Skip to Main Content

      

ANSYS BLOG

February 4, 2022

5G 和飛航安全Part 2:模擬高度計天線干擾

在上個月,航空飛行因美國聯邦航空管理局  (FAA) 於 1 月 18 日的一項裁決而中斷。該裁決禁止飛行員在美國 50 座機場中使用自動降落系統,因其 50 座機場皆坐落於兩家電信龍頭 Verizon 與 AT&T,正在建立的新 C 波段 5G 基地台的影響範圍中。 該項命令攸關這些基地台所提供的服務— —由這些基地台的無線電頻率 (RF) 所提供的新波段與飛機高度計系統所使用的無線電頻率相當靠近。 有關干擾問題的更多相關背景資料,請閱讀本部落格系列文章的 Part 1.

此電腦模擬顯示一架飛機,在 5G 訊號發出 C 波段無線頻譜的影響區域內降落。飛機下方的球體代表的是雷達高度計。 Ansys 身為模擬軟體的產業領導者,提供了此模擬結果。工程師使用 Ansys 軟體,針對這些的特殊場景進行建模,以便他們可以在開發或生產實體產品之前,可以發現並減少問題的產生。 這種建模還可協助針對 5G 發射器架設安全網,並於機場周圍的特定位置,或其他攸關公共安全的地點設置。 在電腦上調整系統,比在建設完成後再對硬體設施進行更新要便宜得多。

自從上一篇部落格文章發表後的這段期間,在產業中有以下兩個主要發展:

1.     美國聯邦航空總署(FAA) 與 Verizon 和 AT&T 兩家電信公司達成協議,將在 50 個低能見度的商務機場附近的基地台上,延遲啟動 C 波段服務長達六個月的時間。 根據 1 月 28 日發佈的 FAA 聲明,兩家電信公司提供了有關新的 5G 發射器的確切位置的相關資訊,以便 FAA 可以更詳細地研究潛在的干擾,並縮小電信公司可架設發射器的區域範圍。 截至目前,於50 座指定機場 2 英里範圍內的 C 波段基地台似乎仍處於靜置狀態,而AT&T 和 Verizon 尚未有明確規劃何時啟用它們。 Verizon 表示,這影響了機場附近大約共 500 座基地台,然而這不及他們部署新 C 波段系統總量的 10%。

2. FAA 一直在努力批准雷達高度計系統與有安裝它們的商務飛機,以允許這些飛機可以在受 5G C 波段影響的機場,進行低能見度的降落,但 FAA 仍需盡力與 5G 服務電信公司達成協議。 截至 1 月底,FAA 估計他們已經批准了大約 90% 的美國商務飛機,而多數飛機裝有的雷達高度計皆是已獲 FAA 批准的 20種雷達高度計。 然而,一些只能停泊小型飛機的小型機場仍持續被取消航班,因為這些小型飛機尚未獲得 FAA 的批准。

在上一篇部落格文章中,我暗示了這些問題可以透過模擬來解決。 在本文章中,我將以一個研究範例作為示範。

C 波段頻譜概述

我們先回顧一下無線電頻譜中C波段的頻譜狀況。

C-Band spectrum allocation showing the C-band 5G service channels (3.7-3.98 GHz) in proximity with the Aircraft Safety and Radar Systems band (4.0-4.4 GHz)

Figure 1 - C-Band spectrum allocation showing the C-band 5G service channels (3.7-3.98 GHz) in proximity with the Aircraft Safety and Radar Systems band (4.0-4.4 GHz)

5G 電信商購買了以下三個獨立 5G 頻道:

  • 3.7-3.8 GHz: 目前正在逐步進行中,為 C 波段基地台做準備。 該波段是關注的重點,因為現在就能使用該波段。
  • 3.8-3.9 GHz: 未來將增加 100 MHz 的頻譜,以進一步擴增容量。
  • 3.9-3.98 GHz: 在前兩個 100 MHz 頻譜完整部屬後,可能未來會再增加 80 MHz 的頻譜。

