2020年3月上旬、連邦通信委員会（FCC）は、5G無線サービスを展開するために空き周波数帯が緊急に必要とされていた状況に対応するため、米国内において280 MHzの中波帯周波数帯域を柔軟な利用に供した[1]。中波帯周波数帯域のうち、4.2～4.4 GHzの帯域は、世界中の航空機で運用されるレーダー高度計用に確保されている。 レーダー高度計は、特に視界不良時の空港滑走路への計器着陸装置（ILS）による進入において、航法上極めて重要であり、干渉に対して比較的脆弱である。FCCは、3.7～3.98 GHzの帯域幅を柔軟な利用に開放することで、将来の5G電波とレーダー高度計の周波数帯の間に220 MHzのガードバンドを確保した。 FCCは、220 MHzのガードバンドがあれば5Gによるレーダー高度計への干渉を緩和するのに十分であると判断していたが、民間航空機に現在搭載されている代表的なレーダー高度計モデルに関する実測データを用いた航空無線技術委員会（RTCA, Inc.）による研究 [1]は、その結果について「3.7～3.98 GHz帯の5G通信システムが、あらゆる種類の民間航空機のレーダー高度計に有害な干渉を引き起こす重大なリスクがあることを明らかにしている」と結論づけた[2]。 無線通信業界および解放された周波数帯のオークションを落札した企業（AT&TおよびVerizon）は、RTCAの研究における特定の手法や結論に異議を唱えている[3, 4]が、 2022年1月上旬、関係各者は合意に達し、レーダー高度計装置に関する未解決の問題を解決するための時間を確保するため、米国内の指定された50の空港周辺の緩衝地帯において、5G基地局の電波放射を一時的に制限および／または抑制することとした[5, 6]（図1参照）。
これらの制限は2022年7月5日に解除される予定である。しかし、ピート・ブティジェグ米国運輸長官が2022年4月下旬に上院歳出委員会で述べたように、米国の全航空機におけるレーダー高度計の改修・交換[7]という長期的な技術的対策は、「今年の夏までに完全に解決されることはない」[8, 9]。
1 代表的なレーダー高度計モデルに関する実測データは、航空宇宙車両システム研究所（AVSI）からRTCAに提供された。
2022年6月17日、連邦航空局（FAA）は、ベライゾンとAT&Tが、航空機の改修作業が完了するまで、Cバンド5Gの一部の利用を2023年7月まで延期することに自主的に合意したと発表した[10]。 それにもかかわらず、ベライゾンは、この合意により、通信事業者が「今後数ヶ月にわたり段階的なアプローチで、空港周辺における5Gネットワーク展開に関する自主的な制限を解除できるようになる」と述べた[11]。 したがって、今後数ヶ月の間に、5Gが従来のレーダー高度計に与える干渉が、米国内の空港周辺における着陸アプローチにどの程度のリスクをもたらすかを、場所ごとに正確に特定する必要がある。そうすることで、かつて制限区域とされていたエリア内の5G基地局を稼働させつつ、同時に安全性を確保することが可能となる。
5Gの放射とレーダー高度計との間の干渉は、以下の2つの経路のいずれかによって発生する可能性がある（図3参照）。 (1) 5Gの基本波放射（3.7～3.98 GHz帯）が、高度計受信機内の通過帯域フィルタ（図3の緑色の破線）を通過し、フロントエンド増幅器の飽和を引き起こす可能性がある。 (2) 4.2～4.4 GHz帯に直接入る5Gのスプリアス放射は、高度計の誤った測定値や測定値の返送不能を引き起こす可能性があります。レーダー高度計は視界不良時の計器着陸に使用されるため、このような干渉は壊滅的な結果をもたらす恐れがあります。
レーダー高度計において、どの程度の受信電力が潜在的な危険レベルとなるかを評価するため、RTCAの研究では、AVSIが提供した干渉許容マスク（ITM）を採用した。このITMは、実測データとシナリオの仮定に基づいて作成されたものであり、試験環境の設定に用いられた。ITMは、レーダー高度計の受信機で測定される電力スペクトル密度（PSD）を用いて規定された干渉閾値を特定することを目的としており、この閾値を超えると、5G電波からの干渉が危険なレベルとなる。 航空機が地表に近づくにつれて高度計に返ってくる信号が強くなるため、干渉閾値レベルもそれに応じて上昇する。したがって、干渉許容マスクは周波数だけでなく高度の関数でもある。
