一種符合經濟效益且可重複使用的方法，針對雷達高度計、主機、C頻段5G基地台組件與參數、機場位置等等須綜合考量的部分，進行整體的測試與驗證。這裡將實際透過模擬來檢查與分析最糟的干擾情況，在此以Ansys Electronics Desktop進行測試示範，其中包含用於對天線及其環境互動進行建模的Ansys HFSS模擬器，以及Ansys電磁干擾模擬工具組(EMIT)，以針對無線電系統之間的潛在寬頻干擾進行建模。干擾場景建模可以分為三個部分，如圖2所示。

在此範例中，考量的是單方向，亦即從一個5G發射器到一個雷達高度計接收器。就此分析的目的來看，並不會將重點放在另一個方向的干擾(從雷達高度計發射器到5G接收器)，但仍可使用Ansys EMIT進行另一個方向的干擾分析。

建立發射器模型

要建立5G基地台模型，首先必須了解其寬頻電磁發射，這包括5G頻道內外的發射。由於訊號調變，任何在頻率中攜帶訊號的發射器都會產生頻外發射，美國聯邦通信委員會(FCC)和國際電信聯盟(ITU)，對任何經許可(或未經許可)的發射器發射的訊號設立了相關的監控規則。發射器基本上都是固定於地面或基地台上，但天線有能力透過一種叫波束成形的過程，將其能量集中在某些固定的方向上。

在尋找潛在干擾的過程中，須注意最壞情況下產生的影響。在對發射機進行建模時，從最高峰的頻譜遮罩開始，它顯示了在任何時間、任何頻率上使用的最大功率。還可以捕捉諧波、互調產物、寬頻雜訊、窄頻雜訊等效應，但最好的方法之一是使用產業標準來實現最大的發射能量。國際電信聯盟制定這些標準，是為了確保人員和系統在無線電頻率的暴露下仍能保持安全。在檢查過程中，已經使用符合第三代合作夥伴計畫(3GPP)規範的16×16陣列，以大規模的覆蓋C頻段基地台的影響區域。

這裡應該提醒一下，電信供應商所提供的設備，其寬頻雜訊可能超過本次使用的值，但在此模擬範例中，使用這些值，因為它們代表了已獲許可的發射器之最壞情況。事實上，在航空無線電技術委員會(RTCA)與FAA進行的一項研究中，發現其中有許多助於定義5G無線電發射遮罩的參數。

如圖3所示，模擬中使用的5G發射機發射模型，除了建議的未來頻段3.8~3.9GHz和3.9~3.98GHz之外，還考慮了當前可用的3.7~3.8GHz頻段。

建立接收器模型

雷達高度計接收器也具有寬頻性能的特徵。雖然是被設計於4.2~4.4GHz頻段中運行，但如果其他無線電在該頻段內發射足夠強的無線電波，它的效能可能會受影響而下降。此外，它可能容易受到該頻段以外的無線電波的影響。無線電系統設計人員通常以稱為「耐受性」的指標來衡量寬頻接收器的性能，該指標通常用來衡量接收器在任何頻率下對無線電訊號的抑制能力。在其工作頻段內，接收器非常敏感，因此它的耐受性非常低。在其工作頻道之外，它被設計對輸入訊號不敏感，因此它在帶外頻率下的耐受性非常高。

在設計接收器的過程中，其中一個特殊的挑戰是平衡頻段內外或頻道內外的耐受性。接收器可能對其頻段內的訊號非常敏感，但這種高敏感性的結果可能會導致訊號超載，因為該訊號非常強，以至於它破壞了接收器拒絕它的能力，這種情況稱之為「飽和狀態」。

由於接收器可能會受附近較強的輸出源影響，而產生飽和狀態。因此任何好的干擾模擬分析，都須要考慮到接收器對頻道內/外的訊號靈敏度與飽和特性。

在研究雷達高度計效能模型時，可發現效能表現的差異性很大。目前的商務客機都已經在使用最好的高度計系統，而這也同樣實現在已獲許可在低能見度條件下於指定機場降落的飛機類型上。在為此目的開發模型的過程中，尋找了一個中間等級的系統，來表示雷達高度計的耐受性。

為了制定本次的模型，在RTCA的研究中找到一個非常有用的資源，因而能夠選擇具有良好寬頻特性(以產生最佳高度測量分辨率)以及相對較理想，兼具-10dBm接收飽和水平的高度計。這意謂著雷達應具有一定的性能，以拒絕超出其預期工作頻率的訊號。圖4顯示了用於此干擾研究所建立的接收器耐受性模型，且使用了RTCA研究中列出的參數。