到目前為止,我們只考慮了與雷達高度計波段間隔最大的最低頻道。但在不遠的將來,5G 頻道可能會在兩個系統之間產生更多的潛在干擾。

更進一步檢視干擾分析

要確定干擾是否存在的傳統方法,就是打開相關無線電並測量其頻譜。 如要以傳統方式測試 5G C 波段對雷達高度計的干擾情況,我們就需開啟機場附近的基地台,透過無線電系統傳送龐大的數據流量,再安排使用特定雷達高度計系統的飛機飛越此區域,才能獲取大量的數據樣本。 進行實際測量的成本很高,原因有很多:

  • 每一次的飛行測試只能驗證單個雷達高度計,並且取決於天線與主機機身之間的互動,一趟測試所產生的結果可能只適用於一種飛機類型
  • 5G 和雷達高度計頻波內的其他訊號需要保持靜默狀態,以便測量時不會受到該地區其他訊號的影響而產生偏差
  • 在進行測試時,需要淨空空域中的其他飛機
  • 一次的測試結果只適用於單個 5G 基地台位置,也只適用於單個機場

這邊僅列出了導致實體量測成本高昂的部分因素。

如果使用的模擬軟體能提供足夠的準確度,就能以一種符合經濟效益且可重複使用的方法,針對雷達高度計、主機、C 波段 5G 基地台組件與參數、機場位置等等需綜合考量的部分,進行整體的測試與驗證。 讓我們實際透過模擬,來檢查與分析最糟的干擾情況。 在這個範例中,我們將使用 Ansys Electronics Desktop,其中包含用於對天線及其環境互動進行建模的 Ansys HFSS 模擬器,以及Ansys 電磁干擾模擬工具組 (EMIT),以針對無線電系統之間的潛在寬頻干擾進行建模。

干擾場景建模可以分為三個部分,如圖 2 所示。

The major components of RF interference modeling and simulation

Figure 2 – The major components of RF interference modeling and simulation

在此範例中,我們考量的是單方向— —從一個 5G 發射器到一個雷達高度計接收器。 就此分析的目的來看,我們並不會將重點放在另一個方向的干擾(從雷達高度計發射器到 5G 接收器),但仍可使用 Ansys EMIT進行另一個方向的干擾分析。

建立發射器模型

要建立5G 基地台模型,首先需要了解其寬頻電磁發射——包括 5G 頻道內外的發射。 由於信號調變,任何在頻率中攜帶訊號的發射器都會產生頻外發射,美國聯邦通信委員會 (FCC) 和國際電信聯盟 (ITU) ,對任何經許可(或未經許可的)的發射器發射的訊號設立了相關的監控規則。 發射器基本上都是固定於地面或基地台上,但天線有能力透過一種叫波束成型的過程,將其能量集中在某些固定的方向上。

在尋找潛在干擾的過程中,我們研究了最壞情況下產生的影響。在對發射機進行建模時,我們從最高峰的頻譜遮罩開始,它顯示了在任何時間在任何頻率上使用的最大功率。我們還可以捕捉諧波、互調產物、寬頻雜訊、窄頻雜訊等效應,但最好的方法之一是使用產業標準來實現最大的發射能量。國際電信聯盟 (ITU) 制定了這些標準,是為了確保人員和系統在無線電頻率的暴露下仍能保持安全。在檢查過程中,我們已經使用符合3GPP 規範的 16×16 陣列,以大規模的覆蓋 C 波段基地台的影響區域。 (如果您有興趣深入了解細節,可以前往此頁面)。在這邊我應該提醒一下,電信供應商所提供的設備,其寬頻雜訊可能超過我們在這邊使用的值,但在此模擬範例中,我們使用這些值,因為它們代表了已獲許可的發射器的最壞情況。 事實上,在航空無線電技術委員會 (RTCA) 與 FAA 進行的一項研究中,我們發現了其中有許多助於定義 5G 無線電發射遮罩的參數。

Figure 3 shows the 5G transmitter emission models used in our simulations, and we considered the currently available band at 3.7-3.8 GHz, in addition to the proposed future bands at 3.8-3.9 GHz and 3.9-3.98 GHz.

