5G 간섭 완화는 항공기의 안전과 5G 배치의 경제적 실행 가능성 모두에서 중요한 관심사입니다. 본게시물에서 SIMULIA CST Studio Suite의 전자기 시뮬레이션 도구를 사용하여 최악의 경우 간섭 시나리오 시뮬레이션을 분석하고 허용 가능한 수준으로 줄이는 방법을 소개합니다.

 

 

Tackling 5G Aircraft Interference with Electromagnetic Simulation

Dassault Systèmes, Hassan Creim

 

 

 

 

2021년 초, Federal Communications Commissions (FSS)는 5G 전송을 작동할 수 있는 “C-Band” 또는 3.7-3.98 GHz의 모바일 무선 산업 무선 스펙트럼을 승인했습니다. 이 대역은 레이더 고도계 (4.2-4.4GHz)가 사용하는 스펙트럼에 인접합니다. 레이더 고도계는 지형 근접성, 자동 스로틀 및 충돌 회피를 포함한 항공기 안전 시스템에서 핵심이기 때문에 2018년에 항공 산업이 5G 간섭으로부터 레이더 고도계를 보호해야 할 필요성을 FCC에 통보했음에도 불구하고 이 승인이 이루어졌습니다. 이후 Federal Aviation Administration (FAA)은 5G가 인근에 배치된 공항에서 항공기의 접근과 착륙 시 간섭이 발생할 수 있는 공항의 여러 항공기 착륙 요구사항을 개정하는 내공성 지침을 발표했습니다. 이 지침은 미국 내 약 2500대의 항공기와 전 세계 8000대의 항공기에 영향을 미쳤습니다.

따라서 5G 간섭 완화는 항공기의 안전과 5G 배치의 경제적 실행 가능성 모두에서 중요한 관심사입니다. 본 게시물에서는 최악의 경우 간섭 시나리오의 시뮬레이션을 보여주고 SIMULIA CST Studio Suite의 전자기 시뮬레이션 도구를 사용하여 간섭을 분석하고 허용 가능한 수준으로 줄이는 방법을 보여줄 것입니다. 5G 신호가 어떻게 레이더 고도계와 간섭할 수 있습니까?

 

간섭은 외부 소스에 의해 발생하는 전기 경로 또는 회로에서의 전기적 노이즈입니다. 이 문제는 두 가지 시나리오에서 발생할 수 있습니다:

50. 두 시스템의 작동 주파수 대역은 서로 매우 가깝기 때문에 수신 시스템이 작동 대역의 방출 시스템으로부터 높은 수준의 대역 외 방출을 수신합니다.
50. 두 시스템의 작동 주파수 대역은 상당히 멀리 떨어져 있지만, 방출된 스펙트럼의 더 높은 고조파는 수신기의 작동 주파수 대역에서 수신될 수 있습니다.

 

항공기 고도계에 대한 5G 간섭의 경우, 우리는 첫 번째 시나리오에 더 있습니다. 5G C대역은 3.7~3.98GHz 사이로 고도계의 작동 주파수에서 220MHz 밖에 떨어져 있지 않아 특히 이미터와 수신기가 물리적으로 가까운 곳에 있을 때 간섭의 위험이 높아집니다. 지상에서 항공기의 고도가 매우 중요한 항공기의 접근과 착륙 과정에서 간섭 문제가 가장 위험한 이유입니다. 그림 1(a)는 착륙 항공기가 5G 타워 근처에서 롤 기동을 하는 시나리오를 보여줍니다(거리는 5G 타워와 항공기 사이의 수평 거리, 그리고 지상에서 항공기 높이의 함수입니다.).