天線間的耦合

要精準地進行模擬干擾分析，首先必須具備一個準確模型，該模型須耦合來自發射器與接收器的功率(並且跨越整個頻段)。這對於頻道內耦合和頻外發射耦合都相當重要。由於天線之間的距離與雷達高度計天線會持續地運動，這使進行天線耦合的測量備受挑戰。

圖2的無線頻道涵蓋了一個可在特定方向上聚焦功率的5G發射天線，與一個具備方向性靈敏的雷達高度計天線，以及訊號在兩個天線之間傳播時的傳播效率與損耗。為了獲得準確的天線效能數據，HFSS可用於透過電磁模擬，準確地預測天線行為並捕捉波束成形的效能，以及天線主機平台在相互作用之下對天線效能的影響。

圖5顯示了由HFSS和HFSS SBR+模擬的客機機身下，一個概念性的雙頻5G天線元件與雷達高度計天線設計。從中可以看出，天線可將能量導向指定的方向。因此，5G天線的波束轉向控制非常重要，飛機在著陸和起飛過程中的位置和方向也很重要。如果飛機在飛行的過程中因亂流或其他氣候影響而造成機身滾動，則天線的敏感區域也將隨之滾動。

最後，必須確定天線之間的連接是否完整，可使用標準傳播損耗公式或使用電磁分析解決方案(如HFSS SBR+)來計算。基於此研究目的，這裡將使用傳播損耗模型作為範例。至於水蒸氣、雨水、降雨率以及訊號衰減雖然也可分析，但因為這些影響只會導致額外的損耗，所以先排除無須計入。

干擾分析的綜合評估

接著進行一項測試，看看雷達高度計是否會因為機場附近的5G發射器而受到頻內或頻外干擾。這涉及使用系統之間最壞情況耦合的分析，以及5G發射器與雷達高度計接收器的理想設計。因此，需要更多細節來完善這個場景。

如表1所示，這些設定值代表了最壞的情況，即高功率的基地台將波束聚焦在要降落的飛機上，該飛機正在滾動導致雷達高度計輻射圖的最高峰放置在基地台上。儘管此設定相當極端，但在制定標準或研究輻射塔的關鍵禁區時，這是必須進行的分析。此分析中的任何參數都可以隨時更改，以快速評估並找到緩解干擾的策略。

接著來看看在3.7~3.8GHz的100MHz頻段中，首次推出C頻段服務的結果。圖6顯示調查結果，黑色曲線代表接收器中的狀況，並測量每個頻率的發射功率與接收器拒絕該能量的能力(接收器耐受性)之間的差異。如果該值高於零(深灰線)，就會發生干擾，因為接收器無法拒絕該頻率的能量。還可以設置臨界值來觀察接近干擾的頻率。圖表顯示，5G發射器的頻外發射，在雷達高度計的接收頻段內產生了強烈的干擾潛力(在本次的環境條件之下)。5G發射器的頻內輻射(3.7~3.8GHz)與接收器的臨界值相當接近，但並沒有達到接收器的飽和狀態，因此不會造成干擾。

電信公司在這三個頻道上花費了大量資金成本，最終希望在目前已使用的頻段之外，在另外兩個頻段(包含的額外180MHz)上也啟用服務。在本次模擬的最壞情況下，如果將來針對此雷達高度計啟用這些頻段會發生什麼事？

圖7中顯示在下一個100MHz頻段啟動時(3.8~3.9GHz)會面臨相同的問題。然而，右圖顯示，如果最後一個80MHz頻段(3.9~3.98GHz)也被啟動，那就會再出現一個新問題。干擾似乎是由於5G發射遮罩將更高的功率，輸出至高度計接收器上具低拒絕頻譜能力的部分，並且此處產生強烈的干擾，因此須減少額外25dB的5G訊號，以確保兩個頻道能共存。

解決5G C頻段影響飛航的問題

儘管這是個極端情況的模擬，但它仍然說明了透過模擬，可以非常快速且詳細地檢查這些變異情況。可以在模擬工作中針對多種策略進行測試。某些策略可能包括以下一種或多種方法：

1.將5G基地台建立在遠離機場的位置，設立一個「禁入區域」。這是電信公司在六個月期間內與FAA合作下，雙方協議使用的策略，而他們也同步繼續研究找尋其他解決辦法。

2.限制5G基地台天線波束指向的角度，降低其發射的有效功率，並避開機場附近的航路。

3.降低5G基地台的總發射功率。

4.增加雷達高度計接收器的選擇性與飽和度，要求針對未達性能要求的現有高度計進行調整或更換。

5.在5G發射元件的輸出端加入低通或帶通濾波器。

EMIT可用於快速評估這些緩解問題的策略，且無須進行任何實機飛行。例如，若為5G發射元件添加一個低通濾波器，可以在雷達高度計上研究濾波器對減少5G系統頻外發射所產生的影響。透過在EMIT的5G發射器鏈中，添加低通濾波器(1dB的頻內損耗，4GHz以上的40dB抑制)，看到了立竿見影的效果，成功地消除了干擾。圖8中的濾波器就位後的EMI裕量圖，顯示了在任何頻率發生干擾之前，仍保有5.2dB的運用空間。