RTCA報告書[2]に記載されているように、ITMは5社の異なるメーカーによる9つのレーダー高度計モデルの実証試験に基づいていたが、それらの試験に使用されたパラメータを設定するために、理論計算や環境の仮定も用いられていた。 試験設定に組み込まれた仮定には、地形の反射特性に関する最悪ケースの推定値、航空機が急なバンク状態にある可能性（これにより高度計アンテナの動作利得が低下する）、および同一航空機上の他のレーダー高度計や滑走路上のタキシング中の航空機が存在し、レーダー高度計帯域内で干渉を引き起こす可能性があることなどが含まれる。 これらの推定値に基づき、所定の試験高度において、特定のレーダー高度計モデルの出力ポートから生成された信号に、適切な減衰係数、位相遅延、およびバックグラウンド干渉レベルを適用してから、高度計の入力ポートにフィードバックした。 その後、誤った高度計の測定値が報告され始めるまで、5Gの基本動作周波数またはレーダー高度計帯域の中心のいずれかで、振幅を徐々に増加させた追加の干渉信号を適用することにより、特定の高度計の干渉許容閾値を決定することができました。 この手順により、AVSIは9つの高度計モデルに対して「ブラックボックス」テストを実施することができ、フロントエンドの通過帯域フィルタの設計など、特定の高度計の内部動作を詳細に理解する必要を回避できた。 AVSI が報告した、高度および特定の周波数（3.85 GHz または 4.3 GHz、それぞれ 5G 帯域またはレーダー高度計帯域の中心）に対する干渉許容度マスクは、テストされた 9 種類の高度計について測定された最悪の場合（すなわち最低）の閾値である。 AT&TやVerizon、さらには無線通信業界全体が、これらのITM（干渉許容度マスク）の生成に使用された特定の仮定について、過度に保守的であると批判しているものの[3, 4]、本研究の焦点であるRTCAの結果と直接比較できるようにするため、我々はこれらのITMを採用する。
無線通信業界の専門家らは、RTCAの研究ワーキンググループに対し、参考文献[13]に記載されているアクティブアンテナシステム（AAS）のフェーズドアレイ技術が、高利得かつ動的に指向可能なビームおよび空間多重化によって得られる容量向上の恩恵を受けるため、将来の5G基地局において採用される可能性が高いと助言した。また、これらの業界専門家は、様々な環境に導入される可能性のあるAAS基地局の具体的な特性についても、同ワーキンググループに提示した。
ILSアプローチ着陸シナリオに関する研究では、都市環境に適したAASフェーズドアレイアンテナを想定した。この場合、AASは16×16の矩形グリッド状に配置されたアンテナ素子から構成され、水平方向の間隔は0.5λ、垂直方向の間隔は0.7λとなっている。ここで、λは5G基本波の波長（例えば、3.85 GHzに相当）である。 素子の利得パターンに関する数式は、参考文献[13]に記載されている。本研究で使用したパラメータは、素子利得6.4 dBi、素子の水平3 dBビーム幅90度、素子の垂直3 dBビーム幅65度、および前後利得比30 dBと規定している。 16×16の矩形グリッド配置の素子で得られる利得パターンは、文献[14]に記載され、文献[13]にも転載されている、均一な矩形アレイの利得係数に関する標準式によって与えられる。 最大アレイ利得係数は24.08 dBiであり、これは電子的な上下チルト角が0°の正面照射アレイで達成される。これを素子利得と組み合わせると、フェーズドアレイアンテナの総利得は30.5 dBiとなる。
各エレメントあたりの最大伝送電力は25 dBmと仮定すると、256エレメントのアレイの総出力電力は49.1 dBmとなる。これにフェーズドアレイアンテナのピーク利得を加えると、最大等方性放射電力（EIRP）は79.6 dBmとなる。 この電力は、100 MHzのダウンリンク帯域幅全体に均一に分布していると仮定され、EIRPのピーク出力電力スペクトル密度（PSD）は59.6 dBm/MHzとなる。 これは、FCCの命令で許可されている3.7～3.98 GHz帯における最大許容EIRPと一致し、それをわずかに下回っている。同命令では、非農村地域における免許帯域内の放射エミッションの最大PSDを62 dBm/MHzと規定している[1]。 また、後述するILS着陸アプローチシナリオのシミュレーションにおいては、基地局からのダウンリンク通信における推定活動率50%を反映させるため、電力をさらに3dB低減している。上記で説明したAASアレイのパラメータを表1にまとめた。
フェーズドアレイは、横方向発射アレイの照準線に対して20°の下向きチルトから最大10°の上向きチルトまで、垂直方向に電子的に走査可能であると仮定する。 これに加え、機械的なダウンチルトが10°であると仮定すると、ビームは水平面より30°下から完全に水平になるまで垂直方向に走査可能となる。5G基地局の基本波放射に対するアンテナ利得パターンを図4の左パネルに示す。 図示された利得パターンについては、機械的なダウンチルト10°に加え、最大20°の電子的なダウンチルトが想定されている。この利得パターンおよび関連するアンテナ素子の矩形アレイは、Remcom社のWireless InSite®伝搬シミュレーションツール[15]を用いてレンダリングされたものであり、本記事では、地形からの反射や建物構造物からの反射・回折を含む、屋外の都市環境における伝搬をモデル化するために使用されている。 図示されたフェーズドアレイ方式の5G基地局は、オヘア国際空港周辺の地形データとしてOpenStreetMapからインポートされた道路や建物構造物に囲まれている。ただし、要素の矩形アレイは、シーン内でアレイが視認できるよう、大幅に拡大したスケールで表示されている。
