TD-SCDMA專網技術在核電站的應用方案

王安義 邱園英

(西安科技大學通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

為了加快核電事業(yè)的發(fā)展，在核電站建立有效、安全、可靠的通信系統(tǒng)是非常必要的。然而，核電站對安全生產的要求非常嚴格。為了避免對儀控設備產生電磁干擾，在核島區(qū)嚴禁使用任何民用手機、對講機。在我國，核電站內部目前只能通過尋呼系統(tǒng)、固定電話系統(tǒng)等進行信息交互。隨著無線通信的發(fā)展，原有技術的缺陷日益顯現(xiàn)。因此，選擇一種可靠的、能夠滿足核電站無線通信要求的新技術勢在必行。

近年來，我國自主研發(fā)的TD-SCDMA技術在各行各業(yè)得到了廣泛應用。大唐移動已經開發(fā)了應用于煤炭、海油、軍事人防等行業(yè)的TD-SCDMA專網［1］。

1 核電站無線通信技術

1.1 對無線通信技術的要求

核電設施的安全運行對社會、經濟和環(huán)境都具有重要意義，核電站對無線通信技術的應用有不同于常規(guī)場景的一些特殊要求，具體介紹如下。

①電磁兼容性。核電站無線技術應用重點解決的是電磁干擾問題。

核電站機電設備眾多，存在大量電磁干擾源，可能會影響無線語音通信和運行管理［2］。更重要的是，無線設備發(fā)射的電磁波可能對核電站關鍵的機電設備造成干擾，影響儀表的正常讀數(shù)。為了規(guī)避可能出現(xiàn)的風險，核電站劃分為廠區(qū)和核島區(qū)。在核島區(qū)，如果有通信設備發(fā)射的電磁波干擾反應堆的運行，就有可能引起安全事故。

②多業(yè)務需求。核電站是復雜的工程系統(tǒng)，其運行和管理要求所布置的無線通信系統(tǒng)能滿足語音通信、數(shù)據(jù)通信、安保監(jiān)控、設備監(jiān)測、無線傳感、指揮調度等業(yè)務要求。

③可擴展性和可升級性。隨著技術的進步和應用經驗的積累，核電站可能將已安裝的無線通信系統(tǒng)在業(yè)務種類和應用領域進行擴展，因此要求通信系統(tǒng)具有良好的可擴展性和可升級性。

1.2 無線通信技術應用分析

在大量測試、計算和論證的基礎上，國外核電站已經有在核電站成功使用無線移動通信系統(tǒng)的先例［3］。下面對幾種無線通信技術應用于核電站的可行性進行分析和比較。

①尋呼系統(tǒng):尋呼系統(tǒng)具有信息容量大、及時可靠、便于攜帶、電池使用時間長以及信息發(fā)布方式多樣化等優(yōu)點。但是使用的尋呼機價格昂貴、備件缺乏，給系統(tǒng)運行帶來很大危險;而且其只能顯示16進制非漢字信息，不能準確表達機組狀態(tài)、應急指令。

②數(shù)字增強無繩通信(digital enhanced cordless tele-commumications，DECT)技術:DECT主要是提供近距離(一般幾十米到幾百米)、低速率的移動通信能力，它的優(yōu)點包括輻射功率小、手持機的電池壽命長且成本低。但由于市場規(guī)模小、發(fā)展方向不明確、終端及系統(tǒng)設備缺乏等因素，造成運營維護成本過高，不適合作為核電站的長期通信系統(tǒng)。

③短消息業(yè)務(cell broadcast service，CBS):該業(yè)務允許在一定的區(qū)域內將短消息廣播給所有支持這一業(yè)務的移動臺。它的特點是可以實時地向特定區(qū)域的客戶以短消息的方式提供各類信息，客戶接收到信息不需要發(fā)送確認信息［4］。但在3G網絡中，CBS功能未被采用，且這種短消息業(yè)務不支持點對點的短消息。

