淺析移動5G網(wǎng)絡(luò)對飛機(jī)RA系統(tǒng)干擾的風(fēng)險評估

王荊穗 葉文濤

摘要：無線電高度表（RA）是飛機(jī)上唯一能夠直接測量地形上方凈空高度的“傳感器”，在飛行關(guān)鍵階段，尤其在進(jìn)近和著陸階段為飛行員情景感知及飛機(jī)導(dǎo)航、指示、飛行指引和控制系統(tǒng)提供關(guān)鍵的高度數(shù)據(jù)。本文從理論和實(shí)踐角度，解析飛機(jī)無線電高度表受5G無線網(wǎng)絡(luò)頻率干擾的原因，闡明RA系統(tǒng)受5G干擾風(fēng)險評估的現(xiàn)狀和面臨的困難，為航空公司的運(yùn)行提供風(fēng)險認(rèn)知的參考，為民航和無線電工業(yè)企業(yè)在此項(xiàng)目后續(xù)的協(xié)同工作上提供建議基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無線電高度表；5G網(wǎng)絡(luò)；干擾；風(fēng)險評估

Keywords：radio altimeter；5G network；interference；risk assessment

0 引言

2021年12月9日，F(xiàn)AA發(fā)布AD 2021-23-12，聲明安裝RA系統(tǒng)的所有機(jī)型如果受到美國5G C波段3.7～3.98GHz頻率的干擾，將導(dǎo)致飛機(jī)無法依靠RA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。對此，F(xiàn)AA要求在2022年1月4日（含）前修訂飛行手冊，對于安裝了RA系統(tǒng)的所有機(jī)型在美國空域已發(fā)布5G信號干擾航行通告（NOTAM）的區(qū)域和機(jī)場執(zhí)行運(yùn)行限制。限制項(xiàng)目包含：儀表進(jìn)近程序SA CAT I，SA CAT II，CAT II，CAT III；需要授權(quán)的RNP AR IAP；自動著陸；人工飛控指引系統(tǒng)著陸/HUD著陸等。

此AD的運(yùn)行限制，引起了國內(nèi)外各航司熱議，為什么5G網(wǎng)絡(luò)會對飛機(jī) RA系統(tǒng)產(chǎn)生干擾？飛機(jī)的RA系統(tǒng)在全球范圍到底面臨怎樣的干擾風(fēng)險？

1 5G網(wǎng)絡(luò)

民航飛機(jī)RA系統(tǒng)的工作頻率范圍為4.2～4.4GHz，使用非調(diào)制脈沖雷達(dá)或調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)技術(shù)，通過計算發(fā)射和接收RF信號的雙向傳輸時間來測量飛機(jī)的離地高度。系統(tǒng)接收機(jī)接收到的RF反射波功率很低，通常在1瓦特量級，因而RA的接收機(jī)具有靈敏度高、易受干擾的特性。RA系統(tǒng)的工作頻率，屬于航空無線電導(dǎo)航服務(wù)（ARNS）頻譜中的一段，受國際電信聯(lián)盟（ITU）認(rèn)可和保護(hù)。

現(xiàn)在全球普遍使用的4G LTE移動通信網(wǎng)絡(luò)的頻率范圍定義在3000MHz以下。而移動5G通信網(wǎng)絡(luò)3GPP（3rd Generation Partner Project）R15定義中，將5G NR（New Radio）分為兩大頻譜范圍FR1：450～6000MHz（通常稱為Sub-6 GHz）和FR2：24250～ 52600MHz。上述FAA AD中提到的5G C波段屬于FR1，指在C波段（根據(jù)IEEE 501-2002標(biāo)準(zhǔn)，指頻率在4～8GHz的無線電波段，通常上行頻率范圍為5.925～6.425GHz，下行頻率范圍為3.7～4.2GHz）部署的新一代無線寬帶5G網(wǎng)絡(luò)。

由圖1可見，全球部分地區(qū)的5G頻率范圍已非常接近RA的工作頻率范圍。在高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下，盡管RA的工作頻段受到保護(hù)，但其性能是否還能滿足航空安全的要求，則要看RA的最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)（MOPS）。RA系統(tǒng)的MOPS于1980年完成最近一次修訂（EUROCAE ED-30），其內(nèi)容與RTCA DO-155（1974年）所列內(nèi)容基本等同。

從MOPS修訂時間來看，1980s年代使用的民用無線網(wǎng)絡(luò)的頻率范圍還遠(yuǎn)未能接近RA的工作頻率。因此，對于當(dāng)前5G頻率非常接近RA頻率的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，此版MOPS已無法適用。

