导言
2020年3月初，美国联邦通信委员会（FCC）在美国开放了280 MHz的中频段频谱供灵活使用，以满足部署5G无线服务对空闲频谱的迫切需求[1]。中频段频谱的另一部分（4.2 GHz至4.4 GHz）则预留给全球飞机上运行的雷达高度计使用。 雷达高度计对导航至关重要，特别是在能见度较低的仪表着陆系统（ILS）进近至机场跑道期间，且其相对容易受到干扰。通过将3.7至3.98 GHz频段释放用于灵活使用，FCC确保了未来5G发射与雷达高度计频谱之间将存在220 MHz的保护带。 尽管FCC曾认定220 MHz的保护带足以缓解5G对雷达高度表的干扰，但航空无线电技术委员会（RTCA, Inc.）基于目前民用飞机上部署的典型雷达高度表实测数据所进行的一项研究 [1]，该研究得出的结论是：“结果揭示了重大风险，即3.7–3.98 GHz频段内的5G电信系统将对所有类型的民用飞机上的雷达高度表造成有害干扰”[2]。 尽管无线通信行业以及在频谱拍卖中胜出的公司（AT&T和Verizon）对RTCA研究中的某些方法和结论提出了异议[3, 4]， 但所有相关方于2022年1月初达成协议，决定在美国50个指定机场周边的缓冲区内（见图1）暂时限制和/或降低5G基站的发射功率，以便为解决雷达高度表设备存在的未决问题争取时间[5, 6]。
图1. 截至2022年7月5日，美国各机场周边实施的5G辐射限制区。
这些限制措施原定于2022年7月5日结束。然而，正如美国交通部长皮特·布蒂吉格在2022年4月下旬向参议院拨款委员会所言，对全美机队进行雷达高度表的改装/更换[7]这一长期技术解决方案，“今年夏天之前无法完全解决”[8, 9]。
1 航空航天飞行器系统研究所（AVSI）向RTCA提供了具有代表性的雷达高度计模型的实测数据。
2022年6月17日，美国联邦航空管理局（FAA）宣布，威瑞森（Verizon）和AT&T已自愿同意将部分C频段5G的使用推迟至2023年7月，以便完成飞机的改装工作[10]。 尽管如此，威瑞森指出，该协议将使无线运营商能够“在未来数月内分阶段解除我们在机场周边5G网络部署的自愿限制”[11]。 因此，在未来数月内，有必要针对美国各机场周边的具体情况，准确评估5G对传统雷达高度表的干扰程度是否会对进近着陆构成风险，以便在确保安全的同时，开启原受限区域内的5G基站。
研究说明
5G基频和/或杂散发射对雷达高度计的干扰
5G发射与雷达高度计之间的干扰可能通过以下两种方式之一发生（见图3）。 (1) 5G基频发射（在3.7–3.98 GHz频段内）可能穿透高度计接收机中的通带滤波器（图3中的绿色虚线），导致前端放大器饱和。 (2) 落在4.2–4.4 GHz频段内的5G杂散发射可能直接导致高度表读数错误或无法返回读数。由于雷达高度表常用于低能见度条件下的仪表着陆，此类干扰可能造成灾难性后果。
图3. 中频段频谱分配及对5G雷达高度计的潜在干扰。
由AVSI确定的抗干扰容限掩码
为了评估雷达高度表接收功率达到何种水平会构成潜在危险，RTCA的研究采用了AVSI提供的干扰容限掩膜（ITMs），这些掩膜基于经验数据和场景假设来构建测试环境。ITMs旨在确定一个以功率谱密度（PSD）为单位、在雷达高度表接收机处测得的干扰阈值，当5G发射的干扰超过该阈值时，便会构成危险。 随着飞机接近地面，返回至高度计的信号强度增强，干扰阈值水平也相应提高。因此，干扰容限掩膜既是高度的函数，也是频率的函数。