④公共移動通信系統(tǒng):此處指GSM/CDMA/3G等公共通信系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能提供實時、雙向的語音通信、數(shù)據(jù)通信及短信增值等業(yè)務［5］。

公共移動通信系統(tǒng)也有不足之處，例如不提供調度業(yè)務、不適合指揮調度;不具備用戶優(yōu)先級、排隊、脫網工作、故障弱化、動態(tài)重組、遇忙自動回叫等功能，也不滿足核島區(qū)的通信要求。

⑤TD-SCDMA專網:基于3G技術的TD-SCDMA移動通信專網可以提供集語音通信、數(shù)據(jù)業(yè)務、遠程監(jiān)控、語音調度于一體的綜合通信平臺，提供高效的實時語音與數(shù)據(jù)傳輸服務［6］。

在實現(xiàn)這些功能的基礎上，TD-SCDMA專網通過對協(xié)議的修改，實現(xiàn)了核島區(qū)的無線通信，滿足了核電環(huán)境對電磁兼容性的要求。

2 TD-SCDMA核電專網整體設計

2.1 TD-SCDMA核電專網的組成

本文借鑒大唐移動提出的TD-SCDMA礦用通信專網的設計方案，根據(jù)核電站的實際環(huán)境，設計了核電專網拓撲結構。

核電專網拓撲結構如圖1所示。由核電專網的拓撲結構可知，核電專網主要包括TD終端、基站、綜合接入控制設備TDR100、網關、NC5200、調度臺、短消息中心、操作維護中心以及企業(yè)管理操作中心等設備。系統(tǒng)的容量可根據(jù)實際用戶數(shù)量選取。

圖1 核電專網拓撲結構Fig.1 Topological structure of the nuclear power private network

TDR100既是系統(tǒng)的綜合接入控制設備，也是一種新型的小型化通信設備。該設備主要由信令控制單板、業(yè)務處理單板、接口板、小型機框組成，用于實現(xiàn)專網無線信號的接入與控制處理，核心網PS(分組交換)域的功能也集成到該設備中。基站主要實現(xiàn)系統(tǒng)的全信號覆蓋，一般通過光纖接入，可根據(jù)場景的需求靈活組網。NC5200暫用于實現(xiàn)系統(tǒng)網絡側CS(電路交換)域的功能，后期系統(tǒng)經過升級，CS域的功能也可被集成到TDR100的單板中實現(xiàn)。網關的作用是實現(xiàn)專網與外部公網的互聯(lián)。調度臺主要實現(xiàn)以下幾種功能。

①調度操作:呼叫、禁話、強插、強拆、代接、監(jiān)聽、組播、廣播、會議等。

②監(jiān)控功能:通過圖標顏色和文字指示用戶處于呼叫、振鈴或通話狀態(tài)。

③呼叫及通話:撥號呼叫、來電接聽、多線路切換。

④管理功能:系統(tǒng)管理、分組管理、賬號管理、權限管理、熱線管理。

⑤短消息中心主要實現(xiàn)短消息業(yè)務與媒體彩信業(yè)務的收發(fā)控制。

2.2 專網的功能特色

TD-SCDMA專網無論是在技術的先進性、產品的穩(wěn)定性、解決方案的領先性和實用性、技術支持和售后服務的完備性等方面，都優(yōu)于其他廠商。核電專網系統(tǒng)具有眾多的優(yōu)勢與系統(tǒng)特色，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

①核電專網系統(tǒng)是一個綜合性的移動通信系統(tǒng)，能同時提供優(yōu)質的語音業(yè)務與高效的數(shù)據(jù)業(yè)務，實現(xiàn)兩種業(yè)務間的綜合調度。