2 RA受5G網(wǎng)絡(luò)干擾的理論來源

當(dāng)前國內(nèi)各航司僅收到FAA的AD，對RA受5G干擾提出了確定的評估結(jié)論和強(qiáng)制運(yùn)行要求，該要求僅針對美國境內(nèi)有航行通告（NOTAM）列出的部分機(jī)場和區(qū)域。為了確保飛機(jī)運(yùn)行的安全，電信行業(yè)也做出了努力，于2022年1月同意，在6個月內(nèi)對計劃全面開放的3.7～3.98GHz 無線網(wǎng)絡(luò)，在美國部分機(jī)場跑道附近區(qū)域設(shè)置緩沖區(qū)，實(shí)施發(fā)射功率限制，概況如圖2所示。目前來看，如果嚴(yán)格執(zhí)行FAA AD要求，航司各機(jī)隊在美國5G相關(guān)區(qū)域的運(yùn)行風(fēng)險是可控的。

為明確機(jī)隊在其他有5G網(wǎng)絡(luò)地區(qū)的運(yùn)行風(fēng)險，各航司已向所屬局方和飛機(jī)制造商提出咨詢，除了有民航飛機(jī)RA系統(tǒng)受到軍方4.2～4.4GHz頻段活動干擾的記錄外，官方均確認(rèn)無RA系統(tǒng)受5G網(wǎng)絡(luò)干擾的事件報告，暫時也沒有受干擾風(fēng)險的其他官方信息。

FAA AD的發(fā)布，源于一份RTCA報告Paper No.274-20/PMC-2073，世界各地局方和制造廠家對飛機(jī)RA受5G網(wǎng)絡(luò)干擾的評估和運(yùn)行要求都是基于此報告的分析和結(jié)論。因此，航司機(jī)隊的運(yùn)行在各地是否有受到5G干擾的風(fēng)險評估，可通過解讀這份RTCA報告尋求可利用的理論依據(jù)。

2.1 干擾分析模型和干擾門限值

RTCA報告是針對美國3.7～ 3.98GHz頻段的5G網(wǎng)絡(luò)采用經(jīng)驗(yàn)值確定的方法進(jìn)行的評估。分析中首先建立一個干擾分析模型：

PRX=Psource+Gsource—Lprop+GRA—LRX（1）

其中，PRX代表RA接收機(jī)在受到干擾時的接收功率；Psource代表干擾源的輸出功率，Gsource代表干擾源的發(fā)射增益，Lprop代表傳輸損耗，GRA代表RA接收天線的增益，LRX代表接收路徑電纜損耗。

為判斷RA是否受到有害干擾，定義了一個標(biāo)準(zhǔn)值，稱為RA的干擾門限值。在干擾分析模型中，當(dāng)RA接收功率PRX超過這個干擾門限值時，RA的輸出超出其系統(tǒng)設(shè)計要求，即RA輸出的高度發(fā)生數(shù)據(jù)錯誤、延時或者丟失，該情況被認(rèn)為是不可接受的，即造成了有害干擾。將需要評估的5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)式（1），把計算結(jié)果PRX與定義的RA干擾門限值進(jìn)行比較，就可以分析出該網(wǎng)絡(luò)是否會對RA造成干擾。

2.2 分析對象和分類

由式（1）可知，干擾分析的對象分為5G網(wǎng)絡(luò)（干擾源）和飛機(jī)上安裝的RA系統(tǒng)（受干擾對象）。根據(jù)相對飛機(jī)的位置與用途，將干擾源分為三類：基站、地面5G設(shè)備和機(jī)上5G設(shè)備。對于5G網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)美國FCC批準(zhǔn)的最大網(wǎng)絡(luò)發(fā)射功率限制，選取9類基站的典型天線參數(shù)，以及符合電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的5G地面設(shè)備和機(jī)上移動設(shè)備參數(shù)。對于RA系統(tǒng)，結(jié)合其取證安裝的飛機(jī)構(gòu)型，將飛機(jī)分為3類，選取9個最廣泛使用的RA設(shè)備模型，在每1個類型的飛機(jī)上分別選取9個RA模型的其中至少4個組合進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。其中，USAGE CATEGORY分為三類：第1類為商用航空運(yùn)輸飛機(jī)，包括單通道和寬體機(jī)；第2類為不屬于第1類用途的所有其他固定翼飛機(jī)，包括支線、公務(wù)航空和通用航空飛機(jī)；第3類為運(yùn)輸和通用航空直升機(jī)。

