本文来自微信公众号：鲜枣课堂（ID：xzclasscom），作者：唐欣，头图来自：unsplash
这段时间，美国两大权威机构——联邦通信委员会（FCC）与联邦航空管理局（FAA），爆发了激烈的矛盾冲突，引发行业关注。
首先是去年年底，2021年12月7日，FAA发布飞行警示，认为C波段的5G信号对飞机的雷达高度计存在重大干扰风险。FAA要求，直升机和客运飞机的飞行员在进入5G信号覆盖的情况下，不得使用自动降落系统。
FAA通告发出后，引起了FCC的强烈不满。六位前FCC大佬，联名发出邮件，谴责FAA不讲武德。大佬们声称，FCC花了两年时间，进行了详细的技术分析，已经得到了“5G对飞行高度计雷达不存在干扰”的结论，而FAA却对此视而不见，实属无理取闹。
两大机构互怼，倒霉的是运营商。花了几百亿美元拿下3.7GHz频谱的AT&T和Verizon，在美国交通部的强烈要求下，延迟了5G的开通，等待进一步的结论。
究竟FAA和FCC谁对谁错呢？我们先来看看2020年10月份航空无线技术委员会（Radio Technical Commission for Aeronautics，RTCA）发布的一份报告。
报告一共231页，做了各种场景的详尽分析。这里给大家简单的总结一下报告的主要内容。
飞机在飞行中，采用多种方式进行高度测量，用于保证系统的冗余度。
其中，高度计雷达，通过计算一个无线电信号从地面反射回来的时间，来判断高度。如下图中蓝色虚线所示。
雷达高度计，一般用于飞机降落时的高度测量，以及警告飞行员高度过低或者前方有上升地形。根据ITU无线电规则的频谱分配，这个雷达高度计的工作频率为4.2~4.4 GHz。
3GPP n77频段的上限是4.2GHz，但在各国的实际规划中，为了保证不对这一系统产生干扰，n77最多只用到4.1GHz （100 MHz作为保护带）。
2020年，FCC拍卖了3.7~3.98GHz频谱，用于5G的使用。当时，总计拍卖价格高达809亿美元。
拍卖前，FCC邀请了各个相关行业、公司提出意见。当时，航空业并没有对这个频谱拍卖提出异议。然而，在拍卖结束后不久，航空业开始发声，说5G的频率距离飞行高度雷达使用的频率很近，担心未来5G对其高度计雷达系统的射频干扰（典型的马后炮）。
在RTCA的这份报告中，分析了从手机到基站，从机舱内到地面，从直升机到客运飞机等多种5G信号存在场景下干扰的情形。最终得出的结论，是从3.7GHz开始的5G信号会对高度计雷达产生干扰。其中最严重的，是5G基站对高度计雷达的干扰。
高度计雷达的天线安装在飞机底部，天线的视轴（boresight）指向地面。在这种情形下，即使基站天线采用下倾角的辐射面，在天线的垂直方向图上，仍会有相当一部分功能指向天空。因此，雷达会接收到5G天线旁瓣辐射带来的干扰。
如下图所示：
如果基站高度更高，飞机即将降落的情形下，雷达甚至能接收到基站天线主瓣辐射的功率。
下图是对不同飞行高度及基站的仿真扫描曲线，我们可以看到，最坏情况出现在200英尺（60米）左右的时候。
（横坐标是水平角度扫描）
支持Massive MIMO、16x16天线阵列的5G大功率宏站，具备最大的干扰风险。
在最坏情况下，5G带内信号超过了雷达能容忍的干扰门限47dB。而带外杂散，超过了干扰门限27dB。
如果说5G的带外杂散还能通过滤波器抑制来改善，那么让带内信号降低47dB，就基本等于关闭基站了。这一点，是运营商和FCC不可接受的。
不久后，在FCC的牵头下，通信行业做了相应的研究，批判了RTCA这份报告的不合理性。
第一，RTCA在各个环节的分析中，都加入额外的“设计裕量”。甚至在“设计裕量”上，再额外添加“安全裕量”。
同时，对5G基站辐射和飞机起降的情况，RTCA也采用了各种最坏情况假设的组合，并不符合实际可能出现的情况。
最后，在测试时，RTCA的报告又引入了比FAA的最低性能标准更为严苛的指标，很不合理。
在FCC之后，CTIA、5G Americans等组织，也都发布了相应的研究报告，驳斥RTCA报告中的不科学、不严谨。
