无线电频谱之争

你一定见过“5G是否会导致飞机坠毁？”这类骇人听闻的标题。去年年末，美国联邦航空管理局警告称，美国电话电报公司（ATT）和威瑞森通信公司的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。ATT和威瑞森表示并不存在这种现象，此说法得到了负责授权5G业务的美国联邦通信委员会（FCC）的支持。他们坚称高度仪是安全的。航空旅客则不知何种说法可信。

最近，美国联邦通信委员会决定向Wi-Fi设备开放点对点微波系统长期使用的6千兆赫频段，用于传输关键安全数据，该决定也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。（作为律师，我在由此产生的法律争议中代表微波产业群体。）

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，美国联邦通信委员会有两个选择。对于5G等许可类业务，美国联邦通信委员会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，美国联邦通信委员会则通常在功率较低的频率将现有业务与新业务叠加。

美国联邦通信委员会也试图为新业务或拓展业务制定技术规则，以避免对大多数现有业务产生影响。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。

美国国会禁止美国联邦通信委员会（和其他联邦机构）在未公开征求意见前修改基本监管规定。就技术问题而言，美国联邦通信委员会在《拟议规章公告》中简述其规划意向后，公开意见大部分来自受影响的行业。之后便是发布在美国联邦通信委员会网站上的书面意见的反复交流，此过程通常会持续一年甚至更久。

一般而言，有关各方也可在发布意见概要后向美国联邦通信委员会人员和5名委员会专员亲自陈述意见。相关人员有时也会借此类会议来试探各方可能达成的折衷意见。

这种公开透明的过程却有个特例：美国联邦航空管理局等其他联邦机构可在美国联邦通信委员会网站提交意见（有时也确实提交了意见），但这些机构也可通过其他渠道私下交流意见。

与频谱相关的意见往往有两类。一是新业务方和现有业务方均向美国联邦通信委员会提供数据展示各自业务的广泛需求、对经济的重要性，以及促进教育、安全和其他公共福祉的作用。二是对新频谱利用持相反意见的双方提交工程研究和模拟结果，有时相关文件多达数百页。

可以想见，双方的研究结论会背道而驰。支持方会证明新业务对现有业务没有不良影响，而现有业务运营商则会展示其将受到毁灭性的干扰。各方会对另一方的研究逐一驳斥，还可能展开相应研究以进一步证明对方的错误。

这种相反结论是如何产生的呢？这并不是因为其采用的麦克斯韦方程组的版本不同，而是因为双方在研究切入点方面，对新业务发射器的特征、现有业务接收器的特征以及影响收发效果的几何结构和传播有着不同的假设。这些因素中某些部分的细小差别会给结果带来明显差异。

有时，相关方、美国联邦通信委员会或其他政府机构会在实验室或现场进行硬件测试，以评估干扰程度及其影响。但此类实验不仅不能解决问题，反而会激化争端。各方会对试验装置是否现实、数据分析是否准确、测试结果对现实运营的意义等各持己见。

例如，航空利益群体的测试发现5G传输会干扰无线电高度仪，无线运营商则坚决表示质疑。相比之下，由于未就6千兆赫Wi-Fi的议程展开测试，争论的焦点便转向了理论分析和模拟结果。

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，美国联邦通信委员会提议在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，美国联邦通信委员会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，美国联邦通信委员会还授权了无AFC的Wi-Fi设备，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。

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。

美国人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。2018年，美国国会通过了一项法规，要求美国联邦通信委员会寻找更多频谱并特别考虑3.7~4.2 千兆赫，该频段属于20世纪60年代以来用于接收卫星信号的C波段。2020年，美国联邦通信委员会对该频段进行了划分，为5G移动数据分配了3.7~3.98千兆赫的频段。2021年初，美国联邦通信委员会以810亿美元的价格拍卖了新的5G频段，其中大部分由威瑞森和ATT获得。预计买受人还将向卫星提供商支付约130亿美元，以补偿其转移到其他频率的成本。

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。

美国联邦通信委员会会监管发射器的带外发射。相比之下，该机构对接收器带外接收的规定很少（尽管最近美国联邦通信委员会就是否扩展相关规定展开了讨论）。制造商设计接收器时，通常会使在预期环境中可靠运行，如果其接收频率附近且以往无信号的频谱中出现新业务，则可能会导致接收器受到干扰。

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”。美国联邦通信委员会的5G行政令简洁地驳回了干扰高度仪的问题，但美国联邦通信委员会邀请了航空业进一步对此展开研究。航空业经研究，再次表达了关切，并要求无线运营商避免在机场附近使用5G。但此时无线运营商已投入近1000亿美元开始建设设施。

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。

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。

运营商暂停了部分机场附近的5G部署，航空公司也取消并重新安排了部分航班。在撰写本文时，美国联邦航空管理局正在评估可能受影响的飞机、高度仪和机场系统。最有可能的情况是，5G将占上风。若发生美国联邦航空管理局和美国联邦通信委员会认为C波段5G无法在机场附近安全运行的事件（极不可能），无线运营商则可能有权获得810亿美元拍卖款的部分退款。

长期以来，做出复杂的权衡取舍一直是美国联邦通信委员会 5位专员的工作。他们是政府任命的人员，由总统提名并经参议院确认。现在在职的4人（有1名空缺）均为律师。专员曾经由有技术背景的人担任，但那已是数十年前的事。美国联邦通信委员会拥有高素质的工程师，但仅担任顾问角色。专员并无义务听取其建议。

美国国会要求美国联邦通信委员会“出于公共利益”进行监管，但专员们必须具体问题具体对待。法律上，只要提交的意见中有部分表示支持，他们便可以达成任何结果，即使提交的其他意见更强烈地支持相反结果。在公共利益需要多少安全保护方面，就6 千兆赫和5G问题向美国联邦通信委员会提交的意见中出现了尖锐的分歧。

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。

授权6千兆赫Wi-Fi和C波段5G的行政令并未作出相关要求，也未表明已经实现了零风险。关于5G的行政令表示，高度仪享有“所有应有的保护”。有关6千兆赫，联邦上诉法院听从了技术专家的意见，美国联邦通信委员会则表示已“将有害干扰的可能性降低到公共利益要求的最低限度”。

这些构想明确表示，安全只是已考量的公共利益组合中的几个要素之一。一方面是最大限度降低飞机失事和管道爆炸风险的目标，另一方面是对无所不在的互联网接入的需求和美国国会重新利用更多频谱的命令，专员们必须在两者间取得平衡。

最终，专员们同意了支持者的说法，即来自6千兆赫Wi-Fi的有害干扰风险尽管存在，但“微不足道”，同样，来自5G的干扰也并不“可能……在……合理可预见的场景下”出现，这些结论让提供新服务成为了可能。

人们总是认为政府将公民的绝对安全放在首位，但监管和工程一样，是不断变化的权衡事件。设定高速公路限速的官员虽然知道降低限速可以挽救生命，但也会考虑驾车者及时到达目的地的意愿。因此，美国联邦通信委员会实施类似的平衡措施也就不足为奇了。

来源：悦智网 作者：Mitchell Lazarus