Anfang März 2020 stellte die Federal Communications Commission (FCC) in den Vereinigten Staaten 280 MHz an Frequenzen im mittleren Frequenzband für eine flexible Nutzung bereit, um den dringenden Bedarf an freien Frequenzen für die Einführung von 5G-Mobilfunkdiensten zu decken [1]. Ein weiterer Teil des mittleren Frequenzbands, nämlich der Bereich zwischen 4,2 und 4,4 GHz, ist für den Einsatz von Radarhöhenmessern in Flugzeugen weltweit reserviert. Radarhöhenmesser sind für die Navigation von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei Anflügen auf Flughafenlandebahnen unter schlechten Sichtverhältnissen mit Instrumentenlandesystem (ILS), und relativ anfällig für Störungen. Durch die Freigabe des Frequenzbereichs zwischen 3,7 und 3,98 GHz für die flexible Nutzung stellte die FCC sicher, dass ein Schutzband von 220 MHz zwischen künftigen 5G-Emissionen und dem Frequenzspektrum der Radarhöhenmesser bestehen bleibt. Obwohl die FCC das 220-MHz-Schutzband als ausreichend erachtet hatte, um 5G-Störungen bei Radarhöhenmessern zu mindern, kam eine von der Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA, Inc.) erstellte Studie, die empirische Daten für Radarhöhenmesser verwendete, die für derzeit in zivilen Flugzeugen eingesetzte Modelle repräsentativ sind [1], zu dem Schluss, dass ihre Ergebnisse „ein erhebliches Risiko aufzeigen, dass 5G-Telekommunikationssysteme im 3,7–3,98-GHz-Band schädliche Störungen bei Radarhöhenmessern aller Arten von Zivilflugzeugen verursachen werden“ [2]. Während die Mobilfunkbranche und die Unternehmen (AT&T und Verizon), die die Auktion für das freigegebene Frequenzspektrum gewonnen haben, bestimmte Methoden und Schlussfolgerungen der RTCA-Studie beanstandet haben [3, 4], haben alle Beteiligten Anfang Januar 2022 eine Vereinbarung ausgehandelt, die Emissionen von 5G-Basisstationen in Pufferzonen um 50 ausgewählte US-Flughäfen (siehe Abbildung 1) vorübergehend einzuschränken und/oder zu begrenzen, um Zeit für die Klärung offener Fragen bezüglich der Radarhöhenmesser-Ausrüstung zu gewinnen [5, 6].
Diese Beschränkungen sollen am 5. Juli 2022 auslaufen. Wie der US-Verkehrsminister Pete Buttigieg jedoch Ende April 2022 vor dem Haushaltsausschuss des Senats erklärte, wird die langfristige technische Lösung, nämlich die Nachrüstung bzw. der Austausch der Radarhöhenmesser [7] in der gesamten US-Flotte, „bis zum Sommer dieses Jahres nicht vollständig umgesetzt sein“ [8, 9].
1 Empirische Daten für repräsentative Radarhöhenmesser-Modelle wurden der RTCA vom Aerospace Vehicle Systems Institute (AVSI) zur Verfügung gestellt.
Am 17. Juni 2022 gab die Federal Aviation Administration (FAA) bekannt, dass Verizon und AT&T sich freiwillig bereit erklärt haben, die Nutzung des C-Band-5G-Netzes teilweise bis Juli 2023 aufzuschieben, um den Umbau der Flugzeuge abzuschließen [10]. Dennoch wies Verizon darauf hin, dass die Vereinbarung es den Mobilfunkbetreibern ermöglichen werde, „die freiwilligen Beschränkungen für den Ausbau unseres 5G-Netzes in der Umgebung von Flughäfen in den kommenden Monaten schrittweise aufzuheben“ [11]. Daher muss in den kommenden Monaten standortspezifisch genau ermittelt werden, inwieweit 5G-Interferenzen mit älteren Radarhöhenmessern ein Risiko für Landeanflüge rund um US-Flughäfen darstellen, damit 5G-Basisstationen innerhalb der ehemals gesperrten Zonen in Betrieb genommen werden können und gleichzeitig die Sicherheit gewährleistet ist.
Störungen zwischen 5G-Emissionen und Radarhöhenmessern können auf zwei Arten auftreten (siehe Abbildung 3). (1) 5G-Grundwellenemissionen (im Frequenzband von 3,7 bis 3,98 GHz) könnten den Passbandfilter im Empfänger des Höhenmessers überwinden (grüne gestrichelte Linie in Abbildung 3), was zu einer Sättigung des Vorverstärkers führen würde. (2) 5G-Störstrahlungen im Frequenzband von 4,2–4,4 GHz können direkt zu fehlerhaften Höhenmesswerten oder zum Ausbleiben eines Messwerts führen. Da Radarhöhenmesser für die Instrumentenlandung bei schlechten Sichtverhältnissen eingesetzt werden, könnten solche Interferenzen potenziell verheerende Folgen haben.
Um zu beurteilen, ab welcher Höhe die am Radarhöhenmesser empfangene Leistung als potenziell gefährlich einzustufen ist, stützte sich die RTCA-Studie auf von AVSI bereitgestellte Interferenz-Toleranzmasken (ITMs), die auf empirischen Daten und Szenarioannahmen basierten, um die Testumgebung einzurichten. Die ITMs dienen dazu, einen Interferenzschwellenwert zu ermitteln, der als spektrale Leistungsdichte (PSD) am Empfänger des Radarhöhenmessers definiert ist und ab dem Störungen durch 5G-Emissionen gefährlich werden. Da das zum Höhenmesser zurückkehrende Signal stärker wird, je näher sich das Flugzeug dem Boden nähert, steigt der Interferenzschwellenwert entsprechend an. Somit ist die Interferenztoleranzmaske sowohl eine Funktion der Höhe als auch der Frequenz.
