5G与飞机安全第3部分:如何通过仿真验证干扰场景

新的5G c波段服务现已在美国启动并运行，用户终于开始看到我们一直听到的5G的一些承诺。新的c波段业务主要在3和4 GHz之间进行频谱分配，提供更宽的信道分配带宽，以提供显着更高的数据吞吐量。与此同时，这个频率的信号比毫米波波段传播得远得多。AT&T和Verizon的客户一直在报道下载速度从每秒400兆比特(Mbps)到每秒800兆比特不等，比4G LTE系统提高了近10倍。

然而，你还不能在机场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)已经与电信供应商制定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约500座塔楼全国约有87个机场。截至2月25日，根据现有协议，根据雷达高度表处理3.7-3.98 GHz波段机场区外c波段5G基站干扰的能力，估计90%的商用航空公司飞机已获准降落。在一些机场，飞机被批准着陆、进近和起飞按跑道变化这给航空公司和机场管理部门之间的飞机调度带来了挑战。例如，在芝加哥中途国际机场(Midway International Airport)，只有一条跑道可以为该机场服务的所有类型的飞机100%清理，而其他四条跑道可以为81%至95%的飞机清理。

今年7月，威瑞森和AT&T预计将激活c波段服务塔，以便在机场园区附近(可能包括机场园区)提供增强的5G服务。在此期间，电信服务提供商和美国联邦航空局可能会就这些新的c波段5G基站的可接受运行参数进行谈判和解决。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及其与更近的5G塔的相互作用的测试。

通过仿真验证干扰场景

我们必须考虑许多变量来测试和验证(并减轻!)任何机场的潜在干扰。似乎每条机场跑道都需要针对机场进近和起飞飞行路径2英里范围内的每个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天线系统中使用的功率水平和天线类型。
• c波段天线系统的波束指向能力(如果mu-MIMO系统)。
• 飞机在着陆或起飞时可能经历的飞行路径、下滑斜率和滚转、俯仰和偏航角范围。
• 预计飞机的飞行路径和“复飞”情况的参数(通常是着陆时的高海拔进近)。
• 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。这些可能包括飞机在着陆时由于阵风和湍流而翻滚，这可能会旋转飞机的雷达高度计天线，盯着附近地面上的5G c波段基站。

通过实验飞行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完全站不住脚的。但是通过建模和仿真，我们可以虚拟地和自动地探索这些场景，产生可能保证基于测量的验证的最终飞行测试的顶级场景。

通过建模和仿真，我们可以探索任何雷达高度计、任何飞机、任何机场跑道上的任何c波段5G服务塔，在给定半径内存在。给定足够逼真的模型，这一切都可以由个人在任何地点的计算机上完成，而不需要飞行时间或影响机场运行。通过模拟，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
• 检查与飞机着陆/起飞动力学(滚转/俯仰)相关的边缘情况，这可能导致天线相互查看高增益区域
• 检查探索合理限制功率、波束转向、有效各向同性辐射功率(EIRP)，修改机场周围5G服务塔隔离区
• 为直升机、私人飞机、送货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可以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，模拟可以大大减少确认RADALT设备认证所需的最后飞行测试，从而使认证和合规流程能够跟上5G和6G通信系统的发展。

模拟机场进近干扰

在我之前博客条目，我举例说明了基于5G c波段无线电系统的真实发射模型的干扰分析仿真，候选雷达高度计接收机磁化特性，以及c波段相控阵基站和机载雷达高度计天线的基于物理的模型。在我们的最坏情况分析中，我们假设5G c波段基站距离飞行线路400米，飞机高度为100米，每个天线都看着对方，最大增益指向对方。这可能代表了这种设备和飞行轨迹组合的最坏干扰情况，但它并没有告诉我们可能发生严重干扰的事件时间线。在这种情况下，我们假设我们有能力提前猜测最坏情况下这种安排的干扰发生在哪里。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会有所不同，在着陆或复飞过程中，可能会产生不同的着陆动力学。如果在着陆或起飞的关键阶段有大型建筑物或视线遮挡，5G基站附近的局部散射环境也可能很重要。

