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ANSYS BLOG

March 10, 2022

5G 與飛航安全 Part 3: 如何透過模擬驗證干擾情境

新的 5G C 波段服務現已在美國啟動並運作中,而使用者終於開始看到5G 所帶來的改變與好處。 新的 C 波段服務主要在 3 和 4 GHz 之間的頻譜分配中,提供更寬的頻道分配,以提供更高的數據傳輸量,以及這個頻率的訊號可以比毫米波段傳播得更遠。 AT&T 和 Verizon的使用者反應其下載速度從每秒 400 Mbps增加到高達 800 Mbps 不等,這比 4G LTE 系統的速度快了近 10 倍。

然而,目前您無法在任何機場獲得這種更快的網路服務——至少現在還無法。 美國聯邦航空管理局 (FAA) 與電信公司達成了為期六個月的協議,在受影響的機場附近關閉 C 波段發射器。 在此期間,FAA 將陸續檢查商務飛機中使用的雷達高度計系統,並持續進行其認證,且進一步針對附近的 5G C 波段基地台進行研究,探討可能需要採取的其他限制。

Verizon coverage map

Verizon 4G/5G coverage map around the New York City airports, dated Feb. 24, 2022. The lighter colors around the airport indicate that lower-frequency 5G service is available within the region, but not the new Ultra Wideband (C-band) service. Source: Mapbox.

這六個月的中斷影響了全國約 500 座基地台,大約 87 個機場。 截至 2 月 25 日,根據目前 FAA與電信公司之間的協議,估計 90% 的商務航空公司飛機已獲准降落,因為它們使用的雷達高度計能夠應對 3.7-3.98 GHz 機場區域外 C 波段 5G 基地台的干擾波。在某些機場,獲准起飛與降落的飛機會因使用跑道而有所不同,這給航空公司與機場管理部在飛機調度上帶來了挑戰。 例如,在芝加哥的中途國際機場,只有一條跑道可以提供任何機型起飛與降落,而其他四條跑道則只能開放給 81% 到 95% 的機型。

Verizon 和 AT&T預計在今年7 月 將為 C 波段基地台升級,以在更靠近(可能包括)機場的區域提供更好的 5G 服務。 在此期間,電信公司與 FAA 可能已經協商並確定了這些新 C 波段 5G 基地台可接受的運行參數。 此外FAA 也將預計在這段期間內,完成測試目前在整個航空業使用的雷達高度計與其附近的 5G 基地台之間的互動與影響。

透過模擬驗證干擾情境

我們必須考慮許多變量來測試和驗證(且減輕)任何可能發生於機場的潛在干擾。 以目前的情況來看機場的每條跑道,都需要針對起飛與降落航線 2 英里範圍內的 5G C 波段基地台進行測試。 一些關鍵變因可能包含以下:

機場附近的每個 C 波段 5G 天線系統的位置(包括涉及多個基地台的情況)。

  • C 波段 5G 天線系統中使用的功率電平與天線類型。
  • C 波段天線系統(如果是 mu-MIMO 系統)的波束指向能力。
  • 飛機在起飛或降落時可能遇到的不同飛行路徑、下滑坡度以及橫滾、俯仰和偏航角的情況。
  • 取消降落重飛的情況下,預期飛機飛行的路徑與參數(通常會以更高的高度重新降落)。
  • 飛機上雷達高度計天線系統的類型及安裝位置。.

在判定干擾的最壞情況,我們應考慮飛機的飛行路徑與飛機動力學的變化。 這些動力變化可能包括飛機在降落時因陣風或亂流而滾動,這可能會因此造成飛機雷達高度計天線旋轉,而轉面相地面上附近的 5G C 波段基地台。

透過實機飛行以研究這些案例的成本非常高,並且需要在測試期間控制空域和機場周圍的電磁頻譜。對上面列出的每個變量重複這些實驗是不切實際的。 但是透過建模和模擬分析,我們可以以虛擬、自動化的方式研究這些場景篩選出可能需要實機飛行測試的場景,以進行最終的驗證。