上記の説明は、5G基地局の帯域内放射（すなわち3.85 GHz）に使用される利得パターンを述べたものである。ここでは、3.85 GHzの5G基本波放射を特定の望ましい方向に向けるよう、素子間の相対位相が電子的に調整される。 5G基地局にとっては帯域外であるが、レーダー高度計にとっては帯域内（例えば、約4.3 GHz）である5Gのスプリアス放射について検討する場合、素子間の相対位相は、ビームを所望の方向に向けるために適切に相関させることができなくなると仮定される。 素子間の位相が完全に無相関であるという仮定の下では、フェーズドアレイ利得の期待値は単純に平均して 0 dB となる。したがって、スプリアス放射の場合、フェーズドアレイは追加の利得係数を提供しないと仮定され、利得は単一素子の放射パターンの利得に等しくなる。 RTCAの研究と同様に、本研究においても、スプリアス放射周波数で動作するAASフェーズドアレイの放射パターンは、単一素子のアンテナ放射パターンによって与えられるものと単純に仮定する。そのような放射パターンを図4の右パネルに示す。
約4.3 GHzにおける5G基地局からのスプリアス放射をシミュレートするために使用するPSDの大きさについて、FCCの命令では、3.98 GHzを超える周波数において、5G基地局からの伝導放射は-13 dBm/MHzを超えてはならないと規定されている。 しかし、機器からの放射は3.98 GHzを超えても減衰し続けるため、無線業界の専門家はRTCAワーキンググループに対し、4.3 GHzにおけるスプリアス放射を評価するには、-13 dBm/MHz未満に低減されたPSDが適切であると提言した。 本調査の目的上、RTCAは、スプリアス放射による干渉を評価する際、4.3 GHzにおける伝導放射のPSDを-20 dBm/MHzと仮定することを選択した。本調査をRTCAの調査で仮定された条件と整合させるため、本稿でも伝導放射のPSDとして-20 dBm/MHzを採用する。
5Gの基本放射（≈3.85 GHz）および5Gのスプリアス放射（≈4.3 GHz）による干渉を評価するためには、レーダー高度計の帯域内（≈4.3 GHz）および帯域外（≈3.85 GHz）の周波数について、民間航空機で使用される代表的なアンテナの利得パターンが必要となる。 RTCAの研究の一環として、これら各周波数において2つの代表的なアンテナの利得パターンが測定され、2つの測定パターンの平滑化された平均値が報告され、その後の研究における解析に使用された。これらの利得パターンは、参考文献[2]の図6-11（3.85 GHz用）および図6-12（4.3 GHz用）に示されている。 これらの利得パターンは、文献[2]から直接デジタル化され、本研究で使用された。
Wireless InSite で生成された、これらの各周波数における利得パターンを図 5 に示す。これらのパターンは、ボーイング 757 旅客機におけるレーダー高度計の一般的な設置位置に基づいて生成されている。 表示されているボーイング757の機体形状は、視覚化のみを目的としたものであり、本研究で実施された電波伝搬解析には一切関与していません。
3.85 GHzにおける最大利得は、この周波数が高度計の帯域外であるためわずか1.375 dBiであるのに対し、レーダー高度計の帯域中心である4.3 GHzにおける最大利得は9.397 dBiです。
RTCA報告書で検討されたILS着陸アプローチのシナリオでは、イリノイ州シカゴのオヘア国際空港（ORD）の27L滑走路に着陸する航空機を対象とした。滑走路端の位置は、北緯41度59分02秒、西経87度53分21秒、平均海面（MSL）より654フィート高い地点にある。 想定された飛行経路は、滑走路27Lの公式ILS Cat II/IIIアプローチチャートに基づいており、同チャートでは、グライドスロープ3°、真西への進行、および滑走路端から1040フィート（317メートル）先での着陸が規定されている。 5G基地局が設置される前の現実的な5G干渉シナリオをシミュレートするため、RTCAの報告書では、飛行経路付近にある既存の4G LTE（Long Term Evolution）基地局を特定し、将来の5G基地局がこれらの同じセルタワーに設置されると仮定した。 RTCA報告書では、表2に示す5つの基地局を特定しており、その位置はFCCのアンテナ構造登録（ASR）検索ツール[16]を用いて検証されている。これらの通信塔はGoogle Earth[17]の画像でも確認でき、本研究ではこの画像を用いて、建物構造物に対する位置を正確に特定するために、通信塔の位置をわずかに調整した。
