日前舉行的世界無線電通訊大會上對5G帶外無用射頻限值和訊號干擾做出了規定，其實這是全球氣象學家抱怨已久的結果。這到底是為什麼？

新媒體編輯/呂冰心

採訪專家:

王冀（北京市氣象局氣候中心主任）

王坦（WRC19中國代表團5G毫米波議題主要負責人、國家無線電監測中心）

韓瑽琤（中國科學院大氣物理研究所研究員）

阮濤（中國電信增值業務運營中心 5G創見沙龍發起人）

如果新搬來的鄰居一直吵吵鬧鬧，讓你每日飽受噪聲干擾，你會怎麼做呢？找警察？

這似乎是一個不錯的選擇，然而，警察協調的結果未必總能讓人滿意——同樣的問題，現在也困擾著全球的氣象監測系統，而這個讓它們心煩意亂的新鄰居不是別"人"，正是我們耳熟能詳的5G通訊。

此前，以美國國家航空航天局（NASA）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等權威機構為代表的西方科學家宣稱，5G這位"鄰居"所使用的23.8GHz-24GHz頻段由於過於臨近全球氣象衛星監測所用頻段，會嚴重干擾其資料監測的準確性，因而呼籲"警察"——國際電信聯盟（ITU）出手進行協調。

11月22日，"警察"協調的結果出來了：ITU在2019世界無線電通訊大會（WRC19）通過了一項"兩步走"保護協議，進一步明確5G帶外無用射頻限值規範，細化了對5G訊號噪音干擾的規定，要求自協議生效之日起至2027年9月1日，運營商必須將5G訊號的雜音干擾控制在-33dBW以內。此後，該上限將收緊至-39dBW。dBW是衡量訊號噪音的單位，數值越小表明控制越嚴。

對此，ITU表示希望通過這一限制，協調全球氣象監測和5G技術發展二者之間的關係，以期既能保障氣象衛星監測的正常執行，又能幫助5G運營商減少開發與推廣過程中潛在的阻礙。然而，面對這樣一份"調解書"，天文學家和氣象學家顯然是不滿意的。

▲第三十八屆世界無線電通訊大會在埃及沙姆沙伊赫召開。Cr: ITU

據了解，WRC19大會結束後，全球氣象組織（WMO）祕書長Petteri Taalas就致信ITU祕書長趙厚麟，表達了自己的擔憂。他指出，ITU所給出的這一標準遠不及WMO此前提的建議標準，甚至連過去4年ITU內部調研所得的標準都達不到。

"根據《國際無線電規則》規定，（23.6 GHz -24 GHz）該頻段由於其特殊的物理特性和訊號屬性，是具有不可取代性的，它是一種重要的自然資源，就算是來自無源感測器的低等級干擾都會降低該頻段訊號的品質，而且在多數情況下，這些感測器是無法區分自然輻射和人造輻射的"。在Taalas看來，5G擠佔科研所用的這一黃金頻段，其影響之大不容忽視，因為此類訊號干擾"恐導致現有30%-40%的正常預測失靈"。

對此，美國無線電頻譜共享科學顧問Renee Leduc也表達了相同的擔憂。在Leduc看來，-39dBW這一標準遠不夠保護現有氣象衛星監測的準確性，"就算是比這再嚴苛的標準都無法阻止對大氣水汽監測的干擾"。據了解，根據NASA和NOAA的最新調查資料顯示，至少需要將5G基站的噪聲干擾限制在-52.4dBW，才能基本保障正常的大氣水汽監測。

"5G發展的速度實在是太快了……我更擔憂的是中間這段（過渡）時期"。Leduc指出，由於從本世紀20年代開始到中期，5G技術會進入加速時期，如果從2027才將限值收緊到-39dBW，結果很有可能就是為時已晚——況且-39dBW這一標準本身就已經很低了。對此，WMO無線電頻率協調小組負責人、氣象學家Eric Allaix也認為，在2027年9月到來前的這八年時間裡，如果不收緊對5G的監管，5G通訊的快速發展將為全球生態監測埋下極大隱患。