The wideband emissions mask specification for the 5G C-band transmitters. Current implements involve only the 100 MHz band from 3.7-3.8 GHz, but future spectrum has been purchased by telecom providers for the 100 MHz band at 3.8-3.9 GHz and the 80 MHz band from 3.9-3.98 GHz.

Figure 3 – The wideband emissions mask specification for the 5G C-band transmitters. Current implements involve only the 100 MHz band from 3.7-3.8 GHz, but future spectrum has been purchased by telecom providers for the 100 MHz band at 3.8-3.9 GHz and the 80 MHz band from 3.9-3.98 GHz.

建立接收器模型

雷達高度計接收器也具有寬頻性能的特徵。 雖然是被設計於 4.2-4.4 GHz 頻波中運行,但如果其它無線電在該頻波內發射足夠強的無線電波,它的效能可能會受影響而下降。 此外,它可能容易受到該頻波以外的無線電波的影響。 無線電系統設計人員通常以稱為「耐受性」的指標來衡量寬頻接收器的性能,該指標通常用來衡量接收器在任何頻率下對無線電訊號的抑制能力。 在其工作頻波內,接收器非常敏感,因此它的耐受性非常低。 在其工作頻道之外,它被設計對輸入訊號不敏感,因此它在帶外頻率下的耐受性非常高。

在設計接收器的過程中,其中一個特殊的挑戰是平衡波段內外或頻道內外的耐受性。 接收器可能對其頻波內的訊號非常敏感,但這種高敏感性的結果可能會導致訊號超載,因為該訊號非常強,以至於它破壞了接收器拒絕它的能力。這種情況,我們稱之為「飽和狀態」。

由於接收器可能會受附近較強的輸出源影響,而產生飽和狀態。因此任何好的干擾模擬分析,都需要考慮到接收器對頻道內和外的訊號靈敏度與飽和特性。

在研究雷達高度計效能模型時,我們發現效能表現的差異性很大。 我們可以說目前的商務客機都已經在使用最好的高度計系統,而這也同樣實現在已獲許可在低能見度條件下於指定機場降落的飛機類型上。 在我們為此目的開發模型的過程中,我們尋找了一個「中間道路」系統,來表示雷達高度計的耐受性。

為了製定我們的模型,我們在 RTCA 的研究中找到了一個非常有用的資源,使我們可以選擇具有良好寬頻特性(以產生最佳高度測量分辨率)以及相對較理想,兼具 -10 dBm 接收飽和水平的高度計。 這意味著雷達應具有一定的性能,以拒絕超出其預期工作頻率的訊號。 圖 4 顯示了用於此干擾研究,所建立的接收器耐受性模型,且使用了 RTCA 研究中列出的參數。

Receiver susceptibility of a candidate Radar Altimeter operating at center frequency of 4.3 GHz. Most high-resolution aviation altimeters use 170 MHz of spectrum for measuring range from aircraft to ground.

Figure 4 - Receiver susceptibility of a candidate radar altimeter operating at center frequency of 4.3 GHz. Most high-resolution aviation altimeters use 170 MHz of spectrum for measuring range from aircraft to ground.

天線間的耦合

要精準地進行模擬干擾分析,首先必須具備一個準確模型,該模型需耦合來自發射器與接收器的功率——並且跨越整個頻波。 這對於頻道內耦合和頻外發射耦合都相當重要。 由於天線之間的距離與雷達高度計天線會持續地運動,這使進行天線耦合的測量備受挑戰。

圖 2 的無線頻道涵蓋了一個可在特定方向上聚焦功率的 5G 發射天線,與一個具備方向性靈敏的雷達高度計天線,以及訊號在兩個天線之間傳播時的傳播效率與損耗。為了獲得準確的天線效能數據,Ansys HFSS 可用於透過電磁模擬,準確地預測天線行為並捕捉波束成型的效能,以及天線主機平台在相互作用一下對天線效能的影響。 圖 5 顯示了由 HFSS 和 HFSS SBR+ 模擬的客機機身下,一個概念性的雙頻 5G 天線元件與雷達高度計天線設計。