正如 RTCA 报告 [2] 所述，ITMs 基于对五家不同制造商的九种雷达高度计型号的实测数据，同时也基于理论计算和环境假设来设定这些测试所用的参数。 测试设置中纳入的假设包括：地形反射特性的最坏情况估计；飞机可能处于陡峭侧滑状态，从而降低高度表天线的操作增益；以及同一架飞机上可能存在其他雷达高度表，或跑道上滑行的飞机可能在雷达高度表频段内产生干扰。 基于这些估算值，针对给定的测试高度，在将信号送回高度表输入端口之前，会对特定雷达高度表型号输出端口生成的信号应用适当的衰减系数、相位延迟和背景干扰水平。 然后，可以通过施加振幅逐渐增大的额外干扰信号（频率为 5G 基本工作频率或雷达高度计频段中心频率）来确定给定高度计的干扰容限阈值，直到开始报告错误的高度计读数为止。 该流程使 AVSI 能够对这九种高度计型号进行“黑盒”测试，从而无需深入了解特定高度计的内部工作原理（例如前端通带滤波器的设计）。 AVSI 报告的作为高度函数且针对特定频率（3.85 GHz 或 4.3 GHz——分别位于 5G 或雷达高度计频段中心）的干扰容限掩码，是针对所测试的九款高度计测得的最坏情况（即最低）阈值。 尽管AT&T和Verizon以及更广泛的无线通信行业曾批评生成这些ITM所采用的某些假设过于保守[3, 4]，但我们仍采用这些ITM，以便与本研究重点关注的RTCA结果进行直接比较。
5G基站天线对本频和杂散发射的增益图
无线通信行业的专家向RTCA研究工作组指出，参考文献[13]中所述的有源天线系统（AAS）相控阵技术极有可能被应用于未来的5G基站，以充分利用高增益、动态可转向波束及空间复用技术所能带来的容量提升。这些行业专家还向工作组提供了关于AAS基站的具体特性，这些基站预计将部署在各种环境中。
在针对ILS进近着陆场景的研究中，假设使用了一款适用于城市环境的AAS相控阵天线。在此情况下，该AAS由16×16矩形天线单元阵列组成，其水平间距为0.5λ，垂直间距为0.7λ，其中λ为5G基频发射的波长（例如，对应于3.85 GHz）。 关于单元增益分布的数学公式见参考文献[13]。本研究采用的参数规定：单元增益为6.4 dBi，单元水平3 dB波束宽度为90度，单元垂直3 dB波束宽度为65度，前后向增益比为30 dB。 采用16×16矩形单元阵列所获得的增益图，由参考文献[14]中给出的均匀矩形阵列增益因子的标准表达式给出，该表达式在参考文献[13]中予以重述。 当阵列以正前方发射且电子仰角/俯角为0°时，阵列最大增益系数可达24.08 dBi。结合单元增益，这使得相控阵天线的总增益达到30.5 dBi。
假设每个天线单元的最大传导功率为 25 dBm，则 256 单元阵列的总输出功率为 49.1 dBm。结合相控阵天线的峰值增益，最大等效全向辐射功率 (EIRP) 为 79.6 dBm。 假设该功率在100 MHz的下行链路带宽内均匀分布，则EIRP的峰值输出功率谱密度（PSD）为59.6 dBm/MHz。 这符合美国联邦通信委员会（FCC）命令规定的 3.7–3.98 GHz 频段内最大允许等效全向辐射功率（EIRP）标准，且略低于该标准。该命令规定，在非农村环境中，许可频段内辐射发射的最大功率谱密度（PSD）为 62 dBm/MHz [1]。 此外，针对下文所述的ILS着陆进近场景的仿真，功率进一步降低了3dB，以反映基站下行通信估计的50%活动因子。上文所述的AAS阵列参数汇总于表1中。
表 1. 16×16 AAS 天线阵列的 5G 基站特性
假设该相控阵天线可在垂直方向进行电子扫描，扫描范围从相对于侧向发射阵列瞄准线的20°下倾角，到最高10°的上倾角。 结合假设的10°机械下倾角，波束可在垂直方向上从低于水平面30°扫描至完全水平。图4左侧面板显示了5G基站基频发射的天线增益图。 对于所示的增益图，假设在10°机械下倾角的基础上，还具有20°的最大电子下倾角。该增益图及相关矩形天线单元阵列由Remcom的Wireless InSite®传播工具[15]渲染生成，本文中使用该工具对包括地形反射以及建筑物结构反射和衍射在内的户外城市环境中的传播进行建模。 图中所示的相控阵5G基站周围环绕着道路和建筑物结构，这些几何信息是从OpenStreetMap导入的，用于呈现奥黑尔国际机场周边的环境。然而，为了使天线阵列在场景中清晰可见，该矩形天线单元阵列的显示比例被大幅放大。
