不同無線電頻譜的技術(shù)區(qū)別分析

你一定見過“5G是否會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)墜毀？”這類駭人聽聞的標(biāo)題。航空管理局警告稱，5G新業(yè)務(wù)可能會(huì)干擾飛行員用于確保安全著陸的雷達(dá)高度儀，此后便開始出現(xiàn)類似報(bào)道。

最近，向Wi-Fi設(shè)備開放點(diǎn)對點(diǎn)微波系統(tǒng)長期使用的6千兆赫頻段來用于傳輸關(guān)鍵安全數(shù)據(jù)的決定引發(fā)了有關(guān)公共安全的爭議。微波運(yùn)營商認(rèn)為Wi-Fi設(shè)備將會(huì)對其系統(tǒng)造成干擾；Wi-Fi利益群體則堅(jiān)持不會(huì)產(chǎn)生干擾。

基于無線電的新業(yè)務(wù)是否會(huì)干擾同頻段的現(xiàn)有業(yè)務(wù)，這似乎純屬物理問題。但持反對意見的各方往往有不同的技術(shù)分析結(jié)果。工程師們無法達(dá)成一致，讓公共安全成為了諸多競爭性利益之一。我深度參與了此類爭論，在此想分享這些問題是如何產(chǎn)生、又是如何解決的。

并非所有的無線電頻譜都是相同的。低頻電波傳播距離更遠(yuǎn)，在建筑中和地面上的穿透力更強(qiáng)。高頻電波的帶寬便于傳輸更多數(shù)據(jù)，使用小尺寸天線時(shí)效果很好。基于無線電的各項(xiàng)應(yīng)用皆有其自身需求和最適合的頻段。

移動(dòng)數(shù)據(jù)的適用頻段（4G、5G、Wi-Fi、藍(lán)牙等）從幾百兆赫到幾千兆赫不等。電話、平板電腦、筆記本電腦、智能音箱、帶Wi-Fi功能的電視和其他應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、諸多商用及工業(yè)用設(shè)備所需的頻率同樣為幾百兆赫到幾千兆赫。

問題在于，這一頻段數(shù)十年來已被嚴(yán)重占用。因此，出現(xiàn)5G這樣的新業(yè)務(wù)或需要擴(kuò)展Wi-Fi等舊業(yè)務(wù)時(shí)，現(xiàn)在有兩個(gè)選擇。對于5G等許可類業(yè)務(wù)，通常的做法是清除一系列頻段的現(xiàn)有用戶，要么轉(zhuǎn)而使用鄰近頻段，要么徹底遷移至其他頻段，然后拍賣已騰空的頻段，將其出售給新業(yè)務(wù)的提供商。對于Wi-Fi等非許可類業(yè)務(wù)，通常在功率較低的頻率將現(xiàn)有業(yè)務(wù)與新業(yè)務(wù)疊加。

新業(yè)務(wù)提供商常常表示干擾并非由自己造成，而是由于現(xiàn)有業(yè)務(wù)所用的接收器性能不佳，無法篩除干擾信號。這樣的論點(diǎn)往往站不住腳。新業(yè)務(wù)必須考慮頻譜問題和所需頻譜的當(dāng)前使用方。完成此任務(wù)的策略多種多樣。

更復(fù)雜的問題是，有爭議的研究和測試并未對干擾給出非黑即白的結(jié)論，而是提出了不同程度干擾的可能性。就特定干擾水平是否有害或是否會(huì)造成受影響的接收器失靈，相關(guān)各方往往無法達(dá)成一致。要就干擾問題形成結(jié)論，在錯(cuò)綜復(fù)雜、相互排斥的種種不確定性中找到出路。以下是一些具體的問題，說明了這種極其普遍的動(dòng)態(tài)。