Wie im RTCA-Bericht [2] beschrieben, basierten die ITMs auf empirischen Tests von neun Radarhöhenmesser-Modellen von fünf verschiedenen Herstellern, stützten sich jedoch auch auf theoretische Berechnungen und Umgebungsannahmen, um die für diese Tests verwendeten Parameter festzulegen. Zu den in den Testaufbau einbezogenen Annahmen gehören Worst-Case-Schätzungen der Reflexionseigenschaften des Geländes, die Tatsache, dass sich das Flugzeug in einer steilen Schräglage befinden könnte, was den Betriebsgewinn der Antenne des Höhenmessers verringert, sowie das mögliche Vorhandensein anderer Radarhöhenmesser im selben Flugzeug oder rollender Flugzeuge auf der Start- und Landebahn, die zu Störungen innerhalb des Radarhöhenmesser-Bands beitragen. Unter Berücksichtigung dieser Schätzungen und für eine bestimmte Testflughöhe wurden ein geeigneter Dämpfungsfaktor, eine Phasenverzögerung und ein Hintergrundinterferenzpegel auf das vom Ausgangsanschluss eines bestimmten Radarhöhenmessermodells erzeugte Signal angewendet, bevor dieses wieder in den Eingangsanschluss des Höhenmessers eingespeist wurde. Die Störfestigkeitsschwelle für einen bestimmten Höhenmesser konnte dann bestimmt werden, indem ein zusätzliches Störsignal mit steigender Amplitude entweder bei der 5-GHz-Grundbetriebsfrequenz oder in der Mitte des Radarhöhenmesser-Bands angelegt wurde, bis fehlerhafte Höhenmesseranzeigen gemeldet wurden. Dieses Verfahren ermöglichte es AVSI, „Black-Box“-Tests der neun Höhenmessermodelle durchzuführen und auf ein detailliertes Verständnis der internen Funktionsweise eines bestimmten Höhenmessers, wie beispielsweise die Auslegung des Front-End-Bandpassfilters, zu verzichten. Die von AVSI gemeldete Störfestigkeitsmaske als Funktion der Höhe und für eine bestimmte Frequenz (entweder 3,85 GHz oder 4,3 GHz – jeweils in der Mitte des 5G- bzw. des Radarhöhenmesser-Bands) stellt den Worst-Case-Grenzwert (d. h. den niedrigsten) dar, der für die neun getesteten Höhenmesser gemessen wurde. Obwohl AT&T und Verizon sowie die Mobilfunkbranche im weiteren Sinne bestimmte Annahmen, die zur Erstellung dieser ITMs herangezogen wurden, als zu konservativ kritisiert haben [3, 4], verwenden wir diese ITMs, um einen direkten Vergleich mit den RTCA-Ergebnissen zu ermöglichen, die im Mittelpunkt der vorliegenden Studie stehen.
Experten der Mobilfunkbranche teilten der RTCA-Studienarbeitsgruppe mit, dass die in Ref. [13] beschriebene Phased-Array-Technologie für aktive Antennensysteme (AAS) höchstwahrscheinlich in künftigen 5G-Basisstationen zum Einsatz kommen werde, um die Kapazitätssteigerungen zu nutzen, die durch hochverstärkende, dynamisch steuerbare Strahlen und räumliches Multiplexing erzielt werden können. Diese Branchenexperten legten der Arbeitsgruppe zudem spezifische Merkmale für AAS-Basisstationen vor, die voraussichtlich in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden.
Für die Untersuchung des ILS-Anflugszenarios wurde eine für städtische Umgebungen geeignete AAS-Phasenarray-Antenne angenommen. In diesem Fall besteht die AAS aus einem rechteckigen Raster von 16 × 16 Antennenelementen mit einem horizontalen Abstand von 0,5 λ und einem vertikalen Abstand von 0,7 λ, wobei λ die Wellenlänge der 5G-Grundemissionen ist (entspricht z. B. 3,85 GHz). Mathematische Formeln für das Elementgewinnmuster sind in Ref. [13] angegeben. Die für diese Studie verwendeten Parameter legen einen Elementgewinn von 6,4 dBi, eine horizontale 3-dB-Strahlbreite des Elements von 90 Grad, eine vertikale 3-dB-Strahlbreite des Elements von 65 Grad und ein Vor-Rück-Gewinnverhältnis von 30 dB fest. Das mit dem rechteckigen 16×16-Elementraster erzielte Gewinnmuster ergibt sich aus dem Standardausdruck für den Gewinnfaktor bei gleichmäßigen rechteckigen Arrays, der in Ref. [14] zu finden ist und in Ref. [13] wiedergegeben wird. Der maximale Array-Verstärkungsfaktor beträgt 24,08 dBi und wird bei einem seitlich ausgerichteten Array mit einer elektronischen Neigung von 0° nach oben/unten erreicht. In Kombination mit dem Elementgewinn ergibt sich daraus ein Gesamtgewinn der Phased-Array-Antenne von 30,5 dBi.
Die maximale leitungsgebundene Leistung pro Element wird mit 25 dBm angenommen, was eine Gesamtleistung von 49,1 dBm für die 256-Element-Anordnung ergibt. In Kombination mit dem maximalen Phased-Array-Antennengewinn beträgt die maximale äquivalente isotrope Strahlungsleistung (EIRP) 79,6 dBm. Es wird angenommen, dass diese Leistung gleichmäßig über eine Downlink-Bandbreite von 100 MHz verteilt ist, was eine spektrale Spitzenausgangsleistungsdichte (PSD) für die EIRP von 59,6 dBm/MHz ergibt. Dies entspricht der maximal zulässigen EIRP im 3,7–3,98-GHz-Band gemäß der FCC-Verordnung, die eine maximale PSD für abgestrahlte Emissionen innerhalb des lizenzierten Bandes auf 62 dBm/MHz für nicht-ländliche Umgebungen festlegt [1], und liegt leicht darunter. Zudem wird für die Simulationen des unten beschriebenen ILS-Landeanflugszenarios die Leistung um weitere 3 dB reduziert, um den geschätzten Aktivitätsfaktor von 50 % für die Downlink-Kommunikation von der Basisstation abzubilden. Die Parameter für das oben beschriebene AAS-Array sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Es wird davon ausgegangen, dass das Phased-Array in vertikaler Richtung elektronisch von einem Abwärtswinkel von 20° relativ zur Visierlinie des seitlich ausgerichteten Arrays bis zu einem Aufwärtswinkel von bis zu 10° gescannt werden kann. In Kombination mit einer angenommenen mechanischen Neigung nach unten von 10° kann der Strahl in vertikaler Richtung von 30° unterhalb der Horizontalen bis zur perfekten Horizontalen abgetastet werden. Das Antennengewinnmuster für Grundfrequenzemissionen einer 5G-Basisstation ist im linken Teil von Abbildung 4 dargestellt. Für das dargestellte Gewinnmuster wird zusätzlich zu einer mechanischen Neigung nach unten von 10° eine maximale elektronische Neigung nach unten von 20° angenommen. Das Gewinnmuster und die zugehörige rechteckige Anordnung der Antennenelemente werden so dargestellt, wie sie im Ausbreitungstool Wireless InSite® von Remcom [15] gerendert wurden, das im Rahmen dieses Artikels verwendet wird, um die Ausbreitung in einer städtischen Außenumgebung zu modellieren, einschließlich Reflexionen vom Gelände sowie Reflexionen und Beugungen an Gebäudestrukturen. Die dargestellte 5G-Basisstation mit Phased-Array ist von Straßen und Gebäudestrukturen umgeben, die aus OpenStreetMap für die Geometrie rund um den O’Hare International Airport importiert wurden. Die rechteckige Anordnung der Elemente wird jedoch in stark übertriebenem Maßstab dargestellt, damit die Anordnung in der Szene sichtbar ist.