图4. 5G基站本频（左）和杂散（右）发射的天线增益图。
上文所述的增益模式适用于5G基站的带内发射（即3.85 GHz），其中通过电子方式调整各单元之间的相对相位，从而将3.85 GHz的5G基频发射定向至某些优选方向。 在考虑5G杂散发射时（这些发射对于5G基站而言属于带外，但对于雷达测高仪而言属于带内，例如在约4.3 GHz处），假设各单元之间的相对相位将不再具有适当的关联性，无法将波束定向至优选方向。 在假设各单元之间相位完全不相关的情况下，相控阵增益的期望值将简单地平均为 0 dB。因此，在杂散发射的情况下，假设相控阵不提供额外的增益因子，其增益仅为单个单元的辐射模式增益。 与 RTCA 研究的做法一致，本研究因此仅假设 AAS 相控阵在工作于杂散发射频率时，其辐射图将由单个天线的辐射图决定。该辐射图如图 4 右侧所示。
关于用于模拟5G基站约4.3 GHz频率下杂散发射的PSD幅度，FCC命令规定，5G基站的传导发射在3.98 GHz以上的频率范围内不应超过-13 dBm/MHz。 然而，鉴于设备辐射在3.98 GHz以上频率仍会持续衰减，无线通信行业专家向RTCA工作组建议，采用低于-13 dBm/MHz的PSD来评估4.3 GHz处的杂散辐射更为合适。 为便于本研究，RTCA在评估杂散发射干扰时，假设4.3 GHz频率下的传导发射功率谱密度（PSD）为-20 dBm/MHz。为使本研究与RTCA研究中的假设条件保持一致，本文同样采用-20 dBm/MHz作为传导发射的功率谱密度。
雷达高度计对RA带内和带外信号的增益特性
为了评估来自5G基带发射（≈3.85 GHz）和5G杂散发射（≈4.3 GHz）的干扰，需要获得民用飞机上使用的代表性天线在雷达高度计带内（≈4.3 GHz）和带外（≈3.85 GHz）频率下的增益图。 作为RTCA研究的一部分，研究人员在上述两个频率下分别测量了两款代表性天线的增益图，并报告了这两组测量结果的平滑平均值，该数据被用于后续分析。这些增益图分别见参考文献[2]中的图6-11（3.85 GHz）和图6-12（4.3 GHz）。 这些增益图谱直接从参考文献[2]中数字化获取，并用于本研究。
图5. 雷达高度计带外（左）和带内（右）工作时的天线增益图。
图5展示了Wireless InSite中渲染的各频率的增益图。这些图是基于波音757客机上雷达高度计的典型安装位置渲染而成的。 所呈现的波音757几何模型仅用于可视化展示，与本研究中进行的无线电传播分析毫无关联。
由于3.85 GHz属于高度计的带外频率，其最大增益仅为1.375 dBi；而4.3 GHz（即雷达高度计频带中心）的最大增益则为9.397 dBi。
ILS进近航迹及推测的5G基站位置概览
RTCA报告中研究的ILS进近着陆场景，涉及一架飞机在伊利诺伊州芝加哥奥黑尔国际机场（ORD）的27L跑道上着陆。该跑道起始点位于北纬41°59’02”、西经87°53’21”，海拔654英尺（平均海平面以上）。 假设的飞行路径基于27L跑道的官方ILS II/III类进近图，该图规定下滑道为3°，航向为正西，触地点位于跑道阈值后方1040英尺（317米）处。 为了在5G基站尚未部署之前模拟一个真实的5G干扰场景，RTCA报告选择识别飞行路径附近的现有4G LTE（长期演进）基站，并假设未来的5G基站将安装在这些相同的通信塔上。 RTCA报告识别出5个此类基站（如表2所示），其位置已通过FCC天线结构注册（ASR）搜索工具[16]得到验证。这些通信塔在Google Earth[17]影像中亦清晰可见，本研究利用该影像对塔楼位置进行了微调，以便精确定位其在建筑物结构中的相对位置。
表2. 飞行路径附近5G基站假设的位置。