事情当时告一段落，两年来，在其它已经商用5G的国家中，也没有听说过任何一起干扰飞机的事件发生。于是，AT&T和Verizon两大运营商，斥巨资购买了频谱，兴高采烈地准备推出3.7GHz的5G服务。
然而，FAA却没有因此作罢。他们将事情闹到了美国交通部，认为如果不对5G的部署进行限制，会对波音787，777，737等飞机造成影响。严重情况下，甚至会在2022年导致大量的航班延误和取消。
涉及航空安全，岂是小事？交通部立刻要求运营商暂停5G的发布两周。连美国总统拜登，也站出来表态，希望两周的延期能解决两大管理局的争端，保证民航不出现问题，运营商能在19号开通5G网络。
熟悉RF设计的同学们，一定会想到，即使5G的上限频率是3.98GHz，距离4.2GHz还有220MHz的间隔，怎么会产生干扰呢？
其实，这就要“归功”于高度计雷达的射频设计了。
从下图中我们可以看到，图中3.7~3.98 GHz淡蓝色的代表5G辐射谱，4.2~4.4 GHz部分为高度雷达的接收信号。
从图上可以看出，5G对雷达接收机的干扰，包括两方面。
第一部分，是5G带外杂散直接落在雷达接收机接收频率4.2~4.4GHz中的同频干扰。
第二部分，也是最主要的部分，是5G带内有用信号对雷达接收机产生的阻塞影响。
高度计雷达接收机，很多是基于90年代的设计。在那个时候，移动通信最多也在2GHz以内。3GHz以上，只有微弱的卫星下行信号。
高度计雷达在当年设计时，并没有考虑临近会有无处不在的大功率移动通信。
因此，接收机的设计，普遍没有考虑使用高性能的波导滤波器来滤除带外干扰。
上面的图中，绿色虚线为雷达接收机的频率响应，可以看出接收机对带外的抑制能力非常差。
缺少了带外抑制，雷达接收机因为其低噪声放大器，混频器等器件的非线性，很容易在大信号下出现ACLR临道泄露、阻塞、n阶交调、压缩等非线性响应。
这里的基础射频知识，我就不再累述，具体可以参考教材。引用一张来自Analog Device公司的图片，给大家一个接收机在大信号干扰下响应的直观印象。
写到这里，可能你已经想到——在雷达接收机的前端，加上个滤波器，不就皆大欢喜了？
没错，FCC、运营商们也这么认为。既然是高度计雷达的接收机问题，航空公司就应该自己解决。
这要是一般的民用通信，可能很快就没事儿了。然而，所有装上飞机的东西，都必须通过层层检测认证，从时间和经费上来说，都是一笔不小的投资。在新冠疫情下已经奄奄一息的航空公司，不愿意折腾。
就在截稿前，AT&T和Verizon两大运营商最终做出让步，在机场附近将不部署3.7GHz以上的5G基站。总统拜登也赞许了运营商这一顾全大局的举动。
美国的问题，引来了澳洲、日本、欧盟等多各个频谱监管和航空管理机构的关注。
你一定会问，这个高度计雷达问题，对中国的5G部署会产生影响吗？已经部署的C band 5G，会威胁国内的飞行安全吗？
事实上，受制于C波段卫星下行的影响，中国的C band 5G牌照只发到了3.6GHz，距离高度计雷达工作的4.2~4.4GHz，还有600MHz的保护带。所以，我们国家没有这个问题。
鉴于美国的经验教训，未来飞机高度计雷达的设计也一定会更新。
参考文献
[1] RTCA Paper,Assessment of C-Band Mobile Telecommunications Interference Impact on Low Range Radar Altimeter Operations.
[2] CTIA, Altimeter Performance and the RTCA study.
[3] 5G Americas White Paper, Mid-band spectrum & the coexistence with radio altimeter.
本文来自微信公众号：鲜枣课堂（ID：xzclasscom），作者：唐欣（Spectrum Lab技术总监）