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电信业对民航业的挑战——为什么5G在美国会影响航空安全?

这是技术问题,还是行政问题?

【环球旅讯】(特约评论员 李瀚明)前些日子有一个非常热门的话题。

美国两大 F 字头机构围绕 5G 进行争论:联邦航空管理局(FAA)认为 5G 运营商正在部署的新频段会影响飞机上的无线电高度表的运作,有碍航空安全;而联邦通信委员会(FCC)则认为在这件事情上 FAA 拖延升级无线电高度表的进度,从而影响了国家的电信网络升级。

由于 FCC 已经高价拍卖了涉事频谱给美国电信运营商(Verizon 和 AT&T),因此一时半会间这事引起坊间热议。

这事情现在有了最新进展。

根据路透社消息,FAA在1月16日表示,已批准估计 45% 的美国商用飞机在多个机场进行低能见度着陆,这些机场将从1月19日开始部署 5G C Band。

由于FAA认为5G可能对飞机无线电高度表工作造成干扰,目前只允许装有两款无线电高度表的机型,包括波音737、747、757、767、MD-10/-11及空客A310、A319、A320、A321、A330和A350等在低能见条件下进行着陆。 

但这到底是怎么一回事呢?已经在联通、移动和电信部署的 5G 是否会影响中国的航空安全?

争论的背景:无线电的频率和频段

无线电技术的背景是空间中传播的电磁波——发送端将信号释放到空间中,接收端在空间中搜寻信号。无线电空间的特点有点像集市:集市上的商贩吆喝的时候,卖蟑螂药的声音和卖糖果的声音也会混在一起。这个时候,听众(接收方)就需要通过一定的机制,将我们所需要的无线电波从空间中筛选出来。

无线电信号的一种固有机制叫做频率。我们可以通过电路将不同频率的无线电信号分开,这一机制叫做滤波器。滤波器分为高通滤波(只允许频率高于某一阈值的无线电信号通过)和低通滤波(只允许频率低于某一阈值的无线电信号通过),通过组合高通和低通滤波器可以筛选出一个特定频率区间的无线电信号——我们称之为频段(Band)。

通过事先约定频段,发送方和接收方就可以在公共空间中传输信息,而无须处理大量干扰。比如,我们常见的收音机(调频 FM 广播),就使用 87.5 MHz 到 108.0 MHz 的频率。因此,当你打开收音机将数字调到特定频率时,就可以听到音乐或者新闻了。我们在这里就将 108.0 MHz (一般为了方便需加减 0.05 MHz)称为「频段」。

不是所有无线电都是平等的:信息的传输速度和传输量

下一个问题是无线电能够传输的信息种类和信息量。一般而言,我们将无线电分为信号波和载波:在 FM 中,载波是 87.5 MHz 的信号,信号是最高 20 kHz 的信号(也就是被麦克风转化的人类的声音)。

有三种因素会影响一个无线电频段能够同时传输的信息量。

1.信息的编码格式。例如,FM 广播承载的是冗余度很高的语音信息,因此能够承载的信息传输速度很低——大概一分钟 200 个汉字左右。通过调整信息编码方式(数字广播),可以提高效率。

2.无线电频段的频率。频率提高意味着单位时间内能够记录的变化越多——而变化本身就代表着信息。例如,1 Hz 的数字无线电信号,一秒钟只能传递 2 种可能(高/低);但是如果是 2 Hz,就可以传递 4 种可能(高高、高低、低高、低低)了,可以传播的信号呈指数级增长。

3.也可以同时采用多个频段。这个时候,我们会引入「频宽」的概念——即使用的最高频率和使用的最低频率的差。我们可以将「频宽」标准化为「信道」。频宽越大,理论上同时传输的信息总量就越多。

在移动通信技术的演变中,以上三种方式是同时使用的。

最早的 2G 技术(GSM)在 900(E-GSM)/1800(DCS)(欧亚常用)/850(CLR)/1900(PCS)(北美常用) MHz 频率附近使用上下行各 25 MHz 的频宽。