RTCA研究及本研究采用的飞行路径如图6所示，该图由Wireless InSite软件生成。飞行路径由红色方块标示，这些方块标出了雷达高度计在飞行路径上等间距点的位置。在渲染图的左边缘可见奥黑尔国际机场的一部分，且飞行路径最终止于27L跑道。
图6. ILS进近航迹概览及5G基站推测位置。
研究中使用的 5 个基站的精确位置由小绿方块标示，其旁以橙色文字标注了 FCC 注册编号。绝大多数建筑结构、道路、植被和水体的几何数据均来自 OpenStreetMap [12]。 OpenStreetMap中缺少飞行路径附近少量住宅建筑。这些建筑是通过查看Google Earth[17]中的住宅区，并据此补充了相应的住宅结构。但需注意，补充这些建筑并未对本研究的主要结论产生显著影响。
研究结果
RTCA报告中ILS进近方案结果的重现
与后文所述的研究不同——该研究利用 Wireless InSite 基于图 6 所示的地形、植被、水体及建筑结构几何特征，对户外城市环境中的无线电波传播进行建模——RTCA 针对 ILS 进近场景的研究仅考虑了 5G 基站与雷达高度计之间的视距传播。 为了确保我们能够在 Wireless InSite 中重现 RTCA 报告的结果，我们在所有基站天线和雷达高度计接收器航路航点位置完全相同的情况下进行了模拟，但禁用了代表地形、建筑结构等的几何特征。 这确保了此次初始仿真中仅包含基站与雷达高度计之间的视距传播。通过证明我们能够复现 RTCA 研究的结果，我们验证了天线增益图的细微特征以及这些天线的相对位置在 Wireless InSite 中得到了正确呈现。此外，我们建立了一个基准，据此可以轻松识别出因与地形和建筑结构相互作用而产生的变化。
为了复现RTCA报告中的干扰结果，显然必须确保天线的几何布置与报告中所用的布置高度一致，同时必须严格遵循报告中定义的精确天线增益模式和指定功率水平。然而，还有两个关键因素对复现结果至关重要。 首先，雷达高度计天线的假定极化并非在飞行路径上的每个航点都保持恒定，而是被选定为与来自5G基站的入射视线辐射场完全一致。这确保了在飞行路径上的每个点都考虑到了最坏情况。其次，基站的方位角取向被选定为能在雷达高度计天线处产生最高接收功率。 同样，这确保了最坏情况的评估，并考虑到了以下事实：安装在该基站塔上的未来5G基站AAS阵列的方位角方向尚不明确，以及AAS阵列允许对5G发射信号进行电子方位角控制，使其覆盖扇区内的任意角度。 通过在 Wireless InSite 仿真中同时采用这两项假设，可以轻松获得与 RTCA 研究报告结果极为接近的仿真结果。
图7. 在Wireless InSite中仅针对视距传播模拟的5G基本发射干扰。
图7展示了Wireless InSite仿真结果，该结果计算了雷达高度计天线测得的5G基频发射功率谱密度与降落飞机高度的关系。各基站位置的接收功率谱密度以彩色曲线形式呈现。 所示案例考虑了一种着陆场景，其中所有基站均采用20°的电子下倾角，对应的总下倾角（机械+电子）为30°。作为对比，图中以黑色实线曲线显示了5G基频发射带中心区域的干扰容限掩膜，该曲线随高度计高度的变化而变化。 延伸至ITM下方的红色阴影区域代表《国际民航组织民用航空频谱要求手册》中建议的额外6 dB安全系数。本图中显示的ITM直接取自RTCA报告，因为我们无法轻易复现AVSI用于生成这些曲线的实测数据。在Wireless InSite仿真中独立复现的是在雷达高度计接收端口测得的功率谱密度。 图 7 中显示的这些 PSD 曲线与 RTCA 报告图 D-15 中报告的曲线几乎完全一致。两者结果之间极微小的差异可能源于基站天线的几何定位存在细微差别，也可能源于雷达高度计天线所用天线增益图的轻微差异——因为该增益图并非通过数学方式定义，而是通过将 RTCA 报告出版物中的增益图数字化来再现的。 值得注意的是，在仅考虑视距传播的本次分析中，既未超过ITM本身，也未超过相关的6 dB安全裕度。