 

그렇다면 송수신기의 스펙트럼은 어떻게 정의됩니까? 답은 그림 1(b)에 나와 있습니다. 여기서 5G C대역 (3.7-3.98GHz)은 3개의 하위 대역으로 나뉩니다. 현재 Verizon이 사용하고 있는 것은 100 MHz(2)의 폭입니다. 다른 것들은 가까운 미래에 배치될 것인데, 하나는 폭이 100 MHz이고 마지막 것은 폭이 80 MHz로 5G 대역과 고도계 대역 사이에 220MHz의 가드 대역이 남아 있습니다. 사실, 이 3개의 대역은 각각 20MHz 폭의 더 작은 대역으로 나뉩니다. 이 가드 밴드는 너무 작아서 5G 이미터의 고조파가 고도계와 간섭하도록 할 수 없습니다. 따라서, 간섭은 5G 안테나에서 발생하는 허위 방출 전력 때문일 가능성이 높습니다. 이것은 다음 섹션에서 확인할 것입니다.

 

그림1. (a) 항공기 착륙 시나리오 (b) 5G emitter 및 altimeter 송수신기의 스펙트럼

 

 

SIMULIA CST Studio Suite는 간섭 예측에 어떤 도움을 줄 수 있습니까?

간섭을 정확하게 예측하려면 다음과 같은 작업이 필요합니다:

50. 안테나 간의 결합을 시뮬레이션합니다. 이것은 안테나의 미세한 밀리미터 미만의 디테일과 수백 또는 수천 미터로 분리된 항공기와 pf 타워의 거대한 구조를 모두 포착해야 하는 까다로운 멀티스케일 시나리오입니다. 다쏘 시스템즈의 SIMULIA 브랜드의 전자기 시뮬레이션을 실행하기 위한 다양한 수치 방법을 가진 여러 솔버를 제공합니다. 예를 들어 안테나 성능을 시뮬레이션하고 SBR (Shooting and Bouncing Rays) 접근법과 결합하는 시간 영역 접근법, 대규모 시나리오를 매우 효율적으로 처리합니다. 방법의 혼합은 안테나가 설치된 플랫폼에 의해 야기될 수 있는 안테나의 궁극적인 불일치를 고려하여 완전히 양방향으로 이루어질 수 있습니다.
50. 최대 간섭이 발생하는 최악의 경우를 생각해 보십시오. 우리의 경우, 우리는 5G 타워의 메인 로브가 항공기를 향해 스캔되는 것을 고려했습니다. 동시에, 항공기는 수평 방향을 바꾸기 위해 17도의 뱅크 각도로 롤 기동을 수행하도록 되어 있습니다.

그림 2(a)는 5G 안테나에서 항공기로 방출되는 전력 밀도 그림의 예를 보여줍니다. 시뮬레이션은 여러 수평 거리 (100~1200m)에 대해 수행되어 간섭에 어떤 영향을 미치는지 확인합니다. 항공기와 5G 타워의 높이는 각각 100미터와 30미터로 고정되어 있습니다. 그림 2(b)는 5G 안테나와 여러 거리의 고도계 사이의 결합을 보여줍니다. 당연히 거리가 증가하면 결합이 감소합니다.

 

그림2. (a) 5G 안테나로부터의 방출 전력 밀도 (b) 안테나 사이의 커플링

 

이제 이 개념은 간섭 계산에 커플링 매개 변수를 통합하는 것입니다. 이 작업은 SIMULIA CST Studio Suite의 간섭 작업을 사용하여 쉽게 수행할 수 있습니다. 커플링 외에도 5G 및 고도계 송수신기에 대한 무선 매개 변수를 정의해야 합니다. 이미터(5G)의 경우 채널 수와 그 폭, 방출 전력 또는 PSD(전력 스펙트럼 밀도) 및 스퓨리어스 전력을 지정해야 합니다. 수신기는 채널 수와 채널 폭 및 감도로 지정할 수도 있습니다. RTCA (Radio Technical Commission for Aeronics)는 논문 N°274-20/PMC-2073에서 5G 안테나의 고도 민감도 및 방출 전력에 관한 몇 가지 수치를 발표했습니다.

아래 그림은 사용된 라디오를 보여줍니다. 5G 방출의 경우 안테나의 출력 피크 EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)가 70dBm(또는 5G 안테나 게인이 약 20dBm이기 때문에 50dBm의 피크 전력)이고, -20dBm의 스퓨리어스 방출이 50dBm/MHz의 PSD로 이어지는 도시 마스트를 고려했습니다. 우리는 모든 FMCW(주파수 변조 연속파) 모델에 적합한 특성을 선택했습니다. 여기서 보호 기준은 잘못된 고도 정보와 관련되며, 여기서 감도는 -103dBm입니다. 고도계의 포화도는 -10dBm으로 설정됩니다.