Die obige Erörterung beschreibt das Strahlungsdiagramm, das für In-Band-Emissionen der 5G-Basisstationen (d. h. bei 3,85 GHz) verwendet wird, wobei die relativen Phasen zwischen den Elementen elektronisch so angepasst werden, dass die 5G-Grundemission bei 3,85 GHz in bestimmte bevorzugte Richtungen gelenkt wird. Bei der Betrachtung von 5G-Störstrahlungen, die für die 5G-Basisstation außerhalb des Bandes, für den Radarhöhenmesser jedoch innerhalb des Bandes liegen (z. B. bei ≈4,3 GHz), wird angenommen, dass die relativen Phasen zwischen den Elementen nicht mehr ausreichend korreliert sind, um die Strahlen in bevorzugte Richtungen zu lenken. Unter der Annahme vollständig unkorrelierter Phasen zwischen den Elementen würde der Erwartungswert für den Phased-Array-Gewinn einfach im Mittel 0 dB betragen. Daher wird im Falle von Störemissionen angenommen, dass das Phased Array keinen zusätzlichen Gewinnfaktor liefert und der Gewinn einfach dem des Strahlungsdiagramms eines einzelnen Elements entspricht. Wie bereits in der RTCA-Studie angenommen, geht die vorliegende Studie daher einfach davon aus, dass das Strahlungsdiagramm des AAS-Phased-Array-Antennenarrays bei Betrieb auf Störaussendungsfrequenzen durch das Antennenstrahlungsdiagramm eines einzelnen Elements gegeben ist. Ein solches Strahlungsdiagramm ist im rechten Teil von Abbildung 4 dargestellt.
Hinsichtlich der Größe der PSD, die zur Simulation von Störaussendungen einer 5G-Basisstation bei ≈4,3 GHz zu verwenden ist, legt die FCC-Verordnung fest, dass die leitungsgebundenen Emissionen einer 5G-Basisstation bei Frequenzen über 3,98 GHz -13 dBm/MHz nicht überschreiten dürfen. Da die Emissionen der Geräte jedoch auch jenseits von 3,98 GHz weiter abfallen, empfahlen Experten der Mobilfunkbranche der RTCA-Arbeitsgruppe, dass eine auf unter -13 dBm/MHz reduzierte PSD für die Bewertung von Störaussendungen bei 4,3 GHz angemessen wäre. Für die Zwecke der Studie entschied sich die RTCA, bei der Bewertung von Störungen durch Störaussendungen eine PSD für leitungsgebundene Emissionen von -20 dBm/MHz bei einer Frequenz von 4,3 GHz anzunehmen. Um die vorliegende Studie an die in der RTCA-Studie angenommenen Bedingungen anzupassen, wird auch hier eine PSD für leitungsgebundene Emissionen von -20 dBm/MHz verwendet.
Um die Interferenzen sowohl durch 5G-Grundfrequenzemissionen (≈3,85 GHz) als auch durch 5G-Störfrequenzemissionen (≈4,3 GHz) zu bewerten, werden die Richtdiagramme repräsentativer Antennen, wie sie in zivilen Flugzeugen verwendet werden, sowohl für die In-Band-Frequenzen (≈4,3 GHz) als auch für die Out-of-Band-Frequenzen (≈3,85 GHz) des Radarhöhenmessers benötigt. Im Rahmen der RTCA-Studie wurde das Verstärkungsmuster für zwei repräsentative Antennen bei jeder dieser Frequenzen gemessen; ein geglätteter Mittelwert der beiden gemessenen Muster wurde angegeben und für die nachfolgende Analyse in der Studie verwendet. Die Verstärkungsmuster sind in Abbildung 6-11 (für 3,85 GHz) und Abbildung 6-12 (für 4,3 GHz) von Ref. [2] dargestellt. Diese Gewinnkurven wurden direkt aus Ref. [2] digitalisiert und für die vorliegende Studie verwendet.
Die in Wireless InSite dargestellten Richtdiagramme für jede dieser Frequenzen sind in Abbildung 5 dargestellt. Die Diagramme wurden unter Berücksichtigung der typischen Anordnung von Radarhöhenmessern in Boeing-757-Passagierflugzeugen erstellt. Die dargestellte Geometrie der Boeing 757 dient lediglich der Veranschaulichung und steht in keinerlei Zusammenhang mit den in dieser Studie durchgeführten Funkausbreitungsanalysen.
Der maximale Gewinn bei 3,85 GHz beträgt nur 1,375 dBi, da dies eine Frequenz außerhalb des Bandes des Höhenmessers ist, während der maximale Gewinn bei 4,3 GHz, dem Zentrum des Radarhöhenmesserbandes, 9,397 dBi beträgt.
Das im RTCA-Bericht untersuchte ILS-Landeanflug-Szenario bezog sich auf ein Flugzeug, das auf der Landebahn 27L am O’Hare International Airport (ORD) in Chicago, Illinois, landete. Die Landebahnschwelle befindet sich auf dem Breitengrad 41°59’02” N, dem Längengrad 87°53’21” W und einer Höhe von 654 Fuß über dem mittleren Meeresspiegel (MSL). Die angenommene Flugbahn basiert auf der offiziellen ILS-Anflugkarte der Kategorie II/III für die Landebahn 27L, die einen Gleitwinkel von 3°, einen Kurs genau nach Westen und eine Landung 1040 Fuß (317 Meter) hinter der Landebahnschwelle vorsieht. Um ein realistisches 5G-Interferenzszenario vor der Errichtung von 5G-Basisstationen zu simulieren, entschied sich der RTCA-Bericht dafür, bestehende 4G-LTE-Basisstationen (Long Term Evolution) in der Nähe der Flugbahn zu identifizieren und anzunehmen, dass zukünftige 5G-Basisstationen an denselben Mobilfunkmasten montiert würden. Der RTCA-Bericht identifizierte 5 solcher Basisstationen, die in Tabelle 2 aufgeführt sind und deren Standorte mithilfe des FCC Antenna Structure Registration (ASR) Search Tool [16] verifiziert wurden. Diese Mobilfunkmasten sind auch in Google Earth [17]-Bildern zu sehen, die in der vorliegenden Studie verwendet wurden, um die Standorte der Masten leicht anzupassen und sie relativ zu Gebäudestrukturen präzise zu lokalisieren.
Die für die RTCA-Studie und die vorliegende Studie verwendete Flugroute ist in Abbildung 6 als Darstellung in Wireless InSite zu sehen. Die Flugroute wird durch rote Quadrate gekennzeichnet, die die Positionen der Radarhöhenmesser an gleichmäßig verteilten Punkten entlang der Flugroute markieren. Am linken Rand der Darstellung ist ein Teil des O’Hare International Airport zu sehen, und die Flugroute endet auf der Landebahn 27L.
