淺析移動5G網絡對飛機RA系統干擾的風險評估

王荊穗 葉文濤

摘要：無線電高度表（RA）是飛機上唯一能夠直接測量地形上方凈空高度的“傳感器”，在飛行關鍵階段，尤其在進近和著陸階段為飛行員情景感知及飛機導航、指示、飛行指引和控制系統提供關鍵的高度數據。本文從理論和實踐角度，解析飛機無線電高度表受5G無線網絡頻率干擾的原因，闡明RA系統受5G干擾風險評估的現狀和面臨的困難，為航空公司的運行提供風險認知的參考，為民航和無線電工業企業在此項目后續的協同工作上提供建議基礎。

關鍵詞：無線電高度表；5G網絡；干擾；風險評估

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

0 引言

2021年12月9日，FAA發布AD 2021-23-12，聲明安裝RA系統的所有機型如果受到美國5G C波段3.7～3.98GHz頻率的干擾，將導致飛機無法依靠RA系統實現預期的功能。對此，FAA要求在2022年1月4日（含）前修訂飛行手冊，對于安裝了RA系統的所有機型在美國空域已發布5G信號干擾航行通告（NOTAM）的區域和機場執行運行限制。限制項目包含：儀表進近程序SA CAT I，SA CAT II，CAT II，CAT III；需要授權的RNP AR IAP；自動著陸；人工飛控指引系統著陸/HUD著陸等。

此AD的運行限制，引起了國內外各航司熱議，為什么5G網絡會對飛機 RA系統產生干擾？飛機的RA系統在全球范圍到底面臨怎樣的干擾風險？

1 5G網絡

民航飛機RA系統的工作頻率范圍為4.2～4.4GHz，使用非調制脈沖雷達或調頻連續波（FMCW）雷達技術，通過計算發射和接收RF信號的雙向傳輸時間來測量飛機的離地高度。系統接收機接收到的RF反射波功率很低，通常在1瓦特量級，因而RA的接收機具有靈敏度高、易受干擾的特性。RA系統的工作頻率，屬于航空無線電導航服務（ARNS）頻譜中的一段，受國際電信聯盟（ITU）認可和保護。

現在全球普遍使用的4G LTE移動通信網絡的頻率范圍定義在3000MHz以下。而移動5G通信網絡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IEEE 501-2002標準，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網絡。

由圖1可見，全球部分地區的5G頻率范圍已非常接近RA的工作頻率范圍。在高速發展的網絡應用環境下，盡管RA的工作頻段受到保護，但其性能是否還能滿足航空安全的要求，則要看RA的最低運行性能標準（MOPS）。RA系統的MOPS于1980年完成最近一次修訂（EUROCAE ED-30），其內容與RTCA DO-155（1974年）所列內容基本等同。

從MOPS修訂時間來看，1980s年代使用的民用無線網絡的頻率范圍還遠未能接近RA的工作頻率。因此，對于當前5G頻率非常接近RA頻率的網絡應用環境，此版MOPS已無法適用。

2 RA受5G網絡干擾的理論來源

當前國內各航司僅收到FAA的AD，對RA受5G干擾提出了確定的評估結論和強制運行要求，該要求僅針對美國境內有航行通告（NOTAM）列出的部分機場和區域。為了確保飛機運行的安全，電信行業也做出了努力，于2022年1月同意，在6個月內對計劃全面開放的3.7～3.98GHz 無線網絡，在美國部分機場跑道附近區域設置緩沖區，實施發射功率限制，概況如圖2所示。目前來看，如果嚴格執行FAA AD要求，航司各機隊在美國5G相關區域的運行風險是可控的。

為明確機隊在其他有5G網絡地區的運行風險，各航司已向所屬局方和飛機制造商提出咨詢，除了有民航飛機RA系統受到軍方4.2～4.4GHz頻段活動干擾的記錄外，官方均確認無RA系統受5G網絡干擾的事件報告，暫時也沒有受干擾風險的其他官方信息。

FAA AD的發布，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RA受5G網絡干擾的評估和運行要求都是基于此報告的分析和結論。因此，航司機隊的運行在各地是否有受到5G干擾的風險評估，可通過解讀這份RTCA報告尋求可利用的理論依據。

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網絡采用經驗值確定的方法進行的評估。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，定義了一個標準值，稱為RA的干擾門限值。在干擾分析模型中，當RA接收功率PRX超過這個干擾門限值時，RA的輸出超出其系統設計要求，即RA輸出的高度發生數據錯誤、延時或者丟失，該情況被認為是不可接受的，即造成了有害干擾。將需要評估的5G網絡相關參數式（1），把計算結果PRX與定義的RA干擾門限值進行比較，就可以分析出該網絡是否會對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網絡（干擾源）和飛機上安裝的RA系統（受干擾對象）。根據相對飛機的位置與用途，將干擾源分為三類：基站、地面5G設備和機上5G設備。對于5G網絡，根據美國FCC批準的最大網絡發射功率限制，選取9類基站的典型天線參數，以及符合電信工業標準規范的5G地面設備和機上移動設備參數。對于RA系統，結合其取證安裝的飛機構型，將飛機分為3類，選取9個最廣泛使用的RA設備模型，在每1個類型的飛機上分別選取9個RA模型的其中至少4個組合進行試驗，如表1所示。其中，USAGE CATEGORY分為三類：第1類為商用航空運輸飛機，包括單通道和寬體機；第2類為不屬于第1類用途的所有其他固定翼飛機，包括支線、公務航空和通用航空飛機；第3類為運輸和通用航空直升機。