▲5G對氣象監測所用頻譜資源的擠佔。Cr: Nature

然而，在ITU顧問David Botha看來，-33dBW和-39dBW這兩個上限，已經是一個"協調了所有成員國意見、經由多方權衡"而得的標準。對於規定公佈之後產生的爭議，Botha直言："在我們看來，這兩個數值足夠用來保護氣象衛星系統和地球探測衛星系統——雖然我們發現，還是有人對此存有異議。"

被問及是否還會有更進一步的保護性措施，Botha表示，新規定會對5G通訊如何影響氣候觀測"保持密切關注"，但諸如如何持續關注、如何保護現有觀測水平、如何對可能存在的氣象學資料缺損進行補救等問題，Botha表示不予置評。

在氣象學家和天文學家眼裡，5G這位"惱人的鄰居"所幹擾的資料關乎著全球的生態監測——23.6GHz-24GHz頻段對於地球觀測尤其是氣象觀測至關重要：大氣中的水汽能釋放出微弱的訊號，氣象學家可以通過監測水汽輻射的資料推算出大氣溼度，並以此為基礎預測全球的降水、波浪高度、熱帶氣旋和冷空氣的軌跡等，為人類的生活、科學研究甚至是軍事戰備提供決策依據。

然而與此同時，無線電頻譜資源對於人類來說也是有限的。為了儘可能地提高對有限頻譜資源的利用率，人們通常會採用頻譜複用的方法來協調。後者的基本思路是，雖然訊號寬頻有限，但通過調製可以使各路訊號在頻率位置上"錯開"，實現多路訊號同時在一個通道內傳輸的目的，這是一種讓訊號在時間上重疊而在頻譜上不重疊的方法。基於這一理論，故而有觀點認為，氣象衛星訊號可以與5G訊號在空間上"立體錯位"，因而並不會干擾全球的氣象監測。

儘管如此，但訊號的同頻/鄰頻干擾現象卻在所難免。這就好比如果鄰居是一位每天都在吵吵鬧鬧、分秒不停的熊孩子，那麼就算不住在同一屋簷，身處隔壁的我們也不可避免地會被鄰居的噪聲干擾。

"5G基站發出的頻率幾乎與用來反演大氣中水汽的頻率相同，屆時我們將無法判斷這些訊號到底是不是來自自然界。"Wisconsin–Madison大學氣象學家Jordan Gerth指出，如果把這些錯誤的資料匯入預報所用的模型裡，預報的準確性將會大大降低。

"從2012-2015年和2015-2019年這兩個研究週期來看，5G對氣象被動遙感頻譜的擠佔還是非常明顯的"，王冀坦言。"這次WRC19上大家（對這個問題）討論特別激烈，主要是運營商之間的，阿拉伯、非洲和美國為首的幾個地區，他們希望將這個限值定為-28，歐盟就還是希望設在-42，亞太地區也分成了兩派……可以說，爭論真的很激烈。"

▲美國上空水汽監測情況。Cr: NOAA/GOES

相似地，5G創見沙龍發起人、中國電信增值業務運營中心阮濤也表達了同樣的觀點。他指出，這種頻譜資源的"撞車"主要集中在毫米波頻段（24.25GHz～27.5GHz），"（這個頻段）頻點很低、頻寬又大，所以開發難度較小，故而被很多國家用作 5G毫米波的主力頻段。"阮濤進一步解釋道，"但23.6GHz～24GHz也是全球衛星地球觀測的一個特殊頻段，二者相互有交叉，所以理論上是存在干擾可能的。"