图8. 在Wireless InSite中仅针对视距传播模拟的5G杂散发射干扰。
除了模拟来自各基站的5G本征发射造成的干扰外，我们还模拟了来自同一基站的5G杂散发射造成的干扰。结果如图8所示，与RTCA获得的相应结果非常接近，后者在其报告中作为图10-34呈现。同样，在飞行路径上的任何一点，ITM及相关安全裕度均未被超过。
添加地形和建筑结构后的结果对比
与RTCA关于ILS进近着陆场景的研究形成鲜明对比的是，后者仅考虑了从基站到高度表的视距传播；而使用Remcom的Wireless InSite等先进的无线电波传播工具，则能够对城市户外环境中的无线电波传播建立高保真模型。 Wireless InSite利用三维光线追踪技术对户外环境中的传播进行建模，并能考虑光线路径在地形和建筑结构上发生多次反射与衍射相互作用的情况。
图9. 包含地形和建筑结构相互作用的5G基本发射干扰。
对于本文所考虑的ILS进近场景，利用Wireless InSite软件对图6所示几何结构下的无线电波传播进行了建模，其中采用了关于材料性质的合理假设，并考虑了沿路径最多包含4次反射和1次衍射的光路。 地形所采用的材料特性基于国际电信联盟（ITU）在参考文献[18]中针对湿润地面推荐的介电常数和电导率的频率依赖性曲线，这些曲线是在本研究关注的频率附近测得的。 选择湿润地面而非中等干燥地面，是考虑到此类条件适用于需要实施仪表着陆系统（ILS）II/III类进近的情况。为近似真实地形，采用了参考文献[19]中的粗糙表面反射系数，并假设表面高度的标准偏差为1厘米。所应用的粗糙度修正适度降低了镜面反射方向的能量，以考虑随机表面粗糙度。 所有建筑物几何结构、道路及跑道均假定为混凝土结构，其频率依赖的介电常数和电导率基于参考文献[20]中ITU推荐的建筑材料计算公式。在此情况下未采用表面粗糙度校正，因为在C波段波长下，建筑结构可视为相对平滑。
图9显示了在将地形、建筑物、植被和水体纳入考虑后，Wireless InSite预测的雷达高度计接收端口处测得的功率谱密度随飞机高度变化的情况。 与图7所示的仅视距情况相比，结果中出现了若干显著变化。其中最突出的一点是，在飞行路径上的多个点，干扰功率谱密度（PSD）较仅视距情况显著增加。 事实上，在飞行路径上的四个位置，由于新增特征的相互作用，干扰功率谱密度已升高至超过国际民航组织（ICAO）推荐的安全裕度的程度。在其中两个位置，由于来自ASR 1280620和ASR 1058071的干扰（这两座基站均位于图1所示限制区之外），ICAO安全裕度仅被微幅突破，不足1.2 dB。 然而，在航线上的另外两个位置，由于基站ASR 1256593（这是图1所示限制区内唯一的基站）产生的5G基频发射，干扰功率谱密度已逼近ITM本身。 这表明，在评估 5G 对雷达高度计的干扰时，使用高保真无线电传播工具对多路径进行建模非常重要，因为与地形和建筑结构的相互作用可能会将能量重新定向到雷达高度计天线，从而产生比仅通过视距分析预测的更高的干扰功率水平。
图10. 包含地形和建筑物结构相互作用的5G杂散发射干扰。
除了5G本征发射造成的干扰结果外，我们还模拟了在地形、建筑物结构等存在条件下的无线电传播，以预测5G杂散发射的干扰水平。结果如图10所示。在纳入了与地形及建筑物结构相互作用的这些结果与仅考虑视距传播的图8结果之间，存在显著差异。 具体而言，在飞行路径上的某些位置，高度表测得的干扰水平相较于图8中所示飞行路径上的同一点略有增加。此外，从整个数据记录中可以看出，测得的干扰随飞机高度的变化而波动得更为剧烈。 这种快速衰落是由于图10的结果中考虑了多径效应。然而，与包含超视距传播的5G基本发射结果不同，在飞行路径上的任何一点，5G杂散发射的预测干扰均未超过国际民航组织（ICAO）推荐的安全裕度或ITM本身。 这些结果继续支持 RTCA 报告的结论，即与 5G 基本发射不同，5G 基站的杂散发射对第 1 类（商用航空运输飞机）雷达高度计的运行并不构成重大威胁。