3G 除了 2G 频段外也开始使用 2100(IMT) MHz 等频率更高的频段,并将频宽扩增到 60MHz。

4G 继续使用3G频段,通过改进信息编码获得更快的速度。其中一种改进是将编码方式从 FDD(码分多址)转为 TDD(时分多址),这使得上下行可以在 2500(S Band) MHz 附近共用一个 100 MHz 的频宽。

5G 计划在既有的所有频段(850/900/1800/1900/2100/2500 MHz)的基础上,再引入包括 3700 MHz 附近的 C Band(本次 FAA 和 FCC 争执的主角)和 28 GHz 左右的毫米波频段在内的新频段。

对于 5G 而言,这三种频段各有优缺点。无线电波的频率越高,一方面传输速度越快,一方面传输损耗越大。因此,运营商在部署 5G 基站时,必须谨慎地取得平衡:

  • 使用既有的频率较低的频段(1.8 GHz 左右),覆盖比较好、功耗比较低、也不需要购买新的频率资源就可以获得 5G 的技术革新带来的传输速度的提升,但这一提升是有物理学极限的,因此速度始终比较慢;
  • 使用毫米波频段(28 GHz 左右),速度比较快,但是覆盖很差(需要更高的基站布设成本)、功耗也比较高。

C Band 是试图解决这个问题的一个平衡——它的频率适中,因此性能和功耗都可以接受,深受美国运营商的喜爱。

C Band 和无线电高度计的冲突

讲完了C Band 频段,我们再来讲讲无线电高度计。

无线电高度计在 1938 年就投入使用。它的原理很简单——向地面发射信号、接收地面反射的信号,测量信号来回所需的时间。由于电磁波的传播速度已知,所以就可以算出传播距离(也就是离地高度)。实际使用中,无线电高度计使用在 4.2 GHz 和 4.4 GHz 之间来回变化的信号。

无线电高度计对于民航业的重要性在于,它是确保航空器不撞到地面的重要保护设施。如果无线电高度计使用的信号受到干扰,飞行器就会计算出错误的高度信息。严重情况下,飞行器和飞行员可能高估离地高度,从而撞上地面。因此,这一设施必须要严格保护。

这一设施在视线不佳的情况下使用的精密进近中尤为重要——在能见度不够的时候,飞行员对离地高度的感知只能信赖无线电高度计。因此,如果它受到干扰,飞行员在能见度不好的时候就没有办法降落,只能备降了。这对于航空业界的损失是巨大的。

4.2 GHz 到 4.4 GHz 的频率,是由国际电信联盟(ITU)在ITU-R M.2059-0建议书中划定的称之为 ARNS(航空无线电导航服务)的频段。在建议书中,ITU指出了无线电高度计在干扰(这种干扰可能造成过载、灵敏度下降,甚至测量出虚假的高度)面前的脆弱性。因为所有无线电高度仪天线必须要指向地球表面,使得系统容易受到进场期间发射的所有可能干扰源的影响。由于它们位于飞机上,高度仪天线无法利用对地球表面上很多可能干扰源进行遮挡或屏蔽。相反,它实际上可以在所有可能的辐射源从建筑物中泄露和从在何建筑之外工作的装置直接发射时“看到”它们。

在 1938 年无线电高度计投入使用的时候,还没有移动电话技术,更遑论 5G 技术了。因此很长一段时间内,这个频率几乎没有干扰,是非常清净的频率。

时移世易。当年的 ITU 怎么也没想到,商用无线电频率从 0.8 GHz 一路吃到了 4.9 GHz——人类对于无线网络的需求实在是太大了。

FCC 和 FAA 的争议点

FCC 遵守 ITU 对 4.2 GHz -4.4 GHz 的分配。

这一分配已经在《联邦规则汇编(Code of Federal Regulations):电信 Telecommunication》中以法律的形式予以确认为美国国内法。47 CFR § 87.173「频率 Frequencies」中规定了 4.2 GHz -4.4 GHz 保留供无线电高度计专用。

在美国,传统上 3.7-4.2 GHz 的频段用于卫星通讯用途(Fixed Satellite Services)的下行(从卫星到地面)。2020 年 4 月 23 日,FCC 通过了「扩展 3.7-4.2 GHz 频段的灵活使用 Expanding Flexible Use of the 3.7 to 4.2 GHz Band」报告。报告规定,将这一阶段 500 MHz 的频宽重新分配如下:

1.既有的卫星通讯用途只能使用 4.0-4.2 GHz 频段 200 MHz 的频宽;

2.5G 使用 3.7-3.98 GHz 频段 280 MHz 的频宽;

3.中间留下 20 MHz 作为安全余量用途。

之后 FCC 就开始麻利地拍卖给了 Verizon 和 AT&T。

FCC 这么做有非常宏大的背景:出于在 5G 时代争先的目的,FCC 推出了一项名为“促进美国在 5G 技术上的领先地位”——缩写为 5G FAST的计划,旨在推进美国在 5G 技术上的领先地位。为此,美国需要快速推进 5G 部署,而 C Band 对此尤其有利。

首先,C Band 具有技术优势,尤为适合 5G。在城市等需求大的地方,为了提高整体容量,基站覆盖范围需要更小。相比更低的既有频率,C Band 的传输距离更短,从而可以降低基站范围缩小后基站间的干扰,从而提高网络整体传输容量并积极复用频率(指相邻基站间错开频率);同时,相对于毫米波而言,覆盖更广,成本更低。因此有一定的客观优势。

第二,C Band 是美国国会的要求。《为宽带投资创造机会并限制对移动运营商的过度且不必要的限制法案 》(英文缩写为 MOBILE NOW Act),其中 605(b) 段指出 FCC 要评估「允许商业移动运营商使用或共用介于 3.7 GHz 和 4.2 GHz 之间的频率」。

再者,3.7 GHz -4.2 GHz 是国际标准:欧洲(德国、法国、奥地利等国)采用 3.4 GHz -3.8 GHz;日本采用 3.6 GHz -4.1 GHz;澳大利亚采用 3.7 GHz -4.2 GHz;阿联酋采用 3.3 GHz -3.8 GHz。可以看到,3.7 GHz 到 3.8 GHz 的区间是世界共用的。

但是这里有一个问题:在以前用作卫星通讯时,地面站只需要接收,不会发射这一频段的信号,因此不会和无线电高度计(其干扰源是地面发射的信号)干扰。而现在使用作地面移动电话服务时,无论是基站还是移动电话都需要在地面上向天空发射信号(不然怎么打电话上网),这就有可能形成干扰了。

FCC 注意到了3.7 GHz -4.2GHz和 4.2 GHz -4.4 GHz 的干扰,并专门在报告写了第九章「和航空无线电导航的共存」。全章分为五段。

第一段讲明 4.2 GHz -4.4 GHz 频段的用途(在世界各地的飞机和直升机上使用的无线电高度计)、重要性(在飞行高度低于地面上 2500 英尺即762 米时使用的关键航空生命安全系统)和要求(必须在没有有害干扰的情况下运作)。

第二段讲明了进行分配的理论依据。FCC 为此咨询过波音和 ASRC(航空服务研究中心 Aviation Services Research Centre,波音和香港理工大学合作设立的研究机构)。波音在给FCC的意见书中认为无线电高度计内置的带通滤波器的客观限制使得无线电高度计容易受到4.1 GHz-4.2 GHz频段的无线电信号的干扰。因此,波音建议将频段限制在4.1 GHz以下,从而确保4.2 GHz - 4.4 GHz的航空安全设施能够继续安全和高效地运作。通过将 5G 频率限制在 3.98 GHz,FCC 为无线电高度计留下了 220 MHz 的保护频率。这一保护频率是波音和 ASRC 给出的反馈意见的两倍。

第三段和第四段简单介绍了业者在征求意见阶段向 FCC 提交的反馈;Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI)模拟后认为高度表容易受到模拟的 5G 信号的干扰,而 T-Mobile 和 Alion 则质疑 AVSI 的模拟是否符合实际情况。

FCC 在第五段中赞同 T-Mobile 和 Alion 的意见,认为 AVSI 的模拟并不说明在合理的场景下会发生有害干扰;同时,既有的就功率和发射方法的限制和 220 MHz 的间隔也能保护 4.2-4.4 GHz 的服务。不过,FCC 也赞同 AVSI 的意见,认为应该对干扰进行进一步研究,并成立一个业者的多方小组讨论。同时,FCC 希望航空业界注意到 5G 生态并妥善处理这些设备。

可以看到,FCC 推行的依据在于波音给出的报告——而 FAA 显然不认同这一点并觉得需要更多的测试。FAA考虑的议题是波音的反馈意见能否代表航空业界所有的无线电高度计——考虑到民航界有很多既有的无线电高度计已经投入使用了动辄三十年甚至四十年之久,波音进行的测试是否能涵盖所有的老高度计尚是未知数。

事情的结果

事情的重点有两个:技术上而言是 5G C Band 会不会对无线电高度计造成干扰,而行政上而言是谁才是航空安全的第一责任人——FCC 还是 FAA?