Die genauen Standorte der fünf in der Studie verwendeten Basisstationen sind durch kleine grüne Quadrate gekennzeichnet, die in der Nähe mit der FCC-Registrierungsnummer in orangefarbener Schrift beschriftet sind. Der Großteil der Geometriedaten für Gebäudestrukturen, Straßen, Vegetation und Gewässer stammt aus OpenStreetMap [12]. Eine kleine Anzahl von Wohngebäuden in der Nähe der Flugroute fehlte in OpenStreetMap. Diese Gebäude wurden durch entsprechende Wohngebäude ergänzt, die auf der Betrachtung der Wohngebiete in Google Earth [17] basierten. Es ist jedoch anzumerken, dass die Hinzufügung dieser Gebäude die primären Schlussfolgerungen der Studie nicht wesentlich beeinflusste.
Im Gegensatz zu der später beschriebenen Studie, bei der Wireless InSite zur Modellierung der Funkwellenausbreitung in einer städtischen Außenumgebung unter Verwendung der in Abbildung 6 dargestellten Geometrie von Gelände, Vegetation, Gewässern und Gebäudestrukturen eingesetzt wurde, berücksichtigte die RTCA-Studie zum ILS-Landeanflug-Szenario lediglich die Ausbreitung in Sichtlinie zwischen der 5G-Basisstation und dem Radarhöhenmesser. Um sicherzustellen, dass wir die Ergebnisse des RTCA-Berichts in Wireless InSite reproduzieren konnten, führten wir die Simulation mit identischen Standorten aller Basisstationsantennen und Wegpunkten der Radarhöhenmesser-Empfängerroute durch, deaktivierten jedoch die Geometrieelemente, die Gelände, Gebäudestrukturen usw. darstellten. Dadurch wurde sichergestellt, dass in dieser ersten Simulation nur die Sichtverbindung zwischen den Basisstationen und dem Radarhöhenmesser berücksichtigt wurde. Indem wir zeigen, dass wir die Ergebnisse der RTCA-Studie reproduzieren können, verifizieren wir, dass feine Merkmale der Antennengewinnmuster und die relativen Positionen dieser Antennen in Wireless InSite korrekt dargestellt werden. Darüber hinaus legen wir eine Basislinie fest, anhand derer Änderungen, die auf Wechselwirkungen mit Gelände und Gebäudestrukturen zurückzuführen sind, leicht identifiziert werden können.
Um die Interferenzergebnisse des RTCA-Berichts zu reproduzieren, war es zweifellos wichtig, die geometrische Anordnung der Antennen genau an die im Bericht verwendete anzupassen sowie die präzisen Antennenrichtcharakteristiken und die angegebenen Leistungspegel, wie sie im Bericht definiert waren, originalgetreu umzusetzen. Zwei weitere Erkenntnisse waren jedoch ebenfalls entscheidend für die Reproduktion der Ergebnisse. Erstens war die für die Radarhöhenmesserantenne angenommene Polarisation nicht an jedem Wegpunkt entlang der Flugbahn konstant, sondern wurde so gewählt, dass sie genau der des einfallenden Sichtlinien-Strahlungsfelds der 5G-Basisstation entsprach. Dadurch wurde sichergestellt, dass an jedem Punkt entlang der Flugbahn das Worst-Case-Szenario berücksichtigt wurde. Zweitens wurde die azimutale Ausrichtung der Basisstation so gewählt, dass die Radarhöhenmesserantenne die höchste Empfangsleistung erzielte. Auch hier gewährleistet dies eine Bewertung des Worst-Case-Szenarios und berücksichtigt die Tatsache, dass die azimutale Ausrichtung des AAS-Arrays einer zukünftigen 5G-Basisstation, die auf diesem Mobilfunkmast montiert ist, nicht bekannt ist, sowie die Tatsache, dass das AAS-Array eine elektronische azimutale Steuerung der 5G-Emissionen in beliebigen Winkeln ermöglicht, die einen Sektor abdecken. Durch die Einbeziehung beider Annahmen in die Wireless-InSite-Simulation lassen sich Ergebnisse erzielen, die den in der RTCA-Studie berichteten sehr nahe kommen.
Abbildung 7 zeigt das Ergebnis der Wireless-InSite-Simulation, die die spektrale Leistungsdichte der 5G-Grundemissionen, gemessen von der Antenne des Radarhöhenmessers, als Funktion der Flughöhe des landenden Flugzeugs berechnet. Die empfangene spektrale Leistungsdichte wird für jeden der fünf Standorte der Basisstationen als farbcodierte Kurven dargestellt. Der dargestellte Fall betrachtet ein Landungsszenario, bei dem alle Basisstationen einen elektronischen Down-Tilt von 20° aufweisen, was einem Gesamt-Down-Tilt (mechanisch + elektrisch) von 30° entspricht. Zum Vergleich ist die Interferenztoleranzmaske für die Mitte des 5G-Grundemissionsbandes als Funktion der Höhenmesserhöhe als durchgezogene schwarze Kurve dargestellt. Der rot schattierte Bereich, der sich unterhalb der ITM erstreckt, stellt einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor von 6 dB dar, der im ICAO-Handbuch zu Frequenzanforderungen für die Zivilluftfahrt empfohlen wird. Die in dieser Abbildung dargestellte ITM wurde direkt aus dem RTCA-Bericht übernommen, da wir die von AVSI gesammelten empirischen Daten, die zur Erstellung dieser Kurven verwendet wurden, nicht ohne Weiteres reproduzieren können. Was in der Wireless InSite-Simulation unabhängig reproduziert wurde, ist die spektrale Leistungsdichte, gemessen am Empfängeranschluss des Radarhöhenmessers. Diese in Abbildung 7 dargestellten PSD-Kurven stimmen nahezu identisch mit denen überein, die in Abbildung D-15 des RTCA-Berichts angegeben sind. Die sehr geringen Abweichungen zwischen den beiden Ergebnissen könnten auf geringfügige Unterschiede in der geometrischen Positionierung der Basisstationsantennen und möglicherweise auf leichte Abweichungen im Antennengewinnmuster zurückzuführen sein, das für die Radarhöhenmesserantenne verwendet wurde, da dieses Muster nicht mathematisch definiert, sondern durch Digitalisierung des Gewinnmusters in der RTCA-Berichtspublikation reproduziert wurde. Es ist bemerkenswert, dass bei dieser Analyse, die nur die Ausbreitung in Sichtlinie berücksichtigt, weder der ITM selbst noch die zugehörige 6-dB-Sicherheitsmarge überschritten wird.
Neben der Simulation der Störungen durch 5G-Grundemissionen der verschiedenen Basisstationen haben wir auch die Störungen durch 5G-Störsignale derselben Basisstationen simuliert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 8 dargestellt und stimmen sehr gut mit den entsprechenden Ergebnissen der RTCA überein, die in deren Bericht als Abbildung 10-34 aufgeführt sind. Auch hier werden weder der ITM noch die zugehörige Sicherheitsmarge an irgendeinem Punkt entlang der Flugbahn überschritten.