与地形及建筑结构的相互作用导致了过度的干扰
上一节关于5G基频发射的结果表明，在飞行路径的某些点上，由于与地形、建筑物结构等的相互作用，雷达高度计接收机测得的干扰可能会显著增加，以至于不仅违反了国际民航组织（ICAO）推荐的安全裕度，甚至接近了ITM（对于第1类使用类别）的临界值。 在本节中，我们将更详细地分析飞行路径上发生违规情况的各位置所存在的无线电传播条件。
图11. 在基站ASR 1280620产生的5G基频干扰达到峰值的飞行路径点上，20条最大功率射线路径的渲染图。
首先，我们考虑由ASR 1280620基站产生的5G基本干扰的峰值点，该峰值出现在进近飞机位于跑道起始点地面以上1429英尺处时（见图9中绿色曲线的峰值）。 图11展示了该点的情况，其中基站方位角已根据最坏干扰情况进行了调整。图11中的渲染图显示了导致雷达高度计产生干扰信号的20条功率最高的射线路径。
主图展示了射线在基站与飞机高度计之间传播的完整路径。插图则放大了基站附近射线路径的相互作用，这些相互作用将能量导向雷达高度计的方向。 值得注意的是，与地形的相互作用所产生的接收功率谱密度（PSD）高于视距传播本身。此外，还有许多其他射线路径，它们既与地面和建筑物结构发生相互作用，又直接从建筑物结构上衍射，从而将辐射重新导向雷达高度计。这些多路径信号在雷达高度计处发生相干叠加，最终产生所测得的干扰辐射功率谱密度。
该场景生动地说明了，在传播分析中纳入地形、建筑结构以及这些要素与无线电波的相互作用，如何能显著提高干扰预测值。在此案例中，预测的干扰水平比仅考虑视距传播时预期值高出 16 dB。对于所模拟的场景，干扰值的主要增加源于与地形的相互作用，而涉及建筑几何形状的相互作用所起的作用则小得多。 如果能够获得建筑材料的详细成分信息并将其纳入模拟，这种情况可能会发生显著变化。如上所述，所有建筑结构均被简单地假定为混凝土结构。如果已知其中部分结构由金属而非混凝土构成，则测得的干扰最坏情况可能大幅增加。 尽管如此，所示情景已表明预测的干扰量显著增加，一旦考虑超视距光路，便会违反国际民航组织（ICAO）针对第1类使用类别飞机的推荐安全裕度。
作为第二个例子，为了突出考虑地形、建筑物结构以及超视距传播分析的重要性，我们考察飞行路径上一个特定点——在该点，由于基站ASR 1058071发出的5G基频信号，高度表接收机测得的干扰达到最大值。该点出现在飞机位于跑道起始点地面以上1398英尺处时 （见图9中橙色轨迹的峰值）。在此情况下，图12展示了基站方位角取最坏情况时的射线路径。同样地，主图显示了从基站到雷达高度计的完整射线路径轨迹，而插图则放大了基站附近射线路径的相互作用，这些相互作用将能量重新导向雷达高度计。 与前一案例类似，随着地形和建筑物特征及其相关电波相互作用的引入，预测的干扰水平急剧上升。与视距传播分析相比，多路径分析预测在飞行路径的这一位置，干扰水平将增加15 dB以上。同样，导致这一增加的主要光路涉及一次地形反射。 然而，从图12可以清楚地看到，涉及与道路及建筑物结构相互作用的其他光路也产生了贡献，但其影响程度要温和得多。与之前一样，为了进行本次模拟，所有建筑物结构和道路均被假设为混凝土结构。同样，一旦将视距外传播纳入考虑，干扰的增加幅度就足够显著，以至于违反了国际民航组织（ICAO）针对第1类使用类别飞机的推荐安全裕度。
图12. 在基站ASR 1058071的5G基频干扰达到峰值的飞行路径上某一点处，20条最大功率射线路径的渲染图。