原先计划的 5G 部署时间是 2021 年 12 月 5 日——由于 T-Mobile 已经使用传统频段部署了 5G,AT&T 和 Verizon 亟欲通过在 C Band 上部署的「真 5G」在圣诞和新年假期争取客户。

在 FAA 于 2021 年 11 月 2 日发布特别适航信息公报并第一次请求运营商后,AT&T 和 Verizon 同意为 FAA 留下一个月时间,等到 1 月 5 日才开始部署 C Band,并将在 7 月 5 日之前施加额外的限制。

在这期间,来自两党的 FCC 前任主席们在 12 月 13 日投书现任 FCC 主席,指出 FAA 的举动不当,FCC 应妥善解决此事以绝后患。

但是,FAA 和航空业界发现一个月内搞不定这事。于是在2021年12 月 30 日,Airlines for America(A4A,航空业界的同业协会)写信给 FCC,请求在繁忙机场周围不要部署 5G;次日,美国运输部部长 Pete Buttigieg 和 FAA 局长 Steve Dickson 写信给 AT&T 和 Verizon,要求再进一步推迟 5G 部署两个星期(部分地点长达两个月) 以便 FAA完成下列事项:

  • 完成对机场附近无线电干扰可能性的评估,识别需要优先设立缓冲区的机场;
  • 在优先机场附近部署缓解措施,保证大型商用客机能够在任何条件(主要是低能见度)下安全飞行;
  • 签发 NOTAM、听取制造商意见、寻找替代方法以确保航空安全。

移动运营商毕竟向 FCC 缴纳超过 800 亿美元买下了5G频段,显然不可能容忍 5G 服务部署拖延的结果。运营商 CEO 们(AT&T 的 John Stankey 和 Verizon 的 Hans Vestberg)在 1 月 2 日回信表明了自己的态度——

  • FCC 是美国政府内对无线电频率管理方面的专家,他们经过了系统性的研究和公众咨询,在咨询中也包括了来自民航界的意见,已经确认现有的限制足以保护无线电高度计。
  • 现阶段部署的 3.7 GHz 到 3.8 GHz 频段有整整 400 MHz 的安全余量——世界上其它近 40 个国家部署这一频段以后,民航安全都好好的。我们也是飞机乘客,我们也关心飞机安全,但这事是好好的。
  • 2020 年 FCC 宣布释放 3.7 GHz -3.98 GHz 时,已经给予整整两年的时间给航空业界升级设备并评估影响。FCC 释放时,FAA 没提意见;2021 年 FCC 拍卖时,FAA 没提意见;这两年 FAA 都在作壁上观。
  • 美国政府找我们是请我们配合——我们并非被要求推迟,而是出于合作和善意自愿推迟一个月的。如今 FAA 在部署 5 天之前的新年夜急急忙忙要求进一步推迟,无异于得寸进尺;既有的 30 天延迟已经损害了我们数百万计的顾客的利益。
  • FCC 才是美国政府内就无线电频谱分配方面的权威,需要平衡包括航空业和电信业在内各行各业的利益。遵循你们的要求会使得我们无法为生活在「优先机场」旁边的人口(占美国人口的绝大部分)提供 5G 服务,这种事情事关重大,应当严格遵循正当法律程序。
  • 交通部和 FAA 只有停止这种「要求」的语气,不再制造不满和对抗情绪,运营商才会继续和 FAA 和航空业合作。
  • 我们将会自愿实施目前在法国实施的缓解措施——在机场跑道及其前后 1 英里内将 C Band 信号控制在十分之一以内。FCC 认为这一措施是「最全面的保护航空安全的措施」。美国客机每天都在法国飞来飞去,如果在法国可行,那么在美国也可行——物理定律在美国和法国是一样的。