除此之外，可能還會想知道是否使用模擬來針對指定機場的特定5G基地台安裝，以檢查(和驗證)其雷達高度計。干擾是一種動態的現象，會隨著飛機降落或起飛的情況隨時變化。接著，將把這種干擾建模機器與Ansys AGI STK飛行模擬功能連接起來，並模擬飛機在降落或起飛時，考慮飛機的動態運動、位置和方向之下，干擾將以什麼樣貌呈現。

透過模擬驗證干擾情境

必須考慮許多變量，來測試和驗證(且減輕)任何可能發生於機場的潛在干擾。以目前的情況來看機場的每條跑道，都須要針對起飛與降落航線2哩範圍內的5G C頻段基地台進行測試。

一些關鍵變因可能包含：機場附近的每個C頻段5G天線系統的位置(包括涉及多個基地台的情況)；C頻段5G天線系統中使用的功率電平與天線類型；C頻段天線系統(如果是MU-MIMO系統)的波束指向能力；飛機在起飛或降落時可能遇到的不同飛行路徑、下滑坡度以及橫滾、俯仰和偏航角的情況；取消降落重飛的情況下，預期飛機飛行的路徑與參數(通常會以更高的高度重新降落)；飛機上雷達高度計天線系統的類型及安裝位置。

在判定干擾的最壞情況，應考慮飛機的飛行路徑與飛機動力學的變化。這些動力變化可能包括飛機在降落時因陣風或亂流而滾動，這可能會因此造成飛機雷達高度計天線旋轉，而朝向地面上附近的5G C頻段基地台。

透過實機飛行以研究這些案例的成本非常高，並且須要在測試期間控制空域和機場周圍的電磁頻譜。針對上面列出的每個變量重複這些實驗是不切實際的，但是透過建模和模擬分析，可以虛擬、自動化的方式研究這些場景篩選出可能需要實機飛行測試的場景，以進行最終的驗證。

透過建模和模擬分析，可針對給定半徑內的任何C頻段5G基地台，並在任何飛機上、任何機場跑道上研究任何類型的雷達高度計。基於模型的高準確度，所有的操作都可以由任何人在任何地點，在電腦上完成，而且不必花時間進行任何實機飛行，也不會影響機場營運。

使用模擬，將可以做到以下這些事情，包括：開發、研究或修改現有或計畫使用的雷達高度計系統；開發、研究或修改5G C頻段基地台的效能參數；檢視可能存在多個5G C頻段基地台的位置；檢查與飛機與起飛、降落動力學(或是滾轉/俯仰)有關的極端狀況，這可能會導致天線互相指向彼此的高增益區域；檢查並研究出針對功率、波束轉向、有效等向幅射功率(EIRP)與修正機場周圍5G基地台禁區的合理限制；為直升機、私人飛機、送貨無人機等提供飛行計畫的相關指引。

相鄰的C頻段5G頻譜服務與雷達高度計系統之間的干擾是可預測和且可解決的。基於模型的高準確度，監管機構、飛機設備製造商以及電信公司，都應該可以使用模擬來檢查和制定相關指引，以確保各方都可以和諧地共存，並且確保乘客在各種環境與場景條件下的安全。

模擬飛機進入機場航道時的干擾

前面說明了如何針對5G C頻段無線電系統的實際發射模型、雷達高度計接收器的耐受性、飛機上的雷達高度計天線以及C頻段相控陣雷達的物理性模型，進行干擾分析模擬。使用最極端的情況進行分析，假設5G C頻段基地台只距離航線400公尺，飛機在100公尺高度，並且每個天線都面向另一個天線，以最大增益指向彼此。這可以顯示設備與飛行軌跡組合的最壞干擾情況，但它並沒有告知可能發生嚴重干擾的時間點。在這些設定下，假設有能力提前預測這種最壞的干擾情況發生在哪裡。在不同的機場和跑道，5G基地台的位置和天線系統類型可能有所不同，並且在降落或取消降落重飛的情況可能會產生不同的降落動力學。此外，也須考量5G基地台附近的局部散射，尤其在起飛或降落的關鍵時刻，可能存在大型建築物或飛行航線的視線受阻擋。