Im krassen Gegensatz zur RTCA-Studie zum ILS-Anflug- und Lande-Szenario, bei der lediglich die Ausbreitung in Sichtlinie von den Basisstationen zum Höhenmesser berücksichtigt wurde, ermöglicht der Einsatz hochentwickelter Werkzeuge zur Funkwellenausbreitung wie Remcoms Wireless InSite die Erstellung hochpräziser Modelle der Funkwellenausbreitung in städtischen Außenbereichen. Wireless InSite nutzt dreidimensionales Raytracing zur Modellierung der Ausbreitung in Außenumgebungen und kann Strahlengänge berücksichtigen, die mehrfachen Reflexions- und Beugungswechselwirkungen sowohl mit dem Gelände als auch mit Gebäudestrukturen unterliegen.
Für das hier betrachtete ILS-Landeanflug-Szenario wurde Wireless InSite verwendet, um die Funkausbreitung unter Berücksichtigung der in Abbildung 6 dargestellten Geometrie zu modellieren, wobei realistische Annahmen zu den Materialeigenschaften getroffen und Strahlengänge mit bis zu vier Reflexionen und einer Beugung entlang des Weges berücksichtigt wurden. Die für das Gelände verwendeten Materialeigenschaften basieren auf den frequenzabhängigen Diagrammen der elektrischen Permittivität und Leitfähigkeit, wie sie von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) in Ref. [18] für nassen Boden nahe den für die Studie relevanten Frequenzen empfohlen werden. Die Wahl von nassem statt mitteltrockenem Boden erfolgte unter Berücksichtigung der Tatsache, dass solche Bedingungen für Situationen angemessen sind, in denen ein ILS-Anflug der Kategorie II/III erforderlich ist. Um ein realistisches Gelände zu approximieren, wurde ein Reflexionskoeffizient für raue Oberflächen gemäß Ref. [19] verwendet, wobei eine Standardabweichung der Oberflächenhöhe von 1 cm angenommen wurde. Die angewandte Rauheitskorrektur reduziert die in spiegelnder Richtung reflektierte Energie geringfügig, um die stochastische Oberflächenrauheit zu berücksichtigen. Es wurde angenommen, dass alle Gebäudestrukturen, Straßen und Start- und Landebahnen aus Betonkonstruktionen bestehen, wobei die frequenzabhängige Permittivität und Leitfähigkeit auf den von der ITU empfohlenen Formeln für Baumaterialien basiert, die in Ref. [20] dargestellt sind. In diesem Fall wurde keine Oberflächenrauhigkeitskorrektur angenommen, da Gebäudestrukturen bei C-Band-Wellenlängen als relativ glatt angesehen werden können.
Abbildung 9 zeigt die am Empfängeranschluss des Radarhöhenmessers gemessene spektrale Leistungsdichte als Funktion der Flughöhe, wie sie von Wireless InSite vorhergesagt wird, wenn Gelände, Gebäude, Vegetation und Gewässer berücksichtigt werden. Im Vergleich zu dem in Abbildung 7 dargestellten Fall, bei dem nur die Sichtverbindung berücksichtigt wurde, sind in den Ergebnissen mehrere bemerkenswerte Änderungen zu erkennen. An erster Stelle steht dabei die Tatsache, dass die störende PSD an einer Reihe von Punkten entlang der Flugbahn im Vergleich zum Fall mit reiner Sichtverbindung deutlich zugenommen hat. Tatsächlich haben an vier Stellen entlang der Flugbahn Wechselwirkungen mit den zusätzlichen Merkmalen die störende PSD so weit erhöht, dass die von der ICAO empfohlene Sicherheitsmarge überschritten wird. An zwei dieser Stellen wird die ICAO-Sicherheitsmarge aufgrund von Störungen durch ASR 1280620 und ASR 1058071, die sich beide außerhalb der in Abbildung 1 dargestellten Sperrzonen befinden, knapp um weniger als 1,2 dB unterschritten. An zwei weiteren Stellen auf der Flugbahn nähert sich die störende PSD jedoch aufgrund von 5G-Grundemissionen der Basisstation ASR 1256593 – der einzigen Basisstation innerhalb der in Abbildung 1 dargestellten Sperrzone – dem ITM selbst. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, bei der Bewertung von 5G-Störungen des Radarhöhenmessers hochpräzise Funkausbreitungstools zur Modellierung von Mehrwegausbreitung zu verwenden, da Wechselwirkungen mit Gelände und Gebäudestrukturen die Energie in Richtung der Radarhöhenmesserantenne umlenken und zu höheren Störleistungspegeln führen können, als dies durch eine reine Sichtlinienanalyse vorhergesagt wird.
Zusätzlich zu den Ergebnissen für Störungen durch 5G-Grundemissionen haben wir auch die Funkausbreitung unter Berücksichtigung von Gelände, Gebäudestrukturen usw. simuliert, um die Störpegel durch 5G-Störsignale vorherzusagen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 10 dargestellt. Es gibt deutliche Unterschiede zwischen diesen Ergebnissen, bei denen Wechselwirkungen mit Gelände und Gebäudestrukturen berücksichtigt wurden, und den Ergebnissen aus Abbildung 8, die nur die Ausbreitung in Sichtlinie berücksichtigen. Insbesondere ist an bestimmten Punkten entlang der Flugbahn die am Höhenmesser gemessene Störung im Vergleich zum gleichen Punkt auf der in Abbildung 8 dargestellten Flugbahn leicht erhöht. Zudem ist im gesamten Datensatz zu erkennen, dass die gemessene Störung in Abhängigkeit von der Flughöhe wesentlich stärker schwankt. Dieses schnelle Fading ist darauf zurückzuführen, dass in den Ergebnissen von Abbildung 10 Mehrwegausbreitung berücksichtigt wurde. Im Gegensatz zu den Ergebnissen für 5G-Grundemissionen unter Einbeziehung der Ausbreitung außerhalb der Sichtlinie gibt es jedoch keinen Punkt entlang der Flugbahn, an dem die vorhergesagte Störung durch 5G-Störaussendungen über die von der ICAO empfohlene Sicherheitsmarge oder den ITM selbst hinaus ansteigt. Diese Ergebnisse stützen weiterhin die Schlussfolgerung des RTCA-Berichts, dass Störemissionen von 5G-Basisstationen im Gegensatz zu 5G-Grundemissionen keine signifikante Gefahr für den Betrieb von Radarhöhenmessern in der Nutzungskategorie 1 (kommerzielle Lufttransportflugzeuge) darstellen.