透過建模和模擬分析,我們可以針對給定半徑內的任何 C 波段 5G 基地台,並在任何飛機上、任何機場跑道上研究任何類型的雷達高度計。 基於模型的高準確度,所有的操作都可以由任何人在任何地點,在電腦上完成,而且不需要花時間進行任何實機飛行,也不會影響機場營運。 使用模擬,我們可以:

  • 開發、研究或修改現有或計劃使用的雷達高度計系統
  • 開發、研究或修改5G C波段基地台的效能參數
  • 檢視可能存在多個 5G C 波段基地台的位置
  • 檢查與飛機與起飛、降落動力學(或是滾轉/俯仰)有關的極端狀況,這可能會導致天線互相指向彼此的高增益區域
  • 檢查並研究出針對功率、波束轉向、有效等向幅射功率 (EIRP) 與修正機場周圍 5G 基地台禁區的合理限制
  • 為直升機、私人飛機、送貨無人機等提供飛行計劃的相關指引

相鄰的 C 波段 5G 頻譜服務與 RADALT 系統之間的干擾是可預測和且可解決的。 基於模型的高準確度,監管機構、飛機設備製造商以及電信公司,都應該可以使用模擬來檢查和制訂相關指引,以確保各方都可以和諧地共存,並且確保乘客在各種環境與場景條件下的安全。 此外,模擬可以大大減少 RADALT 設備認證所需的最終實機飛行測試——使認證和合規管理能夠跟上 5G 和 6G 通訊系統的發展。

模擬飛機進入機場航道時的干擾

上一篇部落格文章中,我們說明了如何針對 5G C 波段無線電系統的實際發射模型、雷達高度計接收器的耐受性、飛機上的雷達高度計天線以及 C 波段相控陣雷達的物理性模型,進行干擾分析模擬。使用最極端的情況進行分析— —我們假設 5G C 波段基地台只距離航線 400m,飛機在 100m 高度,並且每個天線都面向另一個天線,以最大增益指向彼此。這可以顯示設備與飛行軌跡組合的最壞干擾情況,但它並沒有告訴我們可能發生嚴重干擾的時間點。在這些設定下,我們假設我們有能力提前預測這種最壞的干擾情況發生在哪裡。在不同的機場和跑道, 5G 基地台的位置和天線系統類型可能有所不同,並且在降落或取消降落重飛的情況可能會產生不同的降落動力學。我們也需考量5G 基地台附近的局部散射,尤其在起飛或降落的關鍵時刻,可能存在大型建築物或飛行航線的視線受阻擋。

為了更好地了解在起飛、降落或重飛的過程中可能發生的干擾情況,我們需要模擬在飛行過程的完整場景。 這將需要在指定跑道的精確虛擬環境中,針對飛行的動力學進行模擬干擾分析。

在這個案例中,我們已經為華盛頓西雅圖金鎮國際機場附近的降落場景建立了這樣的模擬情境。 下圖顯示了在  Ansys Systems Tool Kit (STK) 軟體中設置的降落場景。 圖中顯示了一種概念上的遠程廣體飛機,其天線輻射圖用於表示飛機上的雷達高度計系統。 飛機降落時的軌跡由南偏東南方向的藍線表示,其中包括降落後在跑道上的滑行距離。在航路正下方有一個5G C波段基地台天線系統的標示,安裝高度為9.5m,低於附近建築物的高度。 STK的場景中包含了當地的地形,你甚至可以看到遠處的雷尼爾山。

king Country airport

Landing approach scenario in STK for an aircraft at King County International Airport in Seattle, WA. Simulated approach includes time-indexed flight dynamics, including aircraft pitch and roll effects on radar altimeter antenna pointing.

如下圖所示,在這種場景設定下,飛機將非常接近 5G C 波段基地台,但我們可以自由地將我們的基地台天線的位置移動到任何我們想要的地方,從而快速地重新評估場景。

STK simulation shows landing geometry as aircraft passes close to the 5G C-band base station in the scenario

STK simulation shows landing geometry as aircraft passes close to the 5G C-band base station in the scenario. Projection of the radar altimeter gain contours can be seen on the ground beneath the aircraft.