RTCAの研究および本研究で使用された飛行経路は、Wireless InSiteでレンダリングされた図6に示されている。飛行経路は、経路上の等間隔の地点にレーダー高度計の位置をプロットした赤い四角形で示されている。レンダリング画像の左端にはオヘア国際空港の一部が確認でき、飛行経路は27L滑走路で終了していることがわかる。
本研究で使用した5つの基地局の正確な位置は、小さな緑色の四角形で示されており、その近くにはオレンジ色の文字でFCC登録番号が記載されている。建物、道路、植生、水域の形状データの大部分は、OpenStreetMap [12] から取得したものである。 飛行経路付近の住宅建築物の一部がOpenStreetMapに欠落していた。これらの建物については、Google Earth [17] 上の住宅地を確認した上で、適切な住宅建築物で補完した。ただし、これらの建物を追加しても、本研究の主要な結論に重大な影響はなかったことに留意すべきである。
後述する研究では、図6に示す地形、樹木、水域、および建築物の形状を用いて、Wireless InSiteにより屋外都市環境における電波伝搬をモデル化しているのに対し、ILS着陸アプローチのシナリオに関するRTCAの研究では、5G基地局とレーダー高度計間の見通し内伝搬のみが考慮されていた。 Wireless InSite 内で RTCA レポートの結果を確実に再現できるように、すべての基地局アンテナとレーダー高度計受信機のルートウェイポイントの位置は同一に保ち、地形や建築構造などを表す幾何学的特徴を無効にしてシミュレーションを実行しました。 これにより、この初期シミュレーションには、基地局とレーダー高度計間の見通し内伝搬のみが含まれることが保証された。RTCAの調査結果を再現できることを実証することで、アンテナ利得パターンの微妙な特徴や、これらのアンテナの相対的な位置がWireless InSiteで正しく表現されていることを検証した。さらに、地形や建築構造物との相互作用に起因する変化を容易に特定できる基準を確立した。
RTCA報告書の干渉結果を再現するには、アンテナの配置を報告書で使用されたものと厳密に一致させるだけでなく、報告書で定義された正確なアンテナ利得パターンや指定された電力レベルを忠実に実装することが明らかに重要であった。しかし、結果を再現するには、さらに2つの重要な点があった。 第一に、レーダー高度計アンテナの偏波は、飛行経路上の各ウェイポイントで一定ではなく、5G基地局からの入射視線電磁界の偏波と完全に一致するように選択された。これにより、飛行経路上の各点において最悪のシナリオが考慮されることが保証された。第二に、基地局の方位角は、レーダー高度計アンテナで最大の受信電力が得られるように選択された。 ここでも、これにより最悪のケースを想定した評価が保証されるとともに、このセルタワーに設置される将来の5G基地局のAASアレイの方位角が不明であるという事実、およびAASアレイがセクターをカバーする任意の角度で5G電波を電子的に方位制御できるという事実が考慮されています。 Wireless InSiteシミュレーションにおいてこれら両方の仮定を適用することで、RTCAの研究で報告された結果に極めて近い結果が容易に得られる。
図7は、着陸する航空機の高度の関数として、レーダー高度計のアンテナによって測定される5G基本波放射の電力スペクトル密度を算出したWireless InSiteシミュレーションの結果を示している。受信電力スペクトル密度は、5つの基地局位置それぞれについて、色分けされたトレースとして示されている。 ここで示すケースは、すべての基地局が20°の電子ダウンチルト（機械的＋電子的な合計ダウンチルト30°に相当）を有する着陸シナリオを考慮したものである。比較のため、5G基本放射帯域の中心に対する干渉許容マスクを、高度計高度の関数として実線（黒）で示している。 ITMの下方に広がる赤色の陰影部分は、ICAOの『民間航空の周波数要件に関するハンドブック』で推奨されている追加の6 dBの安全率を表しています。本図に表示されているITMは、これらの曲線の作成に使用されたAVSIによる実測データを容易に再現できないため、RTCA報告書から直接引用したものです。Wireless InSiteシミュレーションで独立して再現されたのは、レーダー高度計の受信ポートで測定されたパワースペクトル密度です。 図7に示されたこれらのPSD曲線は、RTCA報告書の図D-15に報告されたものとほぼ完全に一致している。両結果の間に見られるごくわずかな相違は、基地局アンテナの幾何学的配置における些細な違い、あるいはレーダー高度計アンテナに使用されたアンテナ利得パターンのわずかな相違によるものと考えられる。というのも、このパターンは数学的に定義されたものではなく、RTCA報告書の出版物にある利得パターンをデジタル化して再現したものであるためである。 注目すべきは、見通し内伝搬のみを考慮した本解析において、ITM自体も、それに付随する6 dBの安全余裕も、いずれも超過していない点である。
