核電TD-SCDMA無(wú)線專網(wǎng)系統(tǒng)解決方案

王安義 孫偉強(qiáng) 張 謙

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院1，陜西 西安 710054;大唐移動(dòng)(西安)通信設(shè)備有限公司2，陜西 西安 710061)

0 引言

核能是一種高效清潔的綠色能源，已作為新型的能源供人類使用和開發(fā)。積極推進(jìn)核電的建設(shè)和發(fā)展是我國(guó)新能源建設(shè)的一項(xiàng)重要政策。我國(guó)的核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃明確指出:建立和完善核電安全運(yùn)行和技術(shù)服務(wù)體系［1］。期待依托于新一代的無(wú)線系統(tǒng)解決方案來(lái)承載核電安全生產(chǎn)的信息化［2］。利用無(wú)線的傳輸方式［3］，實(shí)現(xiàn)對(duì)核島及其所屬區(qū)域的全面覆蓋，并提供語(yǔ)音通信、寬帶無(wú)線綜合接入、集群調(diào)度、短信實(shí)時(shí)廣播等功能。

TD-SCDMA［4］是我國(guó)提出的第三代國(guó)際移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)作為TD的提出者和核心技術(shù)的開發(fā)者，直接擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。TD-SCDMA采用的是時(shí)分雙工(time division duplexing，TDD)的接入方式，TD 專網(wǎng)隨中國(guó)移動(dòng)3G公網(wǎng)的發(fā)展而日漸成熟。TD專網(wǎng)無(wú)線系統(tǒng)具有豐富的功能和穩(wěn)定的性能。

1 核電TD專網(wǎng)需求

核電站內(nèi)部建筑以厚重為主，任何形式的無(wú)線通信均無(wú)穿透的可能。核電站對(duì)生產(chǎn)安全性的要求也非常嚴(yán)格，為了能有效控制無(wú)線電磁波對(duì)儀控設(shè)備的干擾，人員進(jìn)入警示區(qū)后嚴(yán)禁使用任何民用無(wú)線終端和對(duì)講機(jī)［5］。

建設(shè)周期長(zhǎng)是核電的建設(shè)中突出的特點(diǎn)，而建設(shè)期間人員之間信息的溝通效率有待提高。同時(shí)核電站每隔一段時(shí)間需要停機(jī)檢修，檢修維護(hù)期間的信息交互量大，這在一定程度上決定了檢修期的長(zhǎng)短，進(jìn)而對(duì)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生很大的影響。

核電站常用的無(wú)線通信手段有小靈通、WiFi、BP機(jī)、CDMA等，而目前我國(guó)核電站的無(wú)線通信技術(shù)難以滿足核電的發(fā)展要求，其現(xiàn)用的技術(shù)有的還停留在20世紀(jì)80年代，即使用BP機(jī)終端設(shè)備收到Paging以后，再使用電話復(fù)機(jī)。法國(guó)使用數(shù)位增強(qiáng)無(wú)線通信(digital enhancement cordless telecommunications，DECT)系統(tǒng)，但用戶不能靠近儀控設(shè)備，由此看出現(xiàn)用通信手段或多或少存在不足之處。

利用新一代的無(wú)線通信技術(shù)［6－7］，為用戶量身定制一種以TD-SCDMA技術(shù)為基礎(chǔ)的核電無(wú)線專網(wǎng)(TDeN)系統(tǒng)［8］，將能有效解決無(wú)線信號(hào)的覆蓋問(wèn)題。TDeN系統(tǒng)是高集成度的小型化TD-SCDMA專網(wǎng)系統(tǒng)，能很好地實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線的綜合業(yè)務(wù)，滿足核電多樣的現(xiàn)場(chǎng)通信需求。TDeN系統(tǒng)將會(huì)以網(wǎng)絡(luò)性能好、建網(wǎng)成本低、安全性和可靠性高等特點(diǎn)來(lái)承載核電安全生產(chǎn)信息化，實(shí)現(xiàn)便捷高效的核電無(wú)線通信。