最后，我们将详细探讨飞行路径上特定位置的情况，在这些位置，由于基站ASR 1256593的5G基频发射，使用类别1飞机的ITM值被逼近。这是研究中唯一一座位于2022年1月至2022年7月5日期间已确认存在的5G限制发射区内的基站。 第一次干扰峰值出现在飞机位于跑道起始点地面以上319英尺处时（参见图9中紫色轨迹沿飞行路径达到的第一个峰值）。该情况下的射线路径渲染图如图13所示。主视图展示了从发射机到接收机的整个射线路径中，对干扰贡献最大的20条高功率射线路径。 插图为放大视图，突出了将5G无线电波折射至高度计方向的关键交互作用。在此特定位置，多路径情况下的预测干扰水平比仅考虑视距传播时该位置的干扰水平高出26 dB。
图13. 在飞行路径上某一点处，基站ASR 1256593产生的5G基频干扰达到局部最大值时，该点处功率最高的20条射线路径的渲染图。
干扰的剧烈增加主要归因于与地形的相互作用，但也部分源于一种巧合：视线路径恰好位于5G基站天线波束图的局部极小值处。与前两个涉及地形和道路相互作用的例子相比，基站ASR 1256593周围建筑物结构引起的反射和衍射所起的作用相对较小，干扰信号主要由地形和道路引起。
当飞机位于跑道起始点测得的地面以上256英尺处时，沿飞行路径会出现由基站ASR 125653引起的第二个干扰峰值（参见图9中紫色曲线所示，即飞机着陆点附近的干扰峰值）。 同样，该位置的干扰水平已非常接近第1类飞机的ITM。图14显示了导致该干扰信号的20条功率最高的射线路径。与前例相同，干扰信号的主要来源是与地形和道路的相互作用，而与建筑物结构的相互作用所占比例则小得多。 在飞行路径上的这一精确位置，多路径分析预测的干扰水平仅比视距传播预测值高出25 dB。同样，结果之间存在如此大的差异，主要是由于与地形和道路的强烈相互作用，以及在较小程度上与建筑结构的相互作用，但这也是一种巧合，因为视距光径恰好位于5G基站天线增益图的局部极小值处。
图14. 在基站ASR 1256593产生的5G基频干扰达到峰值的飞行路径点上，20条最高功率射线路径的渲染图。
地形属性的变化
鉴于所选场景中对国际民航组织（ICAO）推荐安全裕度的最严重违反主要源于与地形的相互作用，探究在对地形特征的材料属性作出不同假设时，这些结果会发生何种程度的变化，这一点颇具意义。在上述分析中，假设地形由湿土构成，因为当需要执行仪表着陆系统（ILS）CAT II/III进近时，通常会伴随近期或正在发生的降水。 此外，为使地形模型更贴近实际，还引入了粗糙度修正因子，假设地表高度相对于平均值的标准差为1厘米。该粗糙度修正旨在降低地形表面镜面反射的能量，从而可能减少被重新导向至雷达高度计的能量。
图15. 5G基频发射干扰随地形特征的变化。
鉴于在评估安全风险时应考虑现实中的最坏情况，因此有必要探讨将地形描述为光滑湿土的情形——这种地形具有略高的反射系数，可能将更多来自5G基站的能量导向雷达高度计。在另一极端情况下，我们还可以考虑典型天气条件下地形的材料特性，即粗糙、中等干燥的土壤。
为此，我们重新运行了上述仿真，分别假设地形由平滑湿土材料构成（忽略反射系数的表面粗糙度修正），以及由粗糙、中等干燥的土壤构成（表面粗糙度高度标准差仍设为1厘米，但介电常数和电导率现基于ITU对中等干燥土壤的建议值[18]）。 结果如图 15 所示。图中，蓝色曲线总结了此前假设为粗糙湿土时的结果；而偶尔延伸至蓝色曲线之外的紫色阴影区域，则描述了当假设地形由粗糙中等干燥土或光滑湿土表面材料描述时，干扰功率谱密度（PSD）变化的极端情况。 在构建这些曲线时，沿飞行路径的每个点均选取来自任意一个基站的最大干扰值来描述干扰功率谱密度（PSD）数据点。对于大部分数据而言，地形材料属性的变化并未对结果产生显著影响。