Ansys HFSS models use electromagnetic physics to simulate the antenna radiation characteristics for a notional 5G radio antenna (left) and an installed radar altimeter antenna on a large commercial aircraft

Figure 5 – Ansys HFSS models use electromagnetic physics to simulate the antenna radiation characteristics for a notional 5G radio antenna (left) and an installed radar altimeter antenna on a large commercial aircraft

從圖中可以看出,天線可以將能量導向指定的方向。 因此,5G天線的波束轉向控制非常重要,飛機在著陸和起飛過程中的位置和方向也很重要。 如果飛機在飛行的過程中因亂流或其他氣候影響而造成機身滾動,則天線的敏感區域也將隨之滾動。

最後,我們必須確定天線之間的連接是否完整,我們可以使用標準傳播損耗公式或使用電磁分析解決方案(如 HFSS SBR+)來計算。 基於此研究目的,我們將使用傳播損耗模型作為範例。 如果需要,Ansys EMIT 還可以分析水蒸氣、雨水、降雨率和訊號衰減的影響。 因為這些影響只會導致額外的損耗,所以我們暫時將它們排除在外。

使用 EMIT,可以在所有頻率下模擬天線的特性和天線間的無線傳播,如於圖 2 所示的鍊計算。

干擾分析的綜合評估

我們想一項進行測試,看看雷達高度計是否會因為機場附近的 5G 發射器而受到頻內或頻外干擾。 這涉及使用系統之間最壞情況耦合的分析,以及 5G 發射器與雷達高度計接收器的理想設計。 我們需要更多細節來完善這個場景。

Distance from 5G base station to airport runway approach 400 m
Height of 5G base station 40 m
Base station antenna gain 22 dBi (pointed at aircraft)
Radar altimeter antenna gain 11 dBi (aircraft rolling, pointing at 5G base station)
Aircraft altitude 100 m

以上設定值代表了最壞的情況— —高功率的基地台將波束聚焦在要降落的飛機上,該飛機正在滾動,以將雷達高度計輻射圖的最高峰放置在基地台上。 儘管此設定相當極端,但在制定標準或研究輻射塔的關鍵禁區時,這是必須進行的分析。 此分析中的任何參數都可以隨時更改,以快速評估並找到緩解干擾的策略。

讓我們來看看在 3.7-3.8 GHz 的 100 MHz 波段中,首次推出 C 波段服務的結果。 圖 6 顯示了我們的調查結果。 黑色曲線讓我們了解接收器中的狀況,並測量每個頻率的發射功率與接收器拒絕該能量的能力(接收器耐受性)之間的差異。 如果該值高於零(紅線),就會發生干擾,因為接收器無法拒絕該頻率的能量。 我們還可以設置臨界值來觀察接近干擾的頻率。 圖表顯示,5G 發射器的頻外發射,在雷達高度計的接收波段內產生了強烈的干擾潛力(在我們的環境條件之下)。 5G 發射器的頻內輻射(3.7-3.8 GHz)與接收器的臨界值相當接近,但並沒有達到接收器的飽和狀態,因此不會造成干擾。

EMI margin analysis for the current C-Band service implementation for our sample scenario. The out-of-band emissions from the 5G base station causes in-band interference to the radar altimeter antenna in regions where the black curve exceeds the red line. 5G emissions will need to be reduced by at least 15.3 dB to mitigate the interference.

Figure 6 – Elecromagnetic interference margin analysis for the current C-Band service implementation for our sample scenario. The out-of-band emissions from the 5G base station causes in-band interference to the radar altimeter antenna in regions where the black curve exceeds the red line. 5G emissions will need to be reduced by at least 15.3 dB to mitigate the interference.

電信公司在這三個頻道上花費了大量資金成本,最終將希望在目前已使用的波段之外,在另外兩個波段(包含的額外 180 MHz) 上也啟用服務。 在我們模擬的最壞情況下,如果將來針對此雷達高度計啟用這些波段會發生什麼事?