さまざまな基地局からの5G基本放射による干渉をシミュレーションしたほか、同じ基地局からの5Gスプリアス放射による干渉についてもシミュレーションを行った。その結果を図8に示すが、これはRTCAが報告書の図10-34として掲載している結果と極めて近い値となっている。ここでも、飛行経路上のどの地点においても、ITMおよびそれに関連する安全余裕度はいずれも超過していない。
基地局から高度計までの見通し内伝搬のみを考慮したRTCAのILS進入・着陸シナリオに関する研究とは対照的に、Remcom社のWireless InSiteのような高度な電波伝搬ツールを活用することで、都市部の屋外環境における電波伝搬を高精度にモデル化することが可能となります。 Wireless InSiteは、屋外環境における伝搬をモデル化するために3次元レイトレーシングを活用しており、地形や建築構造物との間で多重反射や回折の相互作用を受ける光路を考慮することができます。
ここで検討するILS着陸アプローチのシナリオにおいて、Wireless InSiteを用いて、図6に示す幾何学的条件下の電波伝搬をモデル化した。この際、材料特性については妥当な仮定を置き、経路上の反射を最大4回、回折を1回まで考慮した。 地形に使用した材料特性は、本研究の対象周波数付近で評価された湿潤地について、国際電気通信連合（ITU）が文献[18]で推奨する周波数依存性の誘電率および導電率のグラフに基づいている。 中程度の乾燥地ではなく湿潤地を選択したのは、そのような条件がILS CAT II/IIIアプローチが要求される状況に適していると判断したためである。現実的な地形を近似するために、参考文献[19]に従った粗面反射係数を用い、地表面の高さの標準偏差を1 cmと仮定した。適用された粗面補正は、確率的な地表面の粗さを考慮して、鏡面反射方向に反射されるエネルギーを適度に低減するものである。 すべての建物の形状、道路、および滑走路はコンクリート構造物であると仮定し、周波数依存の誘電率および導電率は、参考文献[20]に示された建築材料に関するITU推奨式に基づいた。この場合、Cバンドの波長域では建築構造物は比較的滑らかであると見なせるため、表面粗さ補正は適用しなかった。
図9は、地形、建築物、樹木、水域を含めた場合、Wireless InSiteによって予測された、レーダー高度計の受信ポートで測定された電力スペクトル密度を、航空機の高度の関数として示したものである。 図7に示した「見通し内のみ」の場合と比較して、結果にはいくつかの顕著な変化が見られる。その中でも最も顕著なのは、飛行経路上の複数の地点において、「見通し内のみ」の場合と比較して干渉PSDが大幅に増加しているという事実である。 実際、飛行経路上の4か所では、追加された要素との相互作用により、干渉PSDが増加し、ICAOが推奨する安全マージンを超える水準に達している。そのうち2か所では、図1に示された制限区域の外側にあるASR 1280620およびASR 1058071からの干渉により、ICAOの安全マージンが1.2 dB未満という僅差で違反している。 しかし、飛行経路上の他の2地点では、図1に示された制限区域内に存在する唯一の基地局であるASR 1256593からの5G基本波放射により、干渉PSDがITMそのものに接近している。 これは、5G レーダー高度計への干渉を評価する際には、高精度の電波伝搬ツールを使用してマルチパスをモデル化することが重要であることを示しています。なぜなら、地形や建築構造物との相互作用により、エネルギーがレーダー高度計のアンテナに向かって再方向付けられ、見通し線解析のみでは予測できないほど高い干渉電力レベルが生じる可能性があるからです。
5Gの基本波放射による干渉の結果に加え、5Gのスプリアス放射による干渉レベルを予測するため、地形や建築物などを考慮した電波伝搬のシミュレーションも実施した。その結果を図10に示す。地形や建築物との相互作用を考慮したこれらの結果と、見通し伝搬のみを考慮した図8の結果との間には、顕著な違いが見られる。 具体的には、飛行経路上の特定の地点において、高度計で測定された干渉は、図8に示された飛行経路上の同地点と比較して、わずかに増加している。また、データ記録全体を通じて、測定された干渉は航空機の高度に応じて、はるかに急速に変動していることが確認できる。 この急速な減衰は、図10の結果においてマルチパスが考慮されていることに起因する。しかし、視界外伝搬を含む5G基本放射の結果とは対照的に、飛行経路上のどの地点においても、5Gスプリアス放射による予測干渉が、ICAOが推奨する安全マージンまたはITM自体のいずれかを超えることはない。 これらの結果は、5G基本放射とは対照的に、5G基地局からのスプリアス放射は、使用区分1（商用航空機）のレーダー高度計の運用に対して重大な脅威をもたらさないというRTCA報告書の結論を裏付けるものである。