 

그림3. Radio 정의 (a) 5G antenna (b) altimeter

 

예를 들어, 우리는 5G 타워와 항공기 사이의 수평 거리 100m에 대해 얻은 결과를 보여줄 것입니다. 왼쪽 그림은 고도계에서 수신된 전력을 나타내고 오른쪽 그림은 대역 내 및 대역 외 EMI 마진을 나타냅니다. 높은 EMI 마진, 대역 내 및 대역 외 간섭이 분명히 존재함을 알 수 있습니다. 분명히 대역 내 마진은 5G 안테나의 허위 방출 때문입니다.

 

그림4. (a) Altimeter에서 received power (b) EMI 마진

 

우리는 100미터의 거리에서 전자파 마진(모두 양)의 값이 높고 따라서 간섭이 크다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 참고로 간섭 임계 값은 -10dB로 설정되어 있으며, 이는 마진이 -10dB보다 낮으면 간섭을 고려하지 않는다는 것을 의미합니다. 마진이 -10dB에서 0dB 사이이면 간섭 위험이 높다고 판단됩니다. 마지막으로, 마진이 0dB보다 클 경우 간섭이 확실합니다. 이러한 결과는 출력으로 제공되는 위반 매트릭스에서 시각적으로 해석될 수 있습니다. 녹색, 노란색, 빨간색은 각각 우리가 어떤 상황에 처해있는지 말해줍니다.

 

거리가 커지면 커플링이 줄어들기 때문에 간섭도 낮아집니다. 다음 표는 100m와 1200m 사이의 다양한 거리 시나리오에 대한 위반 매트릭스를 보여줍니다. 거리가 커지면, 우리는 간섭이 전혀 없는 경향이 있습니다. 거리 함수로서 각 5G 채널에 해당하는 마진이 그림 5에 나와 있습니다.

 

그림 5. 5G 타워와 항공기 사이의 다양한 거리에 대한 위반 매트릭스

 

그림 6. 위험 영역 (빨간색), 주의 영역 (노란색), 안전 영역 (초록색)을 시각화한 거리 Vs. EMI 마진

 

앞의 그림은 간섭을 피하는 가장 간단한 해결책이 공항 근처에 5G 타워를 배치하는 것을 피하는 것임을 분명히 보여줍니다. 거리를 늘리면 간섭이 줄어들기 때문입니다. 그러나 이것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 5G 안테나를 호스팅할 타워가 이미 공항의 가까운 범위 내에 배치되어 있다면 어떻게 될까요? 해결책은 대역 외 거부 반응이 높은 두 시스템의 전송 체인 내에 필터를 추가하는 것입니다. 아래 왼쪽 그림은 필터를 추가한 결과 커플링을 보여줍니다. 100m 거리의 원래 커플링과 비교됩니다. 오른쪽에서 필터가 -10dB보다 낮은 마진으로 간섭을 크게 줄이는데 도움이 된다는 것을 알 수 있습니다.

 

시뮬레이션을 사용하여 전자기 간섭 예측

RF 간섭은 무선 송수신기 간에 매우 일반적인 문제이며, 시뮬레이션을 통해 RF 간섭을 예측하는 것은 불필요한 측정 연구를 줄이는데 큰 도움이 됩니다. 가장 중요한 것은 장비와 승객, 승무원 및 행인을 위한 안전한 환경을 조성하는데 도움이 된다는 것입니다. SIMULIA CST Studio Suite에는 안테나 및 RF 구성 요소와 같은 최소 구성 요소부터 전체 통신 채널까지 RF 시스템을 설계할 수 있는 모든 도구가 있으며, 이를 통해 간섭, 채널 임펄스 응답 (CIR) 및 기타 많은 중요한 KPI를 시뮬레이션 할 수 있습니다.

 

​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

• 원본 : 다쏘시스템