②最大限度地將通信方式從有線變?yōu)闊o線，終端的可移動性極大地方便了調度臺對人員的調度，擴大了調度范圍，提高了調度效率。

③系統(tǒng)支持寬帶數(shù)據(jù)和無線傳感器的接入，可搭載人員定位、高清數(shù)據(jù)的傳送等。

④通過網關，專網系統(tǒng)可平滑地接入到公網系統(tǒng)(PSTN/PLMN)，實現(xiàn)不同網絡間的通信。

⑤系統(tǒng)對外提供開放的接口，便于客戶在產品平臺上開發(fā)不同的應用功能。

⑥系統(tǒng)采用的TD-SCDMA技術是主流的通信技術，可以確保專網系統(tǒng)始終處于技術前沿，而TD-SCDMA不斷壯大的產業(yè)鏈結構，也可以促使產品降低成本。

⑦專網充分考慮了核電通信環(huán)境特點，通過同一套系統(tǒng)，采用不同的通信方式，滿足不同區(qū)域的要求［7］。

⑧核電站專網與運營商網絡平行，可以獨立運行，運營商網絡的業(yè)務結構變動不會影響專網的業(yè)務，專網不會頻繁更改，保障應急系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行，終端可在兩個網絡中無縫切換，便于管理、調度。

3 TD-SCDMA核電專網解決方案

TD-SCDMA核電專網除了能夠提供豐富的業(yè)務種類、具有良好的可升級性與可擴展性外，還解決了電磁兼容性問題。在廠區(qū)，手機可以進行正常通信;在核島區(qū)，由于生產設備不能受到電磁干擾，故手機不能有任何上行發(fā)射信號(即零發(fā)射)，此時手機不能撥打電話。但為了保障通信的有效性，手機可以采用接收短消息這一低成本、高效率的通信方式。因此，本文主要研究并解決了以下兩個問題。

①網絡側(主要指RNC側)如何區(qū)分普通小區(qū)和零發(fā)射小區(qū);

②位于零發(fā)射小區(qū)的終端如何接收短消息。

3.1 零發(fā)射小區(qū)解決方案

用戶設備(user equipment，UE)開機正常駐留后，系統(tǒng)信息在廣播控制信道(broadcast control channel，BCCH)上周期性廣播，實時告知UE網絡的具體情況。系統(tǒng)信息內容包括接入網和核心網的公共信息［8］。網絡可通過尋呼系統(tǒng)通知主信息塊(master information block，MIB)或系統(tǒng)信息塊(system information block，SIB)的內容，并解讀尋呼控制信道(paging control channel，PCCH)上的尋呼消息，通知UE系統(tǒng)信息是否發(fā)生改變。解決零發(fā)射的關鍵問題是如何判斷UE是否進入核島區(qū)，從流程上看，可以借用系統(tǒng)信息中的IE進行零發(fā)射小區(qū)以及非零發(fā)射小區(qū)的標志進行判斷。在這種要求手機零發(fā)射的情況下，UE是需要定制的，因此在系統(tǒng)消息中可以對這種標志進行自定義。

①方案原理簡述

在System Information Block 1中，參數(shù)“CN domain specific GSM-MAP NAS system infomation”［9］的保留字段(Spare)至今未用，因此可以考慮將該字段通過特殊賦值作為零發(fā)射小區(qū)的標志。比如約定:Spare部分配置為全1，則表示小區(qū)屬于零發(fā)射小區(qū)，UE進入零發(fā)射模式。

參數(shù)“CN domain specific GSM-MAP NAS system information”的格式如表1所示。

表1 參數(shù)格式Tab.1 Format of parameter

②方案可行性分析

該方案不需要修改協(xié)議(目前R10的協(xié)議中，該字段仍未使用，后續(xù)使用的可能性比較小，所以不存在兼容性問題)，只要為保留字段賦一個標志零發(fā)射小區(qū)的特殊值就可以實現(xiàn)，但要求終端與網絡側進行約定，也就是要制定特殊終端。

3.2 短消息接收解決方案

傳統(tǒng)的接收短消息過程與移動用戶被叫的過程類似，短消息中心將收到的短消息發(fā)送給SMS-GMSC，SMS-GMSC通過歸屬位置寄存器(home location register，HLR)取得發(fā)送短消息所必需的路由信息，然后將短信傳送給目的用戶所在的移動交換中心(mobile switch center，MSC)，由MSC將短消息發(fā)送給手機［10］。在零發(fā)射小區(qū)，由于不存在上行發(fā)射，因此需要采用自定義的短消息流程。