前節で示した5G基本放射に関する結果によると、レーダー高度計の受信機で測定される干渉は、飛行経路上の特定の地点において、地形や建築物などとの相互作用により、ICAOが推奨する安全余裕を逸脱するか、あるいはITM（使用区分1）の航空機そのものに近づくほど、著しく増大する可能性があることが示された。 本節では、違反が発生する飛行経路上の地点における電波伝搬条件について、より詳細に検討する。
まず、ASR 1280620基地局からの5G基本干渉による干渉のピーク点について検討する。これは、接近する航空機が滑走路端で測定した地上高から1429フィートの高度にあるときに発生する（図9の緑色の曲線のピークを参照）。 図11は、干渉の最悪ケースを想定して基地局の方位を調整した、この地点の状況を示している。図11のレンダリングは、レーダー高度計への干渉信号に寄与する、出力上位20本のレイパスを示している。
図は、基地局と航空機用高度計の間を伝播する光路全体を示しています。挿入図は、基地局付近における光路の相互作用を拡大して示したもので、そこでの相互作用によってエネルギーがレーダー高度計の方向へと導かれています。 特に注目すべきは、地表との相互作用により、見通し伝搬そのものよりも高い受信PSDが生じている点である。さらに、地面や建物構造物と相互作用したり、建物構造物自体から直接回折したりして、放射をレーダー高度計に向けて再方向付ける、その他の多数の光路が存在する。これらの多重経路は、レーダー高度計においてコヒーレントに重なり合い、干渉放射の測定PSDをもたらす。
このシナリオは、伝搬解析に地形や建築構造物、およびこれらとの電波相互作用を含めることで、予測される干渉レベルが劇的に高まることを示す顕著な例である。このケースでは、予測される干渉レベルは、見通し伝搬のみの場合に予想される値よりも16 dB高くなった。シミュレーションされたシナリオにおいて、干渉レベルの主な増加要因は地形との相互作用のみによるものであり、建築物の形状による相互作用の寄与ははるかに小さい。 建物の材料構成に関する詳細な情報が得られ、シミュレーションに組み込まれた場合、この状況は大きく変化する可能性があります。前述の通り、すべての建築構造物は単にコンクリート構造物であると仮定されていました。もしこれらの構造物の一部がコンクリートではなく金属で構成されていることが判明した場合、測定される干渉の最悪ケースは大幅に増加する可能性があります。 とはいえ、示されたシナリオはすでに、予測される干渉が大幅に増加することを示しており、視線外光路を考慮すると、ICAOが推奨する使用区分1の航空機に対する安全余裕が一度でも超過することになる。
地形や建築物の影響を考慮し、見通し外伝搬の解析を行うことの重要性を示す2つ目の例として、基地局ASR 1058071からの5G基本波放射により、高度計受信機で測定される干渉が最大となる飛行経路上の地点について検討する。この地点は、滑走路端で測定した地上高から1398フィートの高度にあるときに生じる （図9のオレンジ色の曲線のピークを参照）。このケースでは、最悪のシナリオにおける基地局の方位角方向の光路が図12に示されている。ここでも、主図には基地局からレーダー高度計までの光路の軌跡が示されており、挿入図には、基地局付近でレーダー高度計に向けてエネルギーを再方向転換させる光路の相互作用の拡大図が示されている。 前のケースと同様に、地形や建物の特徴、およびそれらに伴う電波の相互作用を考慮した結果、予測される干渉レベルは劇的に増加した。直線伝搬解析と比較して、マルチパス解析では、飛行経路上のこの地点において干渉レベルが15dB強増加すると予測される。ここでも、この増加の原因となる主な光路は、地形からの単一反射を伴うものである。 しかし、図12から明らかなように、道路や建築構造物との相互作用を伴う他の光路も寄与しているが、そのレベルははるかに控えめである。前回と同様、本シミュレーションでは、道路と同様にすべての建築構造物がコンクリート製であると仮定している。ここでも、直線伝搬を超えた干渉の増加は、ICAOが使用区分1の航空機に対して推奨する安全余裕を逸脱するほど十分に大きい。