2.3 干擾門限值試驗(yàn)

理論上，在進(jìn)行RA系統(tǒng)設(shè)計時，干擾門限值應(yīng)是一個已知且定義好的臨界標(biāo)準(zhǔn)值，包含在RA的MOPS中。但如上所述，當(dāng)前使用的RA MOPS已不能適應(yīng)當(dāng)今的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，若需通過對比得出分析結(jié)論，必須首先通過試驗(yàn)測量出這個臨界標(biāo)準(zhǔn)值。

將干擾源對RA的干擾分為3.7～3.98GHz頻段的基礎(chǔ)發(fā)射干擾和4.2～4.4GHz頻段的雜散發(fā)射干擾兩部分。選擇3.7～3.98GHz頻段的3個中心頻率3.75GHz、3.85GHz、3.93GHz以及4.2～4.4GHz頻段，生成模擬5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)射造成的地面RF雜波，加上其他飛機(jī)RA在4.2～4.4GHz頻段的RF雜波，形成模擬的測試環(huán)境；選擇民航飛機(jī)RA設(shè)備測量范圍內(nèi)的幾個高度（200ft、1000ft、上至7500ft），分別對3類飛機(jī)的RA系統(tǒng)輸出值進(jìn)行模擬測試，直至RA在對應(yīng)的高度上超出設(shè)計性能要求，從而測量出對應(yīng)的干擾門限值。3類飛機(jī)的干擾門限值測試結(jié)果如圖3～圖5所示。

2.4 干擾分析結(jié)果

在干擾分析模型的基礎(chǔ)上，使用航空和電信工業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義了一個傳輸模型，該傳輸損耗模型是一個與干擾源和飛機(jī)的離地高度以及水平距離相關(guān)的函數(shù)。加上ICAO安全裕度要求，現(xiàn)有MOPS中影響RA性能的三要素（飛機(jī)高度、俯仰和滾轉(zhuǎn)角度），RA系統(tǒng)與基站間的相對位置，天線的安裝設(shè)置角度，RA 的應(yīng)用高度范圍以及相應(yīng)類別飛機(jī)的最壞著陸情景等參數(shù)，通過計算和比較得出分析的結(jié)論，如表2所示。

3 RTCA報告的結(jié)論分析及思考

3.1 結(jié)論分析

從上述的解讀中可總結(jié)出RA受5G網(wǎng)絡(luò)干擾的部分規(guī)律：

飛機(jī)RA系統(tǒng)的干擾門限值是通過試驗(yàn)測量得出的，在不同的高度和頻率測得的干擾門限值不同；除第2類飛機(jī)在1000ft高度干擾門限值有異常跳變外，隨著高度的增加，RA系統(tǒng)接收到的地面回波功率逐漸減小，而系統(tǒng)對于干擾的敏感性逐漸升高，故干擾門限值在0～10000ft范圍內(nèi)隨高度增加而減小。對于第1類飛機(jī)，在小于4.2GHz的頻率區(qū)間，5G無線網(wǎng)絡(luò)頻率越接近RA的工作頻率，RA的干擾門限值越小，干擾門限值包絡(luò)ITM值也越低。但對于第2類和第3類飛機(jī)，則沒有類似的規(guī)律。

5G網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的發(fā)射信號不僅在基礎(chǔ)發(fā)射頻段有干擾RA的可能，4.2～4.4GHz頻段的雜散發(fā)射也可能對RA產(chǎn)生干擾，干擾主要來自5G基站和機(jī)上5G設(shè)備，而地面移動5G設(shè)備不會產(chǎn)生干擾。

由干擾分析模型可知，除了頻率外，5G基站的功率、天線的性能參數(shù)以及安裝高度和角度設(shè)置等都是干擾分析考慮的必要因素?；景l(fā)射功率越大，天線的組合增益越大，對RA產(chǎn)生干擾的可能性就越大。需要說明的是，目前世界范圍內(nèi)生產(chǎn)的基站天線都屬于寬頻天線，該分析已基本囊括全部5G網(wǎng)站適用的天線種類。

