不同无线电频谱的技术区别分析

你一定见过“5G是否会导致飞机坠毁？”这类骇人听闻的标题。航空管理局警告称，5G新业务可能会干扰飞行员用于确保安全着陆的雷达高度仪，此后便开始出现类似报道。

最近，向Wi-Fi设备开放点对点微波系统长期使用的6千兆赫频段来用于传输关键安全数据的决定引发了有关公共安全的争议。微波运营商认为Wi-Fi设备将会对其系统造成干扰；Wi-Fi利益群体则坚持不会产生干扰。

基于无线电的新业务是否会干扰同频段的现有业务，这似乎纯属物理问题。但持反对意见的各方往往有不同的技术分析结果。工程师们无法达成一致，让公共安全成为了诸多竞争性利益之一。我深度参与了此类争论，在此想分享这些问题是如何产生、又是如何解决的。

并非所有的无线电频谱都是相同的。低频电波传播距离更远，在建筑中和地面上的穿透力更强。高频电波的带宽便于传输更多数据，使用小尺寸天线时效果很好。基于无线电的各项应用皆有其自身需求和最适合的频段。

移动数据的适用频段（4G、5G、Wi-Fi、蓝牙等）从几百兆赫到几千兆赫不等。电话、平板电脑、笔记本电脑、智能音箱、带Wi-Fi功能的电视和其他应用、物联网设备、诸多商用及工业用设备所需的频率同样为几百兆赫到几千兆赫。

问题在于，这一频段数十年来已被严重占用。因此，出现5G这样的新业务或需要扩展Wi-Fi等旧业务时，现在有两个选择。对于5G等许可类业务，通常的做法是清除一系列频段的现有用户，要么转而使用邻近频段，要么彻底迁移至其他频段，然后拍卖已腾空的频段，将其出售给新业务的提供商。对于Wi-Fi等非许可类业务，通常在功率较低的频率将现有业务与新业务叠加。

新业务提供商常常表示干扰并非由自己造成，而是由于现有业务所用的接收器性能不佳，无法筛除干扰信号。这样的论点往往站不住脚。新业务必须考虑频谱问题和所需频谱的当前使用方。完成此任务的策略多种多样。

更复杂的问题是，有争议的研究和测试并未对干扰给出非黑即白的结论，而是提出了不同程度干扰的可能性。就特定干扰水平是否有害或是否会造成受影响的接收器失灵，相关各方往往无法达成一致。要就干扰问题形成结论，在错综复杂、相互排斥的种种不确定性中找到出路。以下是一些具体的问题，说明了这种极其普遍的动态。

铁塔和楼宇上随处可见、朝向某一侧的碟状物就是固定微波天线。自20世纪50年代起，这类设备就稳定地发挥着作用。在如今可用的微波频段中，频率最低的是6 千兆赫频段，它也是唯一能够实现百公里跳频的频段，因而不可或缺。除一般用途外，此频段还承载关键安全信息，用于列车间的协调、油气管道的压力控制、电网平衡、供水设施管理和紧急呼叫的路由等。

4年前，人们提议在6千兆赫频段新增Wi-Fi应用，各方皆同意绝大多数Wi-Fi设备不会带来问题。统计数据表明，大多数设在微波天线高方向性主波束的范围之外，或者工作频率不同，或者被建筑、地形、地面杂波屏蔽。

争议的核心问题在于一小部分设备，这些设备可能会在已被使用的频率上传输，且位于微波天线的视距范围内。Wi-Fi业务支持方预测，仅有10亿台设备在10万个微波接收器之间运行。反对方则指出，即便是众多新发射器中极小的一部分，也可能造成麻烦的干扰事件。

为缓和这一问题，美国采用了自动频率控制（AFC）系统规则。Wi-Fi设备必须向中央AFC数据库报告位置，由数据库为该位置分配无干扰频率，或在AFC引导设备控制下在其周边工作。AFC系统近一两年内还不会全面运行，人们对其最终的运营细节依旧争论不休。

更具争议的是，无AFC的Wi-Fi设备的授权，这些设备可从任意地理位置、在任意6千兆赫频率上随意发射，但仅限于室内，且功率不得高于AFC控制功率的1/4。Wi-Fi支持方的技术研究表明，建筑物墙壁造成的衰减将避免干扰。微波运营商的研究结果则相反：无控制的室内设备实际存在干扰。