最後に、基地局ASR 1256593からの5G基本放射により、使用区分1の航空機に対するITMが逼迫する、飛行経路上の特定の地点における状況を詳細に検討する。これは、2022年1月から2022年7月5日まで存在することが合意された5G放射制限区域内に位置する、本調査対象の中で唯一の基地局である。 最初の干渉の最大値は、航空機が滑走路端で測定した地上高319フィートの高度にあるときに発生する（図9の紫色のトレースに沿った飛行経路上の最初の最大値参照）。このケースにおける電波経路のレンダリングを図13に示す。メインビューには、送信機から受信機までの全電波経路における干渉に寄与する、出力値が最も高い上位20の電波経路が表示されている。 挿入図は、5G電波を高度計に向けて反射させる最も重要な相互作用を強調した拡大図である。この特定の位置において、マルチパス伝搬を考慮した場合の予測干渉レベルは、見通し伝搬のみを考慮した場合の同位置における干渉レベルよりも26 dB大きい。
干渉がこれほど大幅に増加した主な原因は地形との相互作用にあるが、視線経路が5G基地局のアンテナ指向性パターンの局所的な最小値に沿っているという偶然も一因となっている。基地局ASR 1256593を取り囲む建物構造物による反射や回折の影響は、前述の2つの相互作用の例と比較すると比較的小さく、干渉信号の大部分は地形や道路によるものである。
基地局ASR 125653による干渉の2つ目の最大値は、航空機が滑走路端で測定した地上高から256フィート上空にあるときに、飛行経路に沿って発生します（図9の紫色の曲線「航空機着陸直前の干渉最大値」を参照）。 ここでも、この地点における干渉レベルは、使用区分1の航空機に対するITM（許容干渉限界）に極めて接近している。この干渉信号に寄与する出力上位20のレイパスを図14に示す。前の例と同様に、干渉信号への主な寄与は地形や道路との相互作用によるものであり、建物構造物との相互作用による寄与ははるかに小さい。 飛行経路上のこの正確な位置において、マルチパス解析で予測された干渉レベルは、見通し内伝搬の予測値をわずか25 dB上回るに過ぎない。ここでも、結果間のこの大きな差は、地形や道路との強い相互作用、および（はるかに程度は小さいが）建物構造物との相互作用に起因するが、見通し内光路が5G基地局アンテナの利得パターンの局所的な最小値に沿っているという点でも偶然の一致である。
選択されたシナリオにおいて、ICAOが推奨する安全マージンに対する最も深刻な違反は、主に地形との相互作用に起因していることを踏まえると、地形要素の物性について異なる仮定を置いた場合に、これらの結果がどの程度変化するかを調査することは興味深い。上記の分析では、ILS CAT II/III着陸アプローチが要求される際には、直近または継続的な降水が発生している可能性が高いことから、地形は湿った土壌で記述されると仮定した。 さらに、地表の高さの平均値に対する標準偏差を1 cmと仮定した粗度補正係数を導入することで、地形に関する現実的な想定を行った。この粗度補正は、地形からの鏡面反射エネルギーを低減させる働きがあり、その結果、レーダー高度計に向けて再反射されるエネルギーの量を減少させる可能性がある。
安全リスクを評価する際には、現実的な最悪のシナリオを考慮することが適切であることから、地表が滑らかで湿った土壌であると仮定した場合を検討することは興味深い。なぜなら、その場合、反射係数がやや高くなり、5G基地局からのエネルギーをより多くレーダー高度計へと導く可能性があるからである。その対極として、典型的な日に想定される地表の物性、すなわち、粗く、中程度の乾燥した土壌についても検討することができる。
この目的のために、地表を滑らかで湿った土壌と仮定して上記のシミュレーションを再実行した。この場合、反射係数に対する表面粗さの補正は無視している。また、粗く中程度の乾燥した土壌についても再実行した。この場合、表面粗さは以前と同様に高さ方向の標準偏差が1 cmであると仮定しているが、誘電率と導電率は中程度の乾燥土壌に関するITU勧告[18]に基づいている。 その結果を図15に示す。ここで、青色のトレースは粗い湿った土壌を仮定した以前の結果を要約したものであり、青色のトレースの外側に時折広がっている紫色の陰影部分は、地形を記述する表面材料として粗い中程度の乾燥土壌または滑らかな湿った土壌のいずれかを仮定した場合の、干渉PSDの変動における極端な値を表している。 これらの曲線を作成する際、飛行経路上の各点において、いずれかの基地局からの最大干渉が選択され、干渉PSDのデータ点を表している。データの大部分において、地表材料の特性の変動は結果に顕著な影響を与えていない。