FCC 委员 Brendan Carr 也在 1 月 1 日下场回复 DoT(美国运输部,FAA 的上司):

  • 运营商是 FCC 批准的,我们用了 660 天写了一篇 258 页的报告;
  • DoT 的行为是明显的越俎代庖,背离了国会制定的法律职责和分工;
  • DoT 的行为没有科学或法律依据支持——FCC 是国会授权的考虑有害干扰问题的法定机构,已经经过妥善考虑解决了这一问题;
  • DoT 和民航业界在两年间就此提交了意见,而 FCC 也妥善解决了意见,这种解决方案是经过特区上诉法院确认过,符合国会制定的就有害干扰议题的法案;
  • 在原先的方案中 FCC 已经留出了两倍的保护频段(220 MHz),而由于运营商初期只部署一半,这一保护频段又扩大了两倍(400 MHz),运营商还同意在机场旁边降低功率,DoT 是在得寸进尺;
  • C Band 已经在 40 个国家部署了,这些国家的航空业界没有报告任何干扰无线电高度计的事件。

双方各自有各自的支持者——民航业界(例如航空制造商协会 Aerospace Industries Association、民航运输界同业协会 Airlines for America 和民航飞行员协会 Airline Pilots Association)认同 FAA 的观点,纷纷投书 FCC。A4A 更加扬言说将寻求司法救济。

最后,这事竟然需要总统亲自出面才能收拾:1 月 4 日拜登总统出面感谢大家配合:

  • 本届政府既要快速部署 5G,又要最小化对民航运输的影响,维持世界上最安全的空域;
  • 1 月 19 日 AT&T 和 Verizon 会开始运作 5G,在接下来两周内要全力解决民航运行问题;
  • 之前政府和 FAA、FCC 和各业代表讨论了解决方案,要感谢大家能够共同努力。

这场风波甚至延烧到了国际上。眼见大洋彼岸的美国FAA发话,澳大利亚和英国的民航监管当局秉着安定民心的心态也下场发文:

  • 英国民航局(Civil Aviation Authority)表示「没有收到英国空域内5G干扰飞机系统的反馈,不过我们会和英国通讯办公室和国防部合作确保5G在英国的部署不会造成飞机技术问题」。
  • 澳大利亚民航局更直接,「美国正在就5G信号对飞机安全系统的影响展开激烈的辩论。我们为那些为此感到担心的人带来了好消息——澳大利亚暂时没有发现这样的问题」。

为什么 5G 不会影响中国的航空安全?

那么,5G为什么不影响中国的航空安全?很简单——因为中国的 5G 现阶段不使用 3.6 GHz 到 4.8 GHz 的 C 频段。中国各运营商现时获得国家无线电频谱管理中心分配使用的频段如下:

不过,如果中国的 5G 频谱枯竭,可能中国也需要动用 3.6 GHz -4.2 GHz 的频段——但到那时候会根据《无线电管理条例》作出决定的。

总而言之,如今FAA和FCC的争论,反映出美国在5G建设中特殊的国情:老旧的基础设施(使用了40年仍然没有技术升级的极少数无线电高度计)、缺乏试验数据的争论(至今没有对高度计和5G干扰的实践性测试)、政府部门头痛医头、脚痛医脚的反应(直到两个月前才意识到问题),都是美国无线电和通讯技术落后,实体产业空心化而缺乏产业人才的结果。

李瀚明
李瀚明

李及李数据分析公司 创始人

李瀚明先生是环球旅讯的特约评论员。除了为环球旅讯提供时事评论和专栏分享之外,他也经营着一家名为李及李的数据分析公司,在世界各地为威尼斯人网站、酒店、汽车行业提供全面而细致的数据分析服务。欢迎通过微信 130 220 55270 或者邮件 jason@cn.hanming.li 和他联系。

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评论

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Yark·Lee

用了这么多年的频谱无线电,技术上能不能探索更多的无线电通信技术,有限的资源总是会用尽的。

2022-01-24
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豆汁儿咖啡 老王

太长知识了

2022-01-20
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