2.3 干擾門限值試驗

理論上，在進行RA系統設計時，干擾門限值應是一個已知且定義好的臨界標準值，包含在RA的MOPS中。但如上所述，當前使用的RA MOPS已不能適應當今的5G網絡應用環境，若需通過對比得出分析結論，必須首先通過試驗測量出這個臨界標準值。

將干擾源對RA的干擾分為3.7～3.98GHz頻段的基礎發射干擾和4.2～4.4GHz頻段的雜散發射干擾兩部分。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網絡發射造成的地面RF雜波，加上其他飛機RA在4.2～4.4GHz頻段的RF雜波，形成模擬的測試環境；選擇民航飛機RA設備測量范圍內的幾個高度（200ft、1000ft、上至7500ft），分別對3類飛機的RA系統輸出值進行模擬測試，直至RA在對應的高度上超出設計性能要求，從而測量出對應的干擾門限值。3類飛機的干擾門限值測試結果如圖3～圖5所示。

2.4 干擾分析結果

在干擾分析模型的基礎上，使用航空和電信工業的相關標準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的離地高度以及水平距離相關的函數。加上ICAO安全裕度要求，現有MOPS中影響RA性能的三要素（飛機高度、俯仰和滾轉角度），RA系統與基站間的相對位置，天線的安裝設置角度，RA 的應用高度范圍以及相應類別飛機的最壞著陸情景等參數，通過計算和比較得出分析的結論，如表2所示。

3 RTCA報告的結論分析及思考

3.1 結論分析

從上述的解讀中可總結出RA受5G網絡干擾的部分規律：

飛機RA系統的干擾門限值是通過試驗測量得出的，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系統接收到的地面回波功率逐漸減小，而系統對于干擾的敏感性逐漸升高，故干擾門限值在0～10000ft范圍內隨高度增加而減小。對于第1類飛機，在小于4.2GHz的頻率區間，5G無線網絡頻率越接近RA的工作頻率，RA的干擾門限值越小，干擾門限值包絡ITM值也越低。但對于第2類和第3類飛機，則沒有類似的規律。

5G網絡和設備的發射信號不僅在基礎發射頻段有干擾RA的可能，4.2～4.4GHz頻段的雜散發射也可能對RA產生干擾，干擾主要來自5G基站和機上5G設備，而地面移動5G設備不會產生干擾。

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

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論的困難：

干擾分析采用的是經驗值確定方法，即枚舉符合現實應用的盡可能全面的情景和參數，通過測試和計算分析出所需的結論。該方法要求，在明確分析5G網絡的頻率范圍、發射功率、發射增益以及飛機的RA系統安裝參數的同時，考慮基站天線的類別、安裝角度、各類飛機RA的應用高度范圍，適用的運行場景，飛機的高度、俯仰和滾轉角度范圍等，這些參數中，各地區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變量，且目前并無統一標準，部分數據還無法獲取，加之各地區有可能分時間、分頻段部署5G網絡，導致判斷RA系統在該地區是否有受5G干擾的風險的評估更加復雜。因此，截至目前尚無局方或廠家能夠對全球各地區是否都存在5G干擾情況給出明確結論。

3.2 國內5G網絡區域運行的定性思考

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，根據已知信息，仍可對“國內的5G網絡，是否存在對RA干擾的風險”做出有限的定性評估。

由于各航司均已有在飛機起飛、進近和著陸等關鍵飛行階段禁止開啟或使用移動電子設備的規定，且地面5G移動用戶分析結論為暫無干擾風險，故干擾評估可僅針對5G基站。

中國工信部于2019年給國內三大移動通信運營商分配了5G網絡頻率范圍許可：中國聯通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5G網絡的最大功率限制并沒有提及。

對于第1類飛機，在4.2GHz以下，依據5G頻率越接近4.2～4.4GHz，RA干擾門限值包絡ITM越低的規律，可推斷出除了中移動4.8～4.9GHz頻率范圍外，RA在國內5G網絡頻段的干擾門限值應高于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5G網絡的最大功率限制與美國相同，則飛機RA系統在國內5G網絡區域的運行風險理論上低于美國。此結論不適用于第2類和第3類飛機以及4.8～4.9GHz的5G網絡頻段。

參考表1所列RTCA分析的飛機/ RA組合構型，對照各機型安裝RA的個數，以及部件手冊中設備測量高度范圍等規范參數，可將國內航司機隊的波音和空客機型劃分在第1類飛機范圍，國產支線飛機ARJ-21劃分在第2類飛機范圍，則以上國內運行風險低于美國的結論適用于空客和波音機隊，不適用于ARJ-21飛機。

4 結束語

基于對現狀的分析，民航飛機RA存在受5G網絡干擾的風險，飛機的RA系統設計和運行操作標準必然需要做出改進。在改進措施發布和實施之前，航空公司為確保安全平穩的運行，應由運行標準、運行控制、機組和機務人員共同合作做出決策。

如今是科學技術、社會環境和應用需求不斷變化和發展的時代，頻率重復利用和多行業共同使用乃大勢所趨。在此大環境下，航空工業單獨行動無法對可能面臨的風險進行充分的評估和分析，因而其獨立提出的解決措施很可能不能適應復雜的應用環境。因此，對于公共資源的管理和使用，必須由各個國家、各個行業共同協商，維系資源的合理利用和公共安全。

參考文獻

[1] FAA AD 2021-23-12，[2021-12-9]，https：//www.faa.gov/regulations_ policies/airworthiness_directives/.

[2] Radio Altimeter-5G effects，[2022-1-25]，https：//w3.airbus.com/.

[3] RTCA Paper No. 274-20/ PMC-2073，[2020-10-7]，https：// myboeingfleet.boeing.com/.