Die Ergebnisse des vorangegangenen Abschnitts zu den 5G-Grundemissionen zeigten, dass die am Empfänger des Radarhöhenmessers gemessenen Störungen an bestimmten Punkten der Flugbahn aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Gelände, Gebäudestrukturen usw. so stark ansteigen können, dass entweder die von der ICAO empfohlene Sicherheitsmarge unterschritten wird oder die ITM-Grenze selbst (für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1) erreicht wird. In diesem Abschnitt untersuchen wir die Funkausbreitungsbedingungen an den Stellen entlang der Flugbahn, an denen es zu Überschreitungen kommt, genauer.
Zunächst betrachten wir den Punkt der maximalen Interferenz aufgrund der 5G-Grundinterferenz durch die Basisstation ASR 1280620, die auftritt, wenn sich das anfliegende Flugzeug in einer Höhe von 1429 Fuß über dem Boden befindet, gemessen an der Landebahnschwelle (siehe Spitzenwert der grünen Kurve in Abbildung 9). Abbildung 11 zeigt die Bedingungen an diesem Punkt, wobei die azimutale Ausrichtung der Basisstation auf die ungünstigsten Bedingungen für Interferenzen abgestimmt wurde. Die Darstellung in Abbildung 11 zeigt die 20 Strahlpfade mit der höchsten Leistung, die zum Interferenzsignal am Radarhöhenmesser beitragen.
Die Hauptabbildung zeigt den gesamten Strahlengang zwischen der Basisstation und dem Höhenmesser des Flugzeugs. Die Einblendung zeigt eine vergrößerte Ansicht der Wechselwirkungen des Strahlengangs in der Nähe der Basisstation, die die Energie in Richtung des Radarhöhenmessers lenken. Bemerkenswert ist, dass es eine Wechselwirkung mit dem Gelände gibt, die zu einer höheren empfangenen PSD beiträgt als die Ausbreitung in Sichtlinie selbst. Darüber hinaus gibt es zahlreiche andere Strahlengänge, die sowohl mit dem Boden als auch mit Gebäudestrukturen in Wechselwirkung treten oder direkt an den Gebäudestrukturen selbst gebeugt werden, wodurch die Strahlung zum Radarhöhenmesser umgelenkt wird. Diese Mehrfachwege addieren sich am Radarhöhenmesser kohärent und ergeben die resultierende gemessene PSD der interferierenden Strahlung.
Dieses Szenario liefert ein anschauliches Beispiel dafür, wie die Einbeziehung von Gelände- und Gebäudestrukturen sowie der damit verbundenen Wechselwirkungen der Funkwellen mit diesen Merkmalen in die Ausbreitungsanalyse das prognostizierte Störpegelmaß erheblich verbessern kann. In diesem Fall stieg der prognostizierte Störpegel um 16 dB über das Niveau hinaus, das allein bei einer Ausbreitung in Sichtlinie zu erwarten gewesen wäre. Bei dem simulierten Szenario resultiert der Hauptanstieg allein aus Wechselwirkungen mit dem Gelände, während Wechselwirkungen mit der Gebäudgeometrie in weitaus geringerem Maße dazu beitragen. Diese Situation könnte sich erheblich ändern, wenn detaillierte Kenntnisse über die Zusammensetzung der Baumaterialien verfügbar wären und in die Simulation einbezogen würden. Wie oben erwähnt, wurde einfach angenommen, dass alle Gebäudestrukturen aus Betonkonstruktionen bestehen. Wüsste man, dass einige dieser Strukturen aus Metall statt aus Beton bestehen, könnte sich das Worst-Case-Szenario für die gemessenen Störungen erheblich verschärfen. Dennoch deutet das dargestellte Szenario bereits auf einen erheblichen Anstieg der prognostizierten Störung hin, sodass die von der ICAO empfohlene Sicherheitsmarge für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 überschritten wird, sobald Strahlengänge außerhalb der Sichtlinie berücksichtigt werden.
Als zweites Beispiel, das die Bedeutung der Einbeziehung von Gelände- und Gebäudestrukturen sowie einer Ausbreitungsanalyse über die Sichtlinie hinaus verdeutlicht, betrachten wir den Punkt entlang der Flugbahn, an dem die am Höhenmesserempfänger gemessene Störung aufgrund der 5G-Grundfrequenzemissionen der Basisstation ASR 1058071 ihr Maximum erreicht. Dieser Punkt tritt ein, wenn sich das Flugzeug in einer Höhe von 1398 Fuß über dem Boden befindet, gemessen an der Startbahnschwelle (siehe Spitzenwert der orangefarbenen Kurve in Abbildung 9). In diesem Fall sind die Strahlengänge für die im Azimut auf das Worst-Case-Szenario ausgerichtete Basisstation in Abbildung 12 dargestellt. Auch hier zeigt die Hauptabbildung die Strahlengänge vom gesamten Weg von der Basisstation bis zum Radarhöhenmesser, während die Einblendung eine vergrößerte Ansicht der Strahlengang-Wechselwirkungen in der Nähe der Basisstation zeigt, die Energie in Richtung des Radarhöhenmessers umlenken. Ähnlich wie im vorherigen Fall hat sich der vorhergesagte Interferenzpegel durch die Einbeziehung von Gelände- und Gebäudestrukturen sowie der damit verbundenen Funkwellenwechselwirkungen drastisch erhöht. Im Vergleich zur Sichtlinienausbreitungsanalyse sagt die Mehrweganalyse an dieser Stelle der Flugbahn einen Anstieg des Interferenzpegels um etwas mehr als 15 dB voraus. Auch hier beinhaltet der für diesen Anstieg verantwortliche Hauptstrahlengang eine einzige Reflexion vom Gelände. Aus Abbildung 12 geht jedoch klar hervor, dass auch andere Strahlengänge, die Wechselwirkungen mit Straßen- und Gebäudestrukturen beinhalten, dazu beitragen, wenn auch in deutlich geringerem Maße. Wie zuvor wird für die Zwecke dieser Simulation angenommen, dass alle Gebäudestrukturen ebenso wie die Straßen aus Beton bestehen. Auch hier ist der Anstieg der Interferenz, sobald die Ausbreitung außerhalb der Sichtlinie berücksichtigt wird, so erheblich, dass die von der ICAO empfohlene Sicherheitsmarge für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 unterschritten wird.