为了更好地理解在着陆、起飞或复飞过程中可能发生的干扰，我们需要在飞行过程中模拟场景。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。

我们已经为华盛顿西雅图金县国际机场附近的着陆场景组装了这样一个模拟。控件中设置的着陆场景Ansys系统工具包(STK)软件。图为一架设想中的远程宽体飞机，其上安装了雷达高度计系统的天线方向图。飞机在着陆过程中所采取的轨迹用蓝线表示，其方向为东南偏南，其中包括着陆后在跑道上的滑行距离。5G c波段基站天线系统指示在飞行路径正下方，安装高度为9.5m，位于附近建筑物的屋顶高度或以下。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我们希望的任何地方，从而可以快速重新评估场景。

本仿真中使用的无线电与中定义的无线电相同这是我们博客系列的第2部分值得注意的是，我们的雷达高度计接收机的带外饱和功率电平为-30 dBm。应该指出的是，这并不反映安装在特定飞机上的实际雷达高度计系统，而仅仅是基于雷达高度计系统范围的概念系统设计RTCA向FAA报告日期为2020年10月。

天线到天线的耦合捕获与物理

该仿真的一个重要补充是使用高保真物理仿真来计算场景中每时每刻的天线到天线耦合。回想一下，每个天线方向图在电磁模拟中都有其基础Ansys基于和HFSS SBR+捕获已安装的雷达高度计天线效果，以及捕获5G c波段相控阵天线的精确辐射方向图。

将天线设置为机场周边包括塔台、建筑物和大型散射结构在内的大散射环境模型，采用HFSS SBR+对天线间耦合进行采样。该解决方案将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

下面的视频显示了模拟的完整着陆场景。在插图中，说明了电磁干扰(EMI)余量。电磁干扰余量表示雷达高度计接收机前端感兴趣的波段上存在的干扰发射机频谱功率，减去接收机拒绝该功率的能力。当电磁干扰余量(黑色曲线)高于红线时，存在干扰的可能性，接收器要么饱和(由强带外信号)，要么去敏化(由强带内信号)。此外，图上的EMI边距图例是彩色编码的，表示任何时候都有干扰。绿色表示在频带内无干扰操作，蓝色和黄色表示EMI边界已超过接近干扰条件的指示阈值，红色表示正在发生干扰事件。下面的仿真是在当前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，会出现强烈的干扰。雷达高度计在其工作信道(以4.2 GHz为中心)内记录干扰，并且接收器也会因雷达高度计预期工作频带之外的强5G信号而饱和。

在我们之前的博客中，我概述了一个事实，即5G c波段的分配将最终推出三个阶段。第一部分，目前由AT&T和Verizon实施，是从3.7到3.8 GHz的100 MHz频段。该频段与雷达高度计波段的距离最大，缓冲频谱为420 MHz。但是，电信运营商已经支付的另外两部分，以及未来将用于进一步加速5G c波段服务的部分，又如何呢?

在我们的模拟中，我们可以很容易地改变5G c波段发射机的定义，以考虑电信运营商使用3.9至3.98 GHz的80 MHz频段时的干扰潜力。因为它更接近雷达高度计波段，我们可以预期雷达高度计受到干扰的可能性会增强，在STK中快速重新模拟显示情况确实如此:

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。考虑到底层模型具有足够的保真度，仿真是一种成本和时间有效的方法，可以不引人注目地测试和验证任何飞机在任何跑道位置的潜在干扰场景。场景可以不仅仅是考虑机场附近的5G塔——使用AGI STK和Ansys电子桌面我们可以查看任何可能出现干扰的无线系统组合。这对于直升机的低空飞行规划、城市空中机动和无人机交付系统等功能可能变得非常重要。

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