圖 7中顯示了我們在下一個 100 MHz 波段啟動時(3.8-3.9 GHz)會面臨相同的問題。 然而,右圖顯示,如果最後一個 80 MHz 波段(3.9-3.98 GHz)也被啟動,那就會再出現一個新問題。 干擾似乎是由於 5G 發射遮罩將更高的功率,輸出至高度計接收器上具低拒絕頻譜能力的部分,並且此處產生強烈的干擾,使我們需要減少額外 25 dB 的 5G 訊號,以確保兩個頻道能共存。

EMI margin analysis for the future C-Band channels (3.8-3.9 GHz on left, and 3.9-3.98 GHz on right) for our sample scenario. The out-of-band emissions from the 5G base station causes in-band interference to the radar altimeter antenna in regions where the black curve exceeds the red line. In-band interference potential is shown for the 3.8-3.9 GHz channel, whereas very strong out-of-band interference in the Radar Altimeter receiver is expected to cause receiver saturation from the 3.9-3.98 GHz channel.

Figure 7 – Electromagnetic interference margin analysis for the future C-Band channels (3.8-3.9 GHz on left, and 3.9-3.98 GHz on right) for our sample scenario. The out-of-band emissions from the 5G base station causes in-band interference to the radar altimeter antenna in regions where the black curve exceeds the red line. In-band interference potential is shown for the 3.8-3.9 GHz channel, whereas very strong out-of-band interference in the radar altimeter receiver is expected to cause receiver saturation from the 3.9-3.98 GHz channel.

如何解決 5G C 波段影響飛航的問題

儘管這是個極端情況的模擬,但它仍然說明了透過模擬,可以非常快速且詳細地檢查這些變異情況。我們可以在模擬工作中針對多種策略進行測試。 某些策略可能包括以下一種或多種方法:

  1. 將5G基地台建立在遠離機場的位置,設立一個「禁入區域」。 這是電信公司在未來六個月內與 FAA 合作下,雙方協議使用的策略,而他們也同步將繼續研究找尋其它解決辦法。
  2. 限制5G基地台天線波束指向的角度,降低其發射的有效功率,並避開機場附近的航路。
  3. 降低 5G 基地台的總發射功率。
  4. 增加雷達高度計接收器的選擇性與飽和度,要求針對未達性能要求的現有高度計進行調整或更換。.
  5. 在 5G 發射元件的輸出端加入低通或帶通濾波器。

Ansys EMIT 可用於快速評估這些緩解問題的策略,且無須進行任何實機飛行。 例如,如果我們為 5G 發射元件添加一個低通濾波器(我們可以使用 Ansys Nuhertz Filter Solutions 軟體輕鬆設計與合成),我們可以在雷達高度計上研究濾波器對減少 5G 系統頻外發射所產生的影響。 透過在 EMIT 的 5G 發射器鏈中,添加低通濾波器(1 dB 的貧內損耗,4 GHz 以上的 40 dB 抑制),我們看到了立竿見影的效果——我們成功地消除了干擾。 圖 8 中的濾波器就位後的 EMI 裕量圖,顯示了在任何頻率發生干擾之前,我們仍保有 5.2 dB 的運用空間

Adding a low-pass filter to the 5G Base Station transmitting elements has eliminated interference for the use of the 3.7-3.8 GHz 5G channel on the radar altimeter.

Figure 8 – Adding a low-pass filter to the 5G base station transmitting elements has eliminated interference for the use of the 3.7-3.8 GHz 5G channel on the radar altimeter.

您可能想知道我們是否使用模擬來針對指定機場的特定 5G 基地台安裝,以檢查(和驗證)其雷達高度計。 干擾是一種動態的現象,會隨著飛機降落或起飛的情況隨時變化。 在我們的下一篇部落格文章中,我們將把這種干擾建模機器與我們的 Ansys AGI STK 飛行模擬功能連接起來,並模擬飛機在降落或起飛時,考慮飛機的動態運動、位置和方向之下,干擾將以什麼樣貌呈現。

前往 Ansys HFSS 網頁航空電子設備頁面查看更多資訊。

查看 Ansys 的服務與產品

立即聯絡我們

* = 必填欄位

感謝您聯絡我們!

We’re here to answer your questions and look forward to speaking with you. A member of our Ansys sales team will contact you shortly.

Footer Image