為了更好地了解在起飛、降落或重飛的過程中可能發生的干擾情況，須要模擬在飛行過程的完整場景。這將必須在指定跑道的精確虛擬環境中，針對飛行的動力學進行模擬干擾分析。

在這個案例中，已經為華盛頓西雅圖波音國際機場附近的降落場景建立了這樣的模擬情境。圖9顯示了在Ansys Systems Tool Kit (STK)軟體中設置的降落場景。圖中顯示了一種概念上的遠程廣體飛機，其天線輻射圖用於表示飛機上的雷達高度計系統。飛機降落時的軌跡由南偏東南方向的線條表示，其中包括降落後在跑道上的滑行距離。在航路正下方有一個5G C頻段基地台天線系統的標示，安裝高度為9.5公尺，低於附近建築物的高度。STK的場景中包含了當地的地形，甚至可以看到遠處的雷尼爾山。

 如圖10所示，在這種場景設定下，飛機將非常接近5G C頻段基地台，但可以自由地將基地台天線的位置移動到任何想要的地方，從而快速地重新評估場景。

此模擬中使用的無線電與文章前半段中定義的無線電相同，但值得注意的是，雷達高度計接收器的頻外飽和功率電平為-30dBm。另外要注意的是，這並不反映安裝在特定飛機上的實際雷達高度計系統，而只是根據2020年10月向FAA提交的RTCA報告中提供的雷達高度計系統，所建立的概念性系統設計。

利用物理學捕捉的天線間耦合

值得一提的是，該模擬是使用高準確度的物理模擬來計算場景中天線與天線間的耦合。回想一下，每個天線輻射圖都以Ansys HFSS和HFSS SBR+的電磁模擬為基礎，以捕捉已安裝的雷達高度計天線效應，並為5G C頻段相控陣天線提供精準的輻射方向圖。

在這個範例中，將天線設置成更大散射環境的模型，裡面包含了機場周圍的基地台、建築物和大型散射結構，天線與天線間的耦合皆透過HFSS SBR+展示。透過這種解決方案，附近建築物的潛在遮蔽效應與多路徑反射，都將被包含在從C頻段5G基地台到雷達高度計天線的物理路徑耦合之中。這裡還利用計算S參數耦合數據，以針對單個頻率，或在任何相關的頻段上採樣大量的頻率數據。

針對當前和未來5G C頻段頻道進行干擾分析

從模擬影片中展示了完整的降落場景(掃描QR Code顯示模擬影片)。電磁干擾(EMI)裕量代表了雷達高度計接收器前端上的干擾發射器頻譜功率，但省去了接收器抑制該功率的能力。當EMI裕量(黑色曲線)上升到紅線以上時，就代表存在干擾的可能性，或是代表了接收器已達飽和(受高強度的頻外訊號影響)或呈現低敏狀態(受高強度的頻內訊號影響)。此外，EMI裕量圖採用顏色編碼，以即時顯示任何干擾情況。綠色表示頻段中的無任何干擾發生，藍色和黃色表示EMI裕量已超過臨界值，且將可能發生干擾，紅色表示干擾正在發生。

透過5G C頻段系統在當前3.7~3.8GHz頻段運行的模擬畫面，可以發現當飛機經過5G C頻段基地台時，會出現強烈的干擾。雷達高度計在其運作頻道(以4.2GHz為中心)內記錄了干擾的情況，並且接收器也受雷達高度計運行頻段之外的高強度5G訊號影響而達到飽和狀態。 最終將推出的三個5G C頻段，目前由AT&T和Verizon推動的是從3.7GHz到3.8GHz的100MHz頻段。這部分與雷達高度計的頻段距離最遠，緩衝頻譜為420MHz。至於電信公司已經購買的另外兩個頻段將如何處置，以及未來將使用哪兩個頻段以進一步加速5G C頻段，這一切都還是未知數(圖11)。

當電信公司使用從3.9GHz到3.98GHz的80MHz頻段時，可以在模擬軟體中輕鬆更改5G C頻段發射器的設定值，以考慮潛在的干擾。因為發射器更接近雷達測高度計的頻段，可以預測對雷達測高度計的潛在干擾會增加，而在STK中重新模擬的情況也確實如此。

頻譜是一種寶貴的資源，隨著新的通訊與感應器系統的使用，頻譜擁擠仍然是一個挑戰。基於模型的高準確度，模擬提供了一種節省成本與時間的方法，可以在任何跑道位置，對任何飛機的潛在干擾場進行遮蔽測試和驗證。場景可以不局限於機場附近的5G基地台，只要使用AGI STK和Ansys Electronics Desktop等工具，就可以檢視任何無線系組合可能存在的潛在干擾因素。這對於直升機的低空飛行計畫、城市中的空中運輸與無人機送貨系統等，可能帶來關鍵性的突破。

(本文由Ansys提供)