2 核電TD專網(wǎng)解決方案

2.1 TDeN 設(shè)備組成

TD-SCDMA專網(wǎng)無(wú)線系統(tǒng)集成的是TD公網(wǎng)通信的主要功能，是小型化的TD-SCDMA無(wú)線通信系統(tǒng)［9］。TDeN專網(wǎng)中的設(shè)備主要由以下幾部分組成。

①交換調(diào)度機(jī)(TDS100):主要完成系統(tǒng)核心交換和調(diào)度功能。

②綜合網(wǎng)絡(luò)控制器(TDR100):集成了核心網(wǎng)分組域(CS)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制(RNC)、基站控制功能，完成用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入和綜合處理。

③基站控制器(TDB100):完成基帶信號(hào)處理功能，并能進(jìn)行Ir接口標(biāo)準(zhǔn)與Iub接口標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換;增強(qiáng)系統(tǒng)基帶處理能力，并支持基帶處理擴(kuò)容。

④室內(nèi)型基站(TDU200)、室外型基站(TDU300):通過(guò)其分布式組網(wǎng)，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有效覆蓋。通過(guò)光纖傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)與基站控制器設(shè)備的通信，接收和發(fā)送I/Q基帶信號(hào)，以及相應(yīng)的O＆M信息。同時(shí)獲取基站工作所需的時(shí)鐘和同步信號(hào)。

⑤網(wǎng)關(guān):實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)系統(tǒng)和外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

⑥調(diào)度臺(tái):調(diào)度臺(tái)提供圖形化綜合調(diào)度的功能，準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)中各個(gè)用戶終端的當(dāng)前狀態(tài)。調(diào)度員能進(jìn)行各種功能的調(diào)度操作，實(shí)現(xiàn)多種方式的通信和調(diào)度。

⑦短消息中心:實(shí)現(xiàn)和操作短信的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)。

⑧操作維護(hù)中心:運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)包括接入網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)管平臺(tái)，共同完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及用戶終端數(shù)據(jù)的維護(hù)，保證專網(wǎng)中數(shù)據(jù)的正常運(yùn)行。

2.2 TDeN 組網(wǎng)方案

核電站中需要覆蓋的區(qū)域可分三種情況:室外區(qū)域、室內(nèi)非限制區(qū)域、室內(nèi)限制區(qū)域。限制區(qū)域指反應(yīng)堆的控制中心。如果通信設(shè)備干擾反應(yīng)堆的運(yùn)行，可能引起異常安全事故。

在核電站的整體運(yùn)營(yíng)期間，整個(gè)廠區(qū)分為重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域。重點(diǎn)區(qū)域所屬終端不能發(fā)射無(wú)線信號(hào)，只能接收廣播信息和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短信。非重點(diǎn)區(qū)域所屬終端可以發(fā)射無(wú)線信號(hào)，此區(qū)域內(nèi)終端可以接收和發(fā)送廣播信息和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的短信，也可以呼入呼出電話、集群對(duì)講、數(shù)據(jù)的即時(shí)發(fā)送和接收、視頻的無(wú)失真發(fā)送和接收。

維護(hù)保養(yǎng)期間，所維護(hù)的核電站的重點(diǎn)區(qū)域?qū)⒏淖兤鋵傩詾榉侵攸c(diǎn)區(qū)域，通信方式由單向轉(zhuǎn)換為雙向通信。此外，也可以引入?yún)f(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，加快信息的溝通，能直觀反饋現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

TDeN專網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 核電專網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 The private network system for nuclear power

2.3 TDeN 方案特點(diǎn)

TDeN組網(wǎng)方案的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

① 能根據(jù)核電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［10］，進(jìn)行TD專網(wǎng)方案的靈活設(shè)計(jì)。