Abschließend betrachten wir im Detail die Situationen an bestimmten Punkten entlang der Flugbahn, an denen der ITM-Grenzwert für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 aufgrund der 5G-Grundemissionen der Basisstation ASR 1256593 knapp unterschritten wird. Dies ist die einzige Basisstation in der Studie, die sich innerhalb der begrenzten 5G-Emissionszone befindet, deren Bestehen für den Zeitraum von Januar 2022 bis zum 5. Juli 2022 vereinbart wurde. Das erste Interferenzmaximum tritt auf, wenn sich das Flugzeug in einer Höhe von 319 Fuß über dem Boden befindet, gemessen an der Startbahnschwelle (siehe erstes Maximum entlang der Flugbahn für die violette Kurve in Abbildung 9). Die Darstellung der Strahlengänge für diesen Fall ist in Abbildung 13 zu sehen. Die Hauptansicht zeigt die 20 Strahlengänge mit der höchsten Leistung, die zur Interferenz für den gesamten Strahlengang vom Sender zum Empfänger beitragen. Die Einblendung zeigt eine vergrößerte Ansicht, in der die wichtigsten Wechselwirkungen hervorgehoben sind, die 5G-Funkwellen in Richtung des Höhenmessers umlenken. An dieser bestimmten Stelle ist der vorhergesagte Interferenzpegel für den Mehrwegfall um 26 dB größer als der Interferenzpegel an derselben Stelle, wenn nur die Ausbreitung in Sichtlinie berücksichtigt wird.
Dieser extrem starke Anstieg der Störungen ist in erster Linie auf Wechselwirkungen mit dem Gelände zurückzuführen, zum Teil aber auch auf den Zufall, dass die Sichtverbindung entlang eines lokalen Minimums im Antennenrichtdiagramm der 5G-Basisstation verläuft. Reflexionen und Beugungen an den Gebäudestrukturen rund um die Basisstation ASR 1256593 tragen im Vergleich zu den beiden vorangegangenen Beispielen mit Wechselwirkungen nur in relativ geringem Maße bei, wobei das Störsignal vor allem durch das Gelände und die Straßen verursacht wird.
Ein zweites Interferenzmaximum, das von der Basisstation ASR 125653 verursacht wird, tritt entlang der Flugbahn auf, wenn sich das Flugzeug 256 Fuß über dem Boden befindet, gemessen an der Startbahnschwelle (siehe das Interferenzmaximum zum Zeitpunkt der Landung des Flugzeugs für die violette Kurve in Abbildung 9). Auch hier nähert sich der Interferenzpegel an dieser Stelle stark dem ITM für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 an. Die 20 Strahlpfade mit der höchsten Leistung, die zu diesem Interferenzsignal beitragen, sind in Abbildung 14 dargestellt. Wie im vorherigen Beispiel sind die dominierenden Beiträge zum Interferenzsignal auf Wechselwirkungen mit Gelände und Straßen zurückzuführen, während Wechselwirkungen mit Gebäudestrukturen in viel geringerem Maße dazu beitragen. An genau dieser Stelle entlang der Flugbahn übersteigt der für die Mehrweganalyse prognostizierte Interferenzpegel die Vorhersage für die Ausbreitung in Sichtlinie nur um 25 dB. Auch hier ist dieser große Unterschied zwischen den Ergebnissen auf starke Wechselwirkungen mit dem Gelände und den Straßen sowie in viel geringerem Maße auf Gebäudestrukturen zurückzuführen, hängt aber auch damit zusammen, dass der Strahl in Sichtlinie entlang eines lokalen Minimums des Antennengewinnmusters der 5G-Basisstation verläuft.
Da die gravierendsten Überschreitungen der von der ICAO empfohlenen Sicherheitsmarge für das gewählte Szenario in erster Linie auf Wechselwirkungen mit dem Gelände zurückzuführen sind, ist es interessant zu untersuchen, inwieweit sich diese Ergebnisse ändern, wenn unterschiedliche Annahmen hinsichtlich der Materialeigenschaften der Geländemerkmale getroffen werden. Für die obige Analyse wurde angenommen, dass das Gelände durch feuchte Erde beschrieben wird, da bei einem ILS-CAT-II/III-Landeanflug mit kürzlichen oder anhaltenden Niederschlägen zu rechnen ist. Darüber hinaus wurde eine realistische Annahme bezüglich des Geländes getroffen, indem ein Rauheitskorrekturfaktor einbezogen wurde, der von einer Standardabweichung der Oberflächenhöhe um den Mittelwert von 1 cm ausgeht. Diese Rauheitskorrektur dient dazu, die Energie der spiegelnden Reflexion vom Gelände zu reduzieren, wodurch möglicherweise die Energiemenge verringert wird, die zum Radarhöhenmesser zurückgeleitet wird.
Da es bei der Bewertung von Sicherheitsrisiken angebracht ist, realistische Worst-Case-Szenarien zu berücksichtigen, ist es interessant, den Fall zu betrachten, in dem das Gelände als glatte, feuchte Erde beschrieben wird, da diese einen mäßig höheren Reflexionskoeffizienten aufweisen und mehr Energie von den 5G-Basisstationen zum Radarhöhenmesser leiten könnte. Am anderen Ende des Spektrums könnten wir auch die Materialeigenschaften des Geländes betrachten, die an einem typischen Tag zu erwarten wären, nämlich raue, mäßig trockene Erde.
Zu diesem Zweck haben wir die obigen Simulationen erneut durchgeführt, wobei wir davon ausgegangen sind, dass das Gelände durch glattes, feuchtes Erdmaterial beschrieben wird, wobei die Korrektur des Reflexionskoeffizienten aufgrund der Oberflächenrauheit ignoriert wird, sowie durch raues, mäßig trockenes Erdmaterial, bei dem die Oberflächenrauheit wie zuvor eine Standardabweichung von 1 cm in der Höhe angenommen wird, wobei nun jedoch die Permittivität und Leitfähigkeit auf der ITU-Empfehlung für mäßig trockenen Boden basieren [18]. Die Ergebnisse sind in Abbildung 15 dargestellt. Hier fasst die blaue Kurve die vorherigen Ergebnisse unter der Annahme eines rauen, feuchten Erdbodens zusammen, und der violett schattierte Bereich, der sich gelegentlich über die blaue Kurve hinaus erstreckt, beschreibt die Extremwerte der Schwankungen der Interferenz-PSD, wenn entweder der raue, mäßig trockene Erdboden oder der glatte, feuchte Erdboden als Material zur Beschreibung des Geländes angenommen wird. An jedem Punkt entlang der Flugbahn wird bei der Erstellung dieser Kurven die größte Interferenz von einer der Basisstationen ausgewählt, um den Datenpunkt der Interferenz-PSD zu beschreiben. Für den Großteil der Daten hat die Variation der Geländematerial-Eigenschaften keinen merklichen Einfluss auf die Ergebnisse.