此模擬中使用的無線電與我們部落格文章 Part 2中定義的無線電相同,但值得注意的是我們的雷達高度計接收器的頻外飽和功率電平為 -30 dBm。 另外需要注意的是,這並不反映安裝在特定飛機上的實際雷達高度計系統,而只是根據2020 年 10 月向 FAA 提交的 RTCA 報告中提供的雷達高度計系統,所建立的概念性系統設計。

利用物理學捕捉的天線間耦合

值得一提的是,該模擬是使用高準確度的物理模擬來計算場景中天線與天線間的耦合。 回想一下,每個天線輻射圖都以 Ansys HFSS和 HFSS SBR+ 的電磁模擬為基礎,以捕捉已安裝的雷達高度計天線效應,並為 5G C 波段相控陣天線提供精準的輻射方向圖。

我們在這個範例中,將天線設置成更大散射環境的模型,裡面包含了機場周圍的基地台、建築物和大型散射結構,天線與天線間的耦合皆透過 HFSS SBR+ 展示。 透過這種解決方案,附近建築物的潛在遮蔽效應與多路徑反射,都將被包含在從 C 波段 5G 基地台到雷達高度計天線的物理路徑耦合之中。 我們還利用計算 S 參數耦合數據,以針對單個頻率,或在任何相關的波段上採樣大量的頻率數據。

針對當前和未來 5G C 波段頻道進行干擾分析

下方的模擬影片展示了完整的降落場景。在附圖中,說明了電磁干擾 (EMI) 裕度。 EMI 裕量代表了雷達高度計接收器前端上的干擾發射器頻譜功率,但省去了接收器抑制該功率的能力。 當 EMI 裕度(黑色曲線)上升到紅線以上時,就代表存在干擾的可能性,或是代表了接收器已達飽和(受高強度的頻外訊號影響)或呈現低敏狀態(受高強度的頻內訊號影響)。 此外,EMI 裕量圖採用顏色編碼,以即時顯示任何干擾情況。 綠色表示波段中的無任何干擾發生,藍色和黃色表示 EMI 裕量已超過臨界值,且將可能發生干擾,紅色表示干擾正在發生。 以下顯示5G C 頻段系統,在當前 3.7-3.8 GHz 波段運行的模擬畫面:

我們可以看到,當飛機經過 5G C 波段基地台時,會出現強烈的干擾。 雷達高度計在其運作頻道(以 4.2 GHz 為中心)內記錄了干擾的情況,並且接收器也受雷達高度計運行波段之外的高強度 5G 訊號影響而達到飽和狀態。

在先前發佈的文章中,我們概述了最終將推出的三個 5G C 波段。 目前由 AT&T 和 Verizon推動的是從 3.7 到 3.8 GHz 的 100 MHz 波段。 這部分與雷達高度計的波段距離最遠,緩衝頻譜為 420 MHz。 至於電信公司已經購買的另外兩個波段將如何處置,以及未來將使用哪兩個波段以進一步加速 5G C 波段,這一切都還是未知數。

 當電信公司使用從 3.9 到 3.98 GHz 的 80 MHz 波段時,我們可以在模擬軟體中輕鬆更改 5G C 波段發射器的設定值,以考慮潛在的干擾。 因為發射器更接近雷達測高度計的波段,我們可以預測對雷達測高度計的潛在干擾會增加,而在 STK 中重新模擬的情況也確實如此:

頻譜是一種寶貴的資源,隨著新的通訊與感應器系統的使用,頻譜擁擠仍然是一個挑戰。 基於模型的高準確度,模擬提供了一種節省成本與時間的方法— —可以在任何跑道位置,對任何飛機的潛在干擾場進行遮蔽測試和驗證。 場景可以不侷限於機場附近的 5G 基地台,只要使用 AGI STK 和 Ansys Electronics Desktop  等工具,我們就可以檢視任何無線系組合可能存在的潛在干擾因素。 這對於直升機的低空飛行計劃、城市中的空中運輸與無人機送貨系統等,可能帶來關鍵性的突破。

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