②基站至核心網(wǎng)控制器為全光纖連接，可支持光纖6級(jí)基站設(shè)備級(jí)聯(lián)。

③設(shè)備間的級(jí)聯(lián)傳輸穩(wěn)定，信號(hào)衰減很小。

④光纖設(shè)備間的級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，可很好地避免7/8饋線在核電廠房?jī)?nèi)的穿梭，降低了施工難度系數(shù)。

⑤基站設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，更易于施工的安裝。

⑥不采用傳統(tǒng)的直放站及干放設(shè)備，避免背景噪聲的干擾;通過(guò)噪聲估計(jì)并結(jié)合語(yǔ)音編碼方案提高調(diào)制的判決準(zhǔn)確度，能使信號(hào)質(zhì)量良好和通話效果清晰。

全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的組網(wǎng)方式，其基站采用光纖級(jí)聯(lián)，這樣使得組網(wǎng)靈活。光纖拉遠(yuǎn)級(jí)聯(lián)的方式大大減少了饋線的使用，這在很大程度上降低了施工難度系數(shù)。供電方式采用150～300 VAC、－57～－40 VDC。光纖級(jí)聯(lián)基站設(shè)備，信號(hào)損耗小，分布式天饋系統(tǒng)布放，信號(hào)覆蓋充分，能很好地實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)無(wú)線信號(hào)的覆蓋。為核電系統(tǒng)專門研發(fā)設(shè)計(jì)的TD終端，在進(jìn)入限制區(qū)后上行發(fā)射自行關(guān)閉，更保證了核電站的安全生產(chǎn)。

TD專網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為:①接入認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)雙向鑒權(quán)，以五元組代替三元組，偽基站方案徹底不可行;②完整性保護(hù)，能確保消息不被篡改;③加密算法，采用128、256位加密算法，確保空口不被偵聽;④國(guó)有標(biāo)準(zhǔn)拒絕國(guó)外系統(tǒng)的后門漏洞;⑤可疊加應(yīng)用層加密，提供多種安全防護(hù)手段。

TDeN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有高安全性和可靠性、較低的建網(wǎng)成本，是核電專網(wǎng)新建與改造的最佳技術(shù)解決方案。

2.4 業(yè)務(wù)分析

TDeN自身有著強(qiáng)大的無(wú)線通信業(yè)務(wù)能力，能提供高質(zhì)量的常規(guī)通信業(yè)務(wù)，包括語(yǔ)音通話、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信發(fā)送和短信群發(fā)、可視電話等業(yè)務(wù)。

在核島的特殊環(huán)境下，TDeN與外部公網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，搭載的調(diào)度臺(tái)可實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線電話的統(tǒng)一調(diào)度和多方通話。除此之外，TDeN還能提供移動(dòng)傳感器信息的實(shí)時(shí)傳輸、寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速接入以及高清監(jiān)控視頻的無(wú)失真?zhèn)魉汀?/p>

核電站TDeN專網(wǎng)系統(tǒng)也能支持以下功能。

①終端和系統(tǒng)設(shè)備配合，可區(qū)分限制區(qū)和非限制區(qū);

②終端在限制區(qū)不發(fā)射無(wú)線信號(hào)，只接收無(wú)線信號(hào);

③終端在收到限制區(qū)域基站的可用信號(hào)后，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起位置更新，更新到限制區(qū)所屬基站，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉上行發(fā)射;

④終端在監(jiān)測(cè)到?jīng)]有可用的限制區(qū)基站信號(hào)時(shí)，收到可用的非限制區(qū)基站信號(hào)后位置更新到非限制區(qū)基站;

⑤終端在限制區(qū)可接收來(lái)自非限制區(qū)終端、信息平臺(tái)的點(diǎn)播和廣播短信;

⑥終端在非限制區(qū)可接收來(lái)自非限制區(qū)終端、信息平臺(tái)的點(diǎn)播和廣播短信;

⑦