An einigen wenigen Stellen entlang der Flugbahn, insbesondere an den Stellen, an denen die Sicherheitsmarge aufgrund eines starken Beitrags von Reflexionen vom Gelände unterschritten wird, ist jedoch zu erkennen, dass sich die PSD der Interferenz über die der blauen Kurve hinaus und manchmal auch etwas darunter erstreckt. Insbesondere an den Stellen, an denen die Sicherheitsmarge aufgrund von Interferenzen durch ASR 1280620 und ASR 1058071 zuvor nur geringfügig unterschritten wurde, ist die Unterschreitung im Fall eines geländemäßigen Beschreibungsmodells mit glatter, nasser Erde deutlicher, da die Interferenz-PSD an diesen Stellen um etwa 3 dB angestiegen ist. Darüber hinaus hat sich an den Stellen, an denen die Sicherheitsmarge zuvor aufgrund von Interferenzen durch ASR 1256593 deutlich überschritten wurde, die Interferenz-PSD im Fall eines Geländes, das durch glatten, nassen Boden beschrieben wird, so stark erhöht, dass nun die ITM selbst leicht überschritten wird. Somit zeigt sich, dass es bei der Bewertung potenzieller Interferenzquellen wichtig sein kann, Variationen der Materialeigenschaften einzubeziehen, die realistische Worst-Case-Szenarien berücksichtigen. In diesem Szenario führte eine geringfügige Änderung der Annahmen bezüglich des Oberflächenmaterials des Geländes zu einer Erhöhung der Störung um 3 dB an Punkten entlang der Flugbahn, an denen Geländereflexionen erhebliche Energie auf den Radarhöhenmesser richteten.
In diesem Artikel haben wir das Szenario für einen ILS-Landeanflug der Kategorie II/III, das in der RTCA-Studie zu 5G-Störungen von Radarhöhenmessern untersucht wurde, erneut analysiert. Im Gegensatz zur RTCA-Analyse, die für das Landeszenario lediglich die Ausbreitung in Sichtlinie berücksichtigte, umfassen die hier beschriebenen Simulationen die Mehrwegausbreitung von Funkwellen sowie die Streuung durch Gelände und Gebäudestrukturen. Wir haben gezeigt, dass die Einbeziehung einer solchen Mehrweganalyse bei der Bewertung der 5G-Radarhöhenmesser-Interferenzpegel von entscheidender Bedeutung ist, da an bestimmten Stellen entlang der Flugbahn ein erheblicher Anstieg der Interferenzpegel beobachtet wurde. Zeitweise überschritt die Interferenz die ICAO-Sicherheitsmarge und näherte sich, je nach den Annahmen zu den Materialeigenschaften des Geländes, der von RTCA/AVSI für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 veröffentlichten Interferenztoleranzmaske oder überschritt diese sogar.
Konkret wurde sowohl hier als auch im RTCA-Bericht das ILS-Landeanflug-Szenario der Kategorie II/III für die Landebahn 27L des O’Hare International Airport betrachtet. Für die vorliegende Analyse wurden standortspezifische Geländedaten, Straßen, Gewässer und Gebäudestrukturen rund um den Flughafen und unterhalb der Flugbahn aus OpenStreetMap-Geometriedaten in Wireless InSite, das Ausbreitungstool von Remcom, importiert. Dies ermöglichte es, mit Wireless InSite realistisch die Stärke der spektralen Leistungsdichte von 5G-Störsignalen abzuschätzen, die den Empfänger des Radarhöhenmessers erreichen, während das Flugzeug seine Flugbahn zurücklegt. In Übereinstimmung mit den Schlussfolgerungen des RTCA-Berichts wurde festgestellt, dass die durch 5G-Störstrahlungen verursachten Interferenzen sowohl unter dem ITM für Flugzeuge der Nutzungskategorie 1 als auch unter der damit verbundenen, von der ICAO empfohlenen Sicherheitsmarge lagen. Für den Fall, dass die 5G-Basisstationen entlang der Flugbahn jedoch einen elektronischen Down-Tilt von 20° aufweisen (insgesamt 30°, elektronisch + mechanisch, Down-Tilt), zeigt die mit Wireless InSite durchgeführte Mehrweganalyse, dass die Sicherheitsmarge überschritten wird und der ITM selbst an bestimmten Punkten entlang der Flugbahn knapp erreicht wird, während die RTCA-Studie keine derartigen Überschreitungen meldete, da für das Landungsszenario nur die Ausbreitung in Sichtlinie berücksichtigt wurde.
Bei der hier durchgeführten Mehrwegausbreitungsanalyse wurde prognostiziert, dass die Sicherheitsmarge aufgrund von Emissionen einer 5G-Basisstation überschritten würde, die an einem Mobilfunkmast außerhalb der 5G-Emissionsbeschränkungszone angebracht war, deren Aufrechterhaltung rund um die Start- und Landebahnen des Flughafens bis zum 5. Juli 2022 vereinbart worden war. Bemerkenswert ist, dass das ITM selbst bei einer 5G-Basisstation, die an einem Mobilfunkmast innerhalb der Sperrzone angebracht war, stark beeinträchtigt wurde. Wie oben erwähnt, wurde die standortspezifische Geometrie, die für diese Vorhersagen verwendet wurde, aus OpenStreetMap importiert. Für die Durchführung der Simulationen wurden realistische Annahmen zur Materialzusammensetzung von Gelände, Straßen, Gewässern, Vegetation und Gebäudestrukturen auf diese Geometrie angewendet. Es können jedoch noch größere Interferenzpegel auftreten, wenn für bestimmte Merkmale andere Materialien oder genauere Geometrien verwendet werden (z. B. Metall anstelle von Betongebäuden). Tatsächlich stieg die am Radarhöhenmesser gemessene Interferenz durch geringfügige Änderungen der Annahmen zum Gelände – nämlich durch die Modellierung als glatte statt als raue Erde – an bestimmten Punkten entlang der Flugbahn im vorliegenden Szenario um etwa 3 dB an.
Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollte eine detaillierte Vermessung der Gebäude-/Objektgeometrie und der Materialzusammensetzung in der Umgebung einer installierten 5G-Basisstation standortspezifisch durchgeführt werden, zusammen mit einer Multipath-Raytracing-Analyse, um die potenziell am Radarhöhenmesserempfänger von landenden Flugzeugen auftretenden Interferenzpegel angemessen zu bewerten. Eine gründlichere Analyse (über den hier betrachteten Einzelfall einer elektronischen Neigung von 20° hinaus) kann ohne Weiteres durchgeführt werden, sobald die mechanische Ausrichtung und die elektronischen Abtastfähigkeiten einer bestimmten 5G-Basisstation entweder vor oder nach der Inbetriebnahme festgelegt sind.
Die oben dargestellten Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer standortspezifischen Mehrweganalyse der Funkwellenausbreitung einschließlich Mehrwegeeffekten, um genau zu beurteilen, inwieweit 5G-Grundemissionen Radarhöhenmesser stören können. Diese Analyse ist besonders wichtig, um die sichere Inbetriebnahme von 5G-Basisstationen in ehemals gesperrten Zonen zu ermöglichen, da Radarhöhenmesser, die äußerst anfällig für Störungen außerhalb des Frequenzbands sind, zu Beginn des Sommers 2022 weiterhin in Flugzeugen eingesetzt werden.
Referenzen