①方案原理簡述

如果需要向UE發(fā)送短消息，先通過尋呼過程，尋呼到 UE，UE根據(jù)尋呼指示信道(paging indicator channel，PICH)中的信息判斷是否有自己的尋呼到達。然后在尋呼信道(paging channel，PCH)上讀取信息，在傳統(tǒng)的短消息接收過程中，UE會根據(jù)PCH攜帶的尋呼原因，發(fā)起無線資源控制(radio resource control，RRC)連接過程。在核島場景下，UE只能接收不能發(fā)射，因此短消息直接在下行信道上攜帶。在Paging Type1消息中增加IE，指示UE在哪個信道的哪個時間段讀取內容。短消息可以在PCH或者前向接入信道(forward access channel，F(xiàn)ACH)上攜帶，考慮到目前的PCH配置一般都是一塊，且PCH的容量比較小，因此選擇短消息在FACH上攜帶。自定義的信令流程如圖2所示。

圖2 自定義的信令流程Fig.2 User-defined signaling flow path

②方案可行性分析

自定義的信令流程借鑒了現(xiàn)有的FACH數(shù)據(jù)發(fā)送方式，業(yè)務面只需少許改動就可支持;且FACH容量可配置，能夠擴展應用到除短消息發(fā)送之外的其他場景，同時可以縮短時延。但該方案存在的缺點是終端需要實時監(jiān)測FACH信道，耗電大，且對相關區(qū)域國際移動用戶識別碼(international mobile subscriber identification number，IMSI)的使用規(guī)劃有相應要求。

4 結束語

為了提高核電站的運行效率，在核電站建立安全可靠的通信系統(tǒng)是十分必要的，然而目前應用于核電的尋呼系統(tǒng)面臨著被取代的命運，因此將TDSCDMA技術應用于核電行業(yè)，充分體現(xiàn)了TDSCDMA技術應用的前瞻性、廣泛性以及實用性。本文提出的方案理論上是可行的，但在實踐之前，必須經過充分的測試驗證，對數(shù)據(jù)進行合理分析，以得到嚴密的結論。

將我國擁有自主知識產權的3G技術應用于核電事業(yè)，不僅是積極響應國家提出的兩化融合的號召，而且也將有效地促進我國核電事業(yè)的自主化發(fā)展。

［1］張謙，李睿.TD-SCDMA通信專網TDeN在煤炭行業(yè)的應用［J］.移動通信，2011，35(12):64 －68.

［2］畢道偉，章俊武.核電站無線技術應用及其關鍵問題研究［J］.自動化儀表，2010，31(9):47 －53.

［3］鄭勇.無線通信技術在核電站的應用［C］//中國核能行業(yè)協(xié)會2008年中國核能可持續(xù)發(fā)展論壇論文集.北京:中國核能行業(yè)協(xié)會，2008:76 －80.

［4］Technical Specification Group.Technical Realization of Cell Broadcast Service(CBS)［S］.2011.

［5］韋惠民，李國民，暴宇.移動通信技術［M］.北京:人民郵電出版社，2006:150 －228.

［6］王友山.基于TD-SCDMA煤炭專網的移動性管理研究與實現(xiàn)［D］.西安:西安科技大學，2011.

［7］金怡初.秦山核電站的無線通信設計特點［J］.上海電力學院學報，2009，25(2):150 －152.

［8］段紅光，畢敏，羅一靜.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)協(xié)議體系與信令流程［M］.北京:人民郵電出版社，2006:164－166.

［9］Technical Specification Group.Network and Terminals Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;Core Network Protocols［S］.2007.

［10］徐宏敏，李青，祝繪清，等.TD-SCDMA無線網絡優(yōu)化原理及方法［M］.北京:人民郵電出版社，2009:130－131.