鐵塔和樓宇上隨處可見、朝向某一側(cè)的碟狀物就是固定微波天線。自20世紀(jì)50年代起，這類設(shè)備就穩(wěn)定地發(fā)揮著作用。在如今可用的微波頻段中，頻率最低的是6 千兆赫頻段，它也是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)百公里跳頻的頻段，因而不可或缺。除一般用途外，此頻段還承載關(guān)鍵安全信息，用于列車間的協(xié)調(diào)、油氣管道的壓力控制、電網(wǎng)平衡、供水設(shè)施管理和緊急呼叫的路由等。

4年前，人們提議在6千兆赫頻段新增Wi-Fi應(yīng)用，各方皆同意絕大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備不會(huì)帶來問題。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)設(shè)在微波天線高方向性主波束的范圍之外，或者工作頻率不同，或者被建筑、地形、地面雜波屏蔽。

爭議的核心問題在于一小部分設(shè)備，這些設(shè)備可能會(huì)在已被使用的頻率上傳輸，且位于微波天線的視距范圍內(nèi)。Wi-Fi業(yè)務(wù)支持方預(yù)測，僅有10億臺(tái)設(shè)備在10萬個(gè)微波接收器之間運(yùn)行。反對方則指出，即便是眾多新發(fā)射器中極小的一部分，也可能造成麻煩的干擾事件。

為緩和這一問題，美國采用了自動(dòng)頻率控制（AFC）系統(tǒng)規(guī)則。Wi-Fi設(shè)備必須向中央AFC數(shù)據(jù)庫報(bào)告位置，由數(shù)據(jù)庫為該位置分配無干擾頻率，或在AFC引導(dǎo)設(shè)備控制下在其周邊工作。AFC系統(tǒng)近一兩年內(nèi)還不會(huì)全面運(yùn)行，人們對其最終的運(yùn)營細(xì)節(jié)依舊爭論不休。

更具爭議的是，無AFC的Wi-Fi設(shè)備的授權(quán)，這些設(shè)備可從任意地理位置、在任意6千兆赫頻率上隨意發(fā)射，但僅限于室內(nèi)，且功率不得高于AFC控制功率的1/4。Wi-Fi支持方的技術(shù)研究表明，建筑物墻壁造成的衰減將避免干擾。微波運(yùn)營商的研究結(jié)果則相反：無控制的室內(nèi)設(shè)備實(shí)際存在干擾。

為什么工程師運(yùn)用相同的方程組卻得出如此不同的結(jié)論？其分析在以下幾個(gè)方面有所不同。

Wi-Fi設(shè)備功率：Wi-Fi設(shè)備以短脈沖進(jìn)行傳輸，平均約1/250的時(shí)間處于活動(dòng)狀態(tài)。Wi-Fi支持方將功率降低了類似數(shù)值，將間歇性傳輸?shù)脑O(shè)備視為連續(xù)傳輸?shù)脑O(shè)備，比如將250 毫瓦間歇性傳輸視為1毫瓦連續(xù)傳輸。微波運(yùn)營商則認(rèn)為，只有在設(shè)備實(shí)際傳輸時(shí)才會(huì)發(fā)生干擾，因此使用全功率進(jìn)行計(jì)算。

建筑物衰減：混凝土建筑墻壁和隔熱窗會(huì)導(dǎo)致6千兆赫信號產(chǎn)生很大的衰減，木墻造成的衰減較少，普通玻璃窗則幾乎不會(huì)造成衰減。Wi-Fi支持方采用了幾種建筑材料的加權(quán)平均值來計(jì)算典型的墻壁衰減。微波運(yùn)營商則推斷，干擾最有可能來自普通玻璃后的非典型Wi-Fi設(shè)備，他們會(huì)據(jù)此計(jì)算并假設(shè)最小衰減量。

路徑損耗：在估算從裝有Wi-Fi設(shè)備的建筑物到微波接收天線的信號損耗時(shí)，Wi-Fi支持方使用了標(biāo)準(zhǔn)傳播模型，該模型包含了其他建筑物、地面雜波等因素造成的衰減。微波運(yùn)營商最關(guān)心的則是位于建筑物和天線之間的露天設(shè)備，因此在計(jì)算中采用了自由空間傳播。