然而，在飞行路径上的少数几个位置，特别是那些因地形反射的显著影响导致安全裕度被突破的位置，可以观察到干扰功率谱密度（PSD）超出了蓝色曲线，有时甚至略低于该曲线。 特别是，在因 ASR 1280620 和 ASR 1058071 的干扰而仅勉强超出安全裕度的位置，当地形描述为平滑湿润的土壤时，超限情况更为显著，因为这些位置的干扰功率谱密度增加了约 3 dB。 此外，对于先前因 ASR 1256593 干扰而严重超出安全裕度的位置，在地表被描述为光滑湿润土壤的情况下，干扰功率谱密度（PSD）已显著增加，以至于现在 ITM 本身也略微超出安全裕度。因此，我们可以看到，在评估潜在干扰源时，纳入包含现实最坏情况的材料属性变化可能至关重要。 在此场景中，对地形表面材料假设的微小调整，导致了飞行路径上某些点的干扰增加3 dB——在这些点上，地形反射将大量能量导向了雷达高度计。
结语
在本文中，我们重新分析了RTCA关于5G雷达高度表干扰的研究中曾考虑的ILS II/III类进近着陆场景。与仅考虑着陆场景中视距传播的RTCA分析不同，本文所述的仿真包括无线电波的多路径传播以及地形和建筑物结构的散射。 我们证明，在评估5G对雷达高度表的干扰水平时，纳入此类多径分析至关重要，因为观察到沿飞行路径的某些位置干扰水平显著增加。有时干扰超出了国际民航组织（ICAO）的安全裕度，并且根据对地形材料特性的假设，干扰水平接近甚至超过了RTCA/AVSI针对第1类使用类别的飞机发布的干扰容限掩膜。
具体而言，本研究与RTCA报告均考虑了奥黑尔国际机场27L跑道的ILS II/III类进近场景。在本次分析中，我们通过OpenStreetMap几何数据，将机场周边及飞行路径下方的特定地形、道路、水体和建筑结构导入Remcom的传播仿真工具Wireless InSite。 这使得Wireless InSite能够真实地估算飞机沿飞行路径飞行时，到达雷达高度计接收机的5G干扰信号功率谱密度的大小。与RTCA报告的结论一致，研究发现由5G杂散发射引起的干扰均低于第1类使用类别飞机的ITM（最小间隔距离）及其相关的国际民航组织（ICAO）推荐安全裕度。 然而，当飞行路径沿线的5G基站具有20°电子下倾角（电子+机械下倾角总计30°）时，通过Wireless InSite进行的多路径分析表明，安全裕度已被超出，且在飞行路径的某些点上已接近ITM本身；而RTCA研究未报告此类违规情况，因为其着陆场景仅考虑了视距传播。
在本次进行的多路径传播分析中，预测安全裕度将因以下情况而遭到突破：一座安装在通信塔上的5G基站产生的辐射超出了5G限制辐射区。该区域原定在机场跑道周围维持至2022年7月5日。 值得注意的是，对于安装在限制区内信号塔上的5G基站，其辐射强度已非常接近ITM限值。如上所述，用于进行这些预测的特定场地几何模型是从OpenStreetMap导入的。在进行模拟时，针对地形、道路、水体、植被和建筑结构的材质组成采用了符合实际的假设。 然而，若针对特定特征采用其他材料或更精确的几何模型（例如将建筑结构从混凝土改为金属），干扰水平可能会进一步增大。事实上，仅需对地形假设进行微小调整——即将其建模为平滑而非粗糙的地面——在当前场景中，沿飞行路径某些点测得的雷达高度计干扰值便增加了约3 dB。
为获得最佳结果，应针对已部署的5G基站周边环境，结合多路径光线追踪分析，进行详细的建筑/地物几何形状及材料成分调查，从而准确评估降落飞机雷达高度计接收机可能面临的干扰水平。 一旦特定5G基站的机械方位和电子扫描能力在部署前或部署后得到明确，即可轻松进行更全面的分析（超越本文所考虑的单一20°电子下倾角情况）。
上述结果强调，有必要针对无线电波传播（包括多径效应）进行基于具体站点的多径分析，以准确评估5G基带发射对雷达高度计的干扰程度。 鉴于对带外干扰极为敏感的雷达高度计在2022年夏季初仍部署于飞机上，这项分析对于允许在原先受限区域安全启用5G基站尤为重要。
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