目前，為了儘可能搶佔5G發展的先機、推動5G技術發展，多國已陸續著手拍賣5G頻譜資源：2016年美國聯邦通訊委員會（FCC）批准開放高頻頻段，使得美國成為首個為5G通訊提供24GHz及以上頻率的國家；2018年初，英國正式開放5G頻譜，同年年底，義大利開放5G頻譜拍賣；2019年年初，美國FCC正式拍賣24.25-25.25GHz（24GHz）頻段……一方面是全球5G運營商的大量湧入，另一方面是用於氣象監測的被動遙感頻段被幹擾程度越來越大，未來將何去何從？

王冀主任坦言，這種訊號噪聲干擾的問題已經在中國氣象監測中出現，但總體來看"（干擾的）表現得並不是特別明顯"，"畢竟高頻段的5G系統還沒有明顯的、大量的上市，還沒有實際大範圍地開始部署"。WRC19中國代表團5G毫米波議題主要負責人、國家無線電監測中心王坦博士也指出，儘管存在干擾，但這種干擾的程度會有多嚴重目前尚未可知。

王坦博士表示，由於氣象監測所用的衛星系統都部署在天上，因而目前很難像地面臺站一樣，進行少量臺站之間的干擾試驗。加之不同國家的5G發展戰略不同，在干擾試驗中使用的計算方法和標準也不盡統一，因而各國對5G基站帶外無用射頻的限值爭論一直很大。"只有全球大規模部署5G基站後，才能驗證其對衛星系統產生的實質影響"。

據了解，5G發展對全球氣象監測的潛在威脅已經引起中國相關部門的重視。中國科學院大氣物理研究所研究員韓瑽琤表示，近期，由工信部陸續頒佈的相關檔案已經明確提出5G系統對衛星地球站、射電天文臺等的干擾保護標準。檔案指出，鑑於5G的推出使用了原有的氣象觀測系統以及其他合法的裝置及單位的工作頻段，因而要求5G裝置的使用"應在國家無線電管理機構的嚴格管控下執行，開展與同頻及鄰頻的氣象觀測系統以及其他合法的裝置及單位的干擾協作，確保不造成有害干擾"。

▲美國Landsat 8衛星。Cr: NASA

不要小瞧-39dBW和-42dBW的微小差異，二者在數字上似乎"只是多了一小步"，但對於運營商而言，卻是研發成本"激增了一大步"，也正是出於這些綜合因素的考慮，部分國家並不支援通過收緊5G帶外無用射頻限值人為提高發展5G技術的成本。

在阮濤看來，這一限值之所以在部分國家引發巨大爭議，也是由於各國5G發展戰略不同，其對氣象監測的干擾也差別較大。"FCC將毫米波頻譜作為5G核心，所以這種干擾對美國的影響較大。"阮濤表示，"目前中國發放的5G商用頻段在6GHz以下，是以sub6為主頻段，所以個人感覺現階段這種影響對中國的氣象監測影響不會特別大。"

儘管爭議不斷，但5G技術的發展對於氣象學來說還是有很多值得期待的地方。

"作為科研工作者，我們希望5G能通過合作的形式支援氣象業務的發展，帶來更大的社會和經濟效益。"韓瑽琤研究員說道。據了解，中國科學院大氣物理研究所已於2016年起，與中國聯通集團簽署合作，共同為全國的環境保護治理提供科學技術與資訊服務，而5G技術就是其中重要的組成部分。

為此，韓瑽琤研究員以智慧路燈為例，向記者進一步說明了發展5G對氣象學的推動作用。"這些路燈可以掛載5G微基站和多種氣象要素感測監控裝置，利用5G以及智慧城市的設施和網路，能夠快速地監測、收集、傳輸和分析氣象資料監測，"她說，"這些都可以用於彌補近地面氣象觀測站點的不足。"

參考資料：

《3000-5000MHz頻段第五代行動通訊基站與衛星地球站等無線電臺(站)干擾協調管理辦法》

http://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n4509650/c6552201/content.html

出品：科普中央廚房

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