Wi-Fi支持方使用其首選的初始假設(shè)證明，Wi-Fi設(shè)備在廣泛的典型情況下均不存在干擾風(fēng)險(xiǎn)。微波運(yùn)營商則使用了一組不同的假設(shè)，證明一小部分Wi-Fi設(shè)備在非典型位置存在很大的干擾風(fēng)險(xiǎn)，將其占比乘以近10億臺(tái)Wi-Fi設(shè)備后，則確定存在干擾。

人們希望自己的智能手機(jī)和平板電腦在任何地方都能快速上網(wǎng)，這需要很多頻譜。該頻段附近的4.2~4.4 千兆赫頻段會(huì)為雷達(dá)高度儀（也稱為無線電高度儀）提供服務(wù)，這些儀器會(huì)告訴飛行員或自動(dòng)著陸系統(tǒng)飛機(jī)距離地面的高度。高度儀的工作原理是向下發(fā)射無線電波，這些電波經(jīng)地面反射后會(huì)返回設(shè)備的接收器。根據(jù)無線電波往返的時(shí)間可知海拔高度。大型飛機(jī)會(huì)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)或三個(gè)高度儀以實(shí)現(xiàn)冗余。

即使高度儀使用的頻率與5G頻段分離，它仍然會(huì)受到5G的干擾。因?yàn)榘ㄓ糜?G的發(fā)射器在內(nèi)的每個(gè)發(fā)射器都會(huì)在其指定頻率外發(fā)射多余的信號。每個(gè)接收器對超出其預(yù)期范圍的信號同樣敏感，有些比其他接收器更為靈敏。如果來自5G發(fā)射器的能量處于高度儀接收器的靈敏度范圍內(nèi)，則可能發(fā)生干擾。

航空利益群體擔(dān)心C波段5G的推出會(huì)產(chǎn)生不良后果，其中一個(gè)理由便是可能“給地面造成災(zāi)難性影響，導(dǎo)致多人死亡”。與6千兆赫Wi-Fi的情況一樣，5G提供商和航空倡導(dǎo)者以不同假設(shè)為切入點(diǎn)，就干擾做出了不同預(yù)測。以下是一些關(guān)鍵的分歧領(lǐng)域：

5G帶外發(fā)射：在航空集團(tuán)工作的無線電工程師假設(shè)的發(fā)射水平高于無線運(yùn)營商，表示航空研究的結(jié)果超出了美國聯(lián)邦通信委員會(huì)限制。

高度儀接收器的信道外靈敏度：目前應(yīng)用的高度儀品牌和型號有若干種，其接收器特性不同，導(dǎo)致研究中存在分歧。

同一架飛機(jī)或附近其他飛機(jī)上的高度儀：機(jī)場中運(yùn)行的高度儀有很多。無線運(yùn)營商表示，這些會(huì)消除5G干擾的影響。航空利益群體則反駁稱，多個(gè)高度儀會(huì)消耗彼此的干擾余量，更易受到5G的干擾。

飛機(jī)俯仰和橫滾：航空倡導(dǎo)者認(rèn)為，飛機(jī)在接近跑道時(shí)的角度變化可能會(huì)導(dǎo)致高度儀接收器暴露于更多5G信號下。

地面反射率：航空團(tuán)體傾向于使用較低反射率值進(jìn)行建模，這會(huì)降低高度儀的接收信號強(qiáng)度，從而增加其對5G干擾的敏感度。

為了充分保護(hù)6千兆赫微波運(yùn)營，使其免受微波接收器視距范圍內(nèi)的小部分Wi-Fi設(shè)備的干擾，需要對為大量用戶提供的Wi-Fi服務(wù)進(jìn)行降級。同樣，要消除因5G干擾造成的任何高度儀災(zāi)難性故障發(fā)生的可能性，可能需要在部分人口稠密地區(qū)關(guān)閉C波段5G。

編輯：黃飛