除了上述確定的情況，也可看出目前各局方和廠家未能有明確結(jié)論的困難：

干擾分析采用的是經(jīng)驗(yàn)值確定方法，即枚舉符合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的盡可能全面的情景和參數(shù)，通過測試和計算分析出所需的結(jié)論。該方法要求，在明確分析5G網(wǎng)絡(luò)的頻率范圍、發(fā)射功率、發(fā)射增益以及飛機(jī)的RA系統(tǒng)安裝參數(shù)的同時，考慮基站天線的類別、安裝角度、各類飛機(jī)RA的應(yīng)用高度范圍，適用的運(yùn)行場景，飛機(jī)的高度、俯仰和滾轉(zhuǎn)角度范圍等，這些參數(shù)中，各地區(qū)5G頻率范圍（3～6GHz）、基站最大功率限制以及使用天線的種類和安裝角度等都屬于動態(tài)變量，且目前并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，部分?jǐn)?shù)據(jù)還無法獲取，加之各地區(qū)有可能分時間、分頻段部署5G網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致判斷RA系統(tǒng)在該地區(qū)是否有受5G干擾的風(fēng)險的評估更加復(fù)雜。因此，截至目前尚無局方或廠家能夠?qū)θ蚋鞯貐^(qū)是否都存在5G干擾情況給出明確結(jié)論。

3.2 國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)區(qū)域運(yùn)行的定性思考

雖然不確定因素和困難客觀存在，但以RTCA報告的分析為基礎(chǔ)，根據(jù)已知信息，仍可對“國內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)，是否存在對RA干擾的風(fēng)險”做出有限的定性評估。

由于各航司均已有在飛機(jī)起飛、進(jìn)近和著陸等關(guān)鍵飛行階段禁止開啟或使用移動電子設(shè)備的規(guī)定，且地面5G移動用戶分析結(jié)論為暫無干擾風(fēng)險，故干擾評估可僅針對5G基站。

中國工信部于2019年給國內(nèi)三大移動通信運(yùn)營商分配了5G網(wǎng)絡(luò)頻率范圍許可：中國聯(lián)通3.4～3.5GHz，中國電信3.5～3.6GHz，中國移動2.515～2.675GHz和4.8～4.9GHz，有關(guān)5G網(wǎng)絡(luò)的最大功率限制并沒有提及。

對于第1類飛機(jī)，在4.2GHz以下，依據(jù)5G頻率越接近4.2～4.4GHz，RA干擾門限值包絡(luò)ITM越低的規(guī)律，可推斷出除了中移動4.8～4.9GHz頻率范圍外，RA在國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)頻段的干擾門限值應(yīng)高于RTCA分析測得的干擾門限值范圍。因而，除4.8～4.9GHz頻段外，如果國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)的最大功率限制與美國相同，則飛機(jī)RA系統(tǒng)在國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的運(yùn)行風(fēng)險理論上低于美國。此結(jié)論不適用于第2類和第3類飛機(jī)以及4.8～4.9GHz的5G網(wǎng)絡(luò)頻段。

參考表1所列RTCA分析的飛機(jī)/ RA組合構(gòu)型，對照各機(jī)型安裝RA的個數(shù)，以及部件手冊中設(shè)備測量高度范圍等規(guī)范參數(shù)，可將國內(nèi)航司機(jī)隊的波音和空客機(jī)型劃分在第1類飛機(jī)范圍，國產(chǎn)支線飛機(jī)ARJ-21劃分在第2類飛機(jī)范圍，則以上國內(nèi)運(yùn)行風(fēng)險低于美國的結(jié)論適用于空客和波音機(jī)隊，不適用于ARJ-21飛機(jī)。

4 結(jié)束語

基于對現(xiàn)狀的分析，民航飛機(jī)RA存在受5G網(wǎng)絡(luò)干擾的風(fēng)險，飛機(jī)的RA系統(tǒng)設(shè)計和運(yùn)行操作標(biāo)準(zhǔn)必然需要做出改進(jìn)。在改進(jìn)措施發(fā)布和實(shí)施之前，航空公司為確保安全平穩(wěn)的運(yùn)行，應(yīng)由運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行控制、機(jī)組和機(jī)務(wù)人員共同合作做出決策。

如今是科學(xué)技術(shù)、社會環(huán)境和應(yīng)用需求不斷變化和發(fā)展的時代，頻率重復(fù)利用和多行業(yè)共同使用乃大勢所趨。在此大環(huán)境下，航空工業(yè)單獨(dú)行動無法對可能面臨的風(fēng)險進(jìn)行充分的評估和分析，因而其獨(dú)立提出的解決措施很可能不能適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。因此，對于公共資源的管理和使用，必須由各個國家、各個行業(yè)共同協(xié)商，維系資源的合理利用和公共安全。

參考文獻(xiàn)

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