为什么工程师运用相同的方程组却得出如此不同的结论？其分析在以下几个方面有所不同。

Wi-Fi设备功率：Wi-Fi设备以短脉冲进行传输，平均约1/250的时间处于活动状态。Wi-Fi支持方将功率降低了类似数值，将间歇性传输的设备视为连续传输的设备，比如将250 毫瓦间歇性传输视为1毫瓦连续传输。微波运营商则认为，只有在设备实际传输时才会发生干扰，因此使用全功率进行计算。

建筑物衰减：混凝土建筑墙壁和隔热窗会导致6千兆赫信号产生很大的衰减，木墙造成的衰减较少，普通玻璃窗则几乎不会造成衰减。Wi-Fi支持方采用了几种建筑材料的加权平均值来计算典型的墙壁衰减。微波运营商则推断，干扰最有可能来自普通玻璃后的非典型Wi-Fi设备，他们会据此计算并假设最小衰减量。

路径损耗：在估算从装有Wi-Fi设备的建筑物到微波接收天线的信号损耗时，Wi-Fi支持方使用了标准传播模型，该模型包含了其他建筑物、地面杂波等因素造成的衰减。微波运营商最关心的则是位于建筑物和天线之间的露天设备，因此在计算中采用了自由空间传播。

Wi-Fi支持方使用其首选的初始假设证明，Wi-Fi设备在广泛的典型情况下均不存在干扰风险。微波运营商则使用了一组不同的假设，证明一小部分Wi-Fi设备在非典型位置存在很大的干扰风险，将其占比乘以近10亿台Wi-Fi设备后，则确定存在干扰。

人们希望自己的智能手机和平板电脑在任何地方都能快速上网，这需要很多频谱。该频段附近的4.2~4.4 千兆赫频段会为雷达高度仪（也称为无线电高度仪）提供服务，这些仪器会告诉飞行员或自动着陆系统飞机距离地面的高度。高度仪的工作原理是向下发射无线电波，这些电波经地面反射后会返回设备的接收器。根据无线电波往返的时间可知海拔高度。大型飞机会同时运行两个或三个高度仪以实现冗余。

即使高度仪使用的频率与5G频段分离，它仍然会受到5G的干扰。因为包括用于5G的发射器在内的每个发射器都会在其指定频率外发射多余的信号。每个接收器对超出其预期范围的信号同样敏感，有些比其他接收器更为灵敏。如果来自5G发射器的能量处于高度仪接收器的灵敏度范围内，则可能发生干扰。

航空利益群体担心C波段5G的推出会产生不良后果，其中一个理由便是可能“给地面造成灾难性影响，导致多人死亡”。与6千兆赫Wi-Fi的情况一样，5G提供商和航空倡导者以不同假设为切入点，就干扰做出了不同预测。以下是一些关键的分歧领域：

5G带外发射：在航空集团工作的无线电工程师假设的发射水平高于无线运营商，表示航空研究的结果超出了美国联邦通信委员会限制。

高度仪接收器的信道外灵敏度：目前应用的高度仪品牌和型号有若干种，其接收器特性不同，导致研究中存在分歧。

同一架飞机或附近其他飞机上的高度仪：机场中运行的高度仪有很多。无线运营商表示，这些会消除5G干扰的影响。航空利益群体则反驳称，多个高度仪会消耗彼此的干扰余量，更易受到5G的干扰。

飞机俯仰和横滚：航空倡导者认为，飞机在接近跑道时的角度变化可能会导致高度仪接收器暴露于更多5G信号下。

地面反射率：航空团体倾向于使用较低反射率值进行建模，这会降低高度仪的接收信号强度，从而增加其对5G干扰的敏感度。

为了充分保护6千兆赫微波运营，使其免受微波接收器视距范围内的小部分Wi-Fi设备的干扰，需要对为大量用户提供的Wi-Fi服务进行降级。同样，要消除因5G干扰造成的任何高度仪灾难性故障发生的可能性，可能需要在部分人口稠密地区关闭C波段5G。

编辑：黄飞