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January 25, 2022
5G 和飛航安全：模擬如何協助確保乘客安全
1 月 18 日星期二，許多電信公司推出了新的無線電接入網絡 (RAN) 元件，該元件在令人夢寐以求的 5G 中頻（也稱為 C-Band）中運行。他們於 2020 年 12 月以 690 億美元從 FCC 購買了該全國範圍內的頻譜的使用權，以獲得高達 280 MHz 的組合頻寬。此頻寬提供比當前 4G LTE 服務更快的上傳和下載速度，其頻率比新興的 5G 毫米波段，具備更好的範圍覆蓋和抗障礙物阻擋性能。
該頻譜的銷售在美國聯邦航空局、商業航空業和國防部內部引發了重大問題，他們對於飛機的雷達高度計系統，可能受到影響而造成危險表示強烈擔憂。最後在週二，美國聯邦航空局宣布了一項立即裁決，飛行員在新的 5G 訊號可能干擾雷達高度計系統的情況下，禁止使用自動降落（以及其他在低空中使用的飛行系統）。這項裁決立即引發了整個航空業的巨大反應，甚至蔓延至證券市場。
這項裁決導致大型的國際航空公司紛紛取消飛往美國的航班。此外，美國聯邦航空局也強調擔心，將有 50 個機場的幾條國內航線被取消或面臨取消的危險。美國聯邦航空局突如其來的行動所造成的後果影響甚廣——造成全球航空旅行的困難性、導致飛機製造商的股票大跌，並促使航空電子設備製造商開始測試和認證他們的設備以防禦新的頻譜威脅。
目前全世界有數千架飛機正在接受嚴密的審查——從大型商用客機到私人飛機，甚至是直升機。過去和近幾代的雷達高度計的設計，從未需要考量預測和抑制相鄰訊號的功能。雷達高度計開發商和使用他們設備的飛機製造商現在必須檢查、測試他們的設計，以評估飛機在 5G 基地台附近起飛或降落時的性能。接著於 1 月 20 日星期三，美國聯邦航空局宣布批准「估計有 78% 的美國民航機隊，將在電信公司釋放 C 波段訊號的機場進行低能見度降落」。這份清單涵蓋了大多數大型飛機以及一些區域性飛機。
假如當初就使用電磁模擬軟體，即可以避免所有這些事件發生。
危機之路
我們是怎麼走到這一步的？無線電頻率 (RF) 系統廣泛應用於整個飛機平台設備，以執行各種任務，也通常是自動駕駛儀器和儀表降落系統 (ILS) 的關鍵組件。於 3700-4400 MHz 間的 RF 波段，先前曾被指定用於固定點服務和地面衛星服務。[JL1] [FP2] 運作於該部分頻段的通訊設備通常具有非常低能量的無線電發射；或 uplink上鏈點[JL3] 在地理位置上一般都遠離機場位置。雷達高度計的使用在 4200-4400 MHz 波段內得到國際認可和保護。在 2020 年 3 月，美國聯邦通訊委員會 (FCC) 決定重新分配波段，將 3700-3980 MHz 的 280 MHz 頻率專用於支援電信行業對額外波段的需求。在波段重新分配之下，留下了一個 20 MHz 的保護波段（從 3980 MHz 到 4000 MHz）以及用於飛機安全和雷達系統的頻譜平衡（4000-4400 MHz）。美國聯邦通訊委員會 (FCC) 在次年 12 月售出了電信頻譜。
雷達高度計系統通常在 4200-4400 MHz 之間運作，。既然他們不與電信公司使用相同的波段，那問題是出在哪裡呢？原來雷達高度計系統對任何訊號干擾非常敏感，即使來自頻外的訊號源。如果發生干擾，雷達高度計可能會顯示錯誤的離地距離讀數。此外，這些系統與自動降落和起飛系統相結合，可以導致飛行控制快速地減少或增加機推力、減少機翼、釋放起落架或採取其他可能導致飛機失速並危及乘客安全的自動安全措施。
在 1 月 19 日星期三，拜登政府和美國聯邦航空局已與電信公司達成初步協議，將延遲啟用已被認定機場附近的新基站，同時與聯邦監管機構合作解決有關新 5G 服務可能干擾飛航安全的爭議。
這項爭議將如何被解決？其中有兩個部份需要被調查和解決：
1. 來自 5G 系統的波道內無線電輻射以及需要在雷達高度計接收器處抑制這些訊號
2. 落在雷達高度計工作波段內的頻外 5G 訊號發射器的能量輻射
這些調查的結果可能導致最終需要對其中一個或兩個系統進行所費不貲的修改。
Ansys Electromagnetic Interference Toolkit (EMIT) identifies EMI conditions and potential conflicts at the RF system level, providing a top-level interference potential overview between all radios under consideration.
Simulated interference violations can be examined in detail to understand root causes and explore interference mitigation options.
模擬軟體將如何提供協助
當 Ansys EMIT 等模擬工具，早已可以預測這些干擾效應並提供指引以降低干擾，然而這個問題仍然存在，這實在有點令人驚訝。對於棘手的干擾問題，Ansys EMIT 工具組是 Ansys Electronics Desktop 不可或缺的一部分，也是 Ansys HFSS 產品組合的一部分。其技術為超寬頻發射器的釋放與其接收器特性進行全面的評估。
頻內與頻外的影響皆被納入考量。除了發射器和接收器之外，還必須考慮天線系統、考慮飛機的方向和位置以及 5G 天線系統的波束形成和波束控制特性。Ansys HFSS 已是天線系統的物理特性、安裝效果和耦合建模的產業指標，甚至是長距離地面和地形反射。
請繼續關注我們的部落格，以更仔細的研究 5G 與飛機安全系統中使用的雷達高度計的潛在衝突。前往 Ansys HFSS 和航空電子設備頁面了解更多相關訊息。