しかし、飛行経路上のいくつかの地点、特に地表からの反射の影響が大きく、安全余裕が確保されていない地点では、干渉のPSDが青い曲線の上方に、時にはそのやや下方にまで広がっていることが確認できる。 特に、ASR 1280620 および ASR 1058071 からの干渉により安全マージンがわずかに超過していた地点では、地形が滑らかで湿った土壌であると仮定した場合、干渉PSDがこれらの地点で約3dB増加しているため、超過幅はより顕著になる。 さらに、以前は ASR 1256593 からの干渉により安全マージンが大幅に超過していた地点では、滑らかで湿った土壌で地表が記述された場合の干渉 PSD が十分に増加したため、ITM 自体がわずかに超過するようになりました。したがって、潜在的な干渉源を評価する際には、現実的な最悪のシナリオを組み込んだ材料特性の変動を含めることが重要であることがわかります。 このシナリオでは、地形の表面材質に関する仮定をわずかに変更しただけで、地形の反射波がレーダー高度計に向けて大きなエネルギーを送り込む飛行経路上の地点において、干渉が3 dB増加した。
本稿では、5Gによるレーダー高度計への干渉に関するRTCAの研究で検討されたILS Cat II/III着陸アプローチのシナリオを再分析した。着陸シナリオにおいて見通し内伝搬のみを考慮したRTCAの分析とは対照的に、ここで述べるシミュレーションでは、電波のマルチパス伝搬や、地形および建築物構造物による散乱を含めている。 飛行経路上の特定の地点において干渉レベルが大幅に増加することが確認されたことから、5Gレーダー高度計への干渉レベルを評価する際には、このようなマルチパス解析を組み込むことが極めて重要であることを実証した。干渉がICAOの安全マージンを超える場合もあり、地形の物質特性に関する仮定によっては、RTCA/AVSIが使用カテゴリー1の航空機向けに公表した干渉許容マスクに近づくか、あるいはそれを超えることさえあった。
具体的には、本研究およびRTCA報告書の双方において、オヘア国際空港の27L滑走路に対するILSカテゴリーII/III着陸アプローチのシナリオが検討された。本解析では、空港周辺および飛行経路下にある地形、道路、水域、建築構造物といったサイト固有のデータを、OpenStreetMapのジオメトリからRemcom社の伝搬解析ツール「Wireless InSite」に取り込んだ。 これにより、Wireless InSiteを用いて、航空機が飛行経路に沿って進んだ際にレーダー高度計受信機に到達する5G干渉信号の電力スペクトル密度の大きさを現実的に推定することが可能となった。RTCA報告書の結論と一致して、5Gのスプリアス放射による干渉は、使用区分1の航空機に対するITM（許容限界値）およびそれに関連するICAO推奨の安全マージンの両方を下回っていることが判明した。 しかし、飛行経路沿いの5G基地局が20°の電子ダウンチルト（電子＋機械式ダウンチルトの合計30°）を有する場合、Wireless InSiteを用いて実施したマルチパス解析によると、安全マージンが超過し、飛行経路上の特定の地点ではITM自体に極めて接近することが示された。一方、RTCAの研究では、着陸シナリオにおいて見通し伝搬のみが考慮されていたため、このような違反は報告されていなかった。
今回実施したマルチパス伝搬解析の結果、2022年7月5日まで空港滑走路周辺に維持することが合意されていた5G電波制限区域の外側に設置された携帯電話基地局からの電波により、安全余裕度が下回ると予測された。 特に、制限区域内に設置された携帯電話基地局タワーに搭載された5G基地局については、ITM（干渉限界）に極めて接近することが示された。前述の通り、これらの予測に使用されたサイト固有のジオメトリはOpenStreetMapからインポートされたものである。シミュレーションを実施するために、地形、道路、水域、植生、および建築構造物の材質構成に関する現実的な仮定がこのジオメトリに適用された。 しかし、特定の特徴に対して他の材料やより正確な形状データ（例：コンクリート造の建物構造の代わりに金属）を使用した場合、さらに大きな干渉レベルが生じる可能性がある。実際、地形に関する仮定をわずかに変更し、すなわち、起伏のある地面ではなく平坦な地面としてモデル化したところ、現在のシナリオにおいて、飛行経路上の特定の地点でレーダー高度計で測定された干渉が約3dB増加した。
最良の結果を得るためには、設置された5G基地局周辺の建物や地形の形状および材質構成について、サイトごとに詳細な調査を行うとともに、マルチパス光線追跡解析を実施し、着陸機におけるレーダー高度計受信機で発生し得る干渉レベルを適切に評価する必要があります。 特定の 5G 基地局の機械的な向きおよび電子的なスキャン機能が、設置前または設置後に特定され次第、ここで検討した 20° の電子ダウンチルト単一のケースを超えた、より徹底的な解析を容易に実施することができる。
上記の結果は、5Gの基本放射がレーダー高度計にどの程度干渉するかを正確に評価するためには、マルチパス効果を含む電波伝搬に関するマルチパス・サイト固有の解析を行う必要性を浮き彫りにしている。 帯域外干渉に極めて敏感なレーダー高度計が2022年夏の初めにおいても航空機に搭載されたままであることを考慮すると、この解析は、従来制限区域であった場所での5G基地局の安全な稼働を可能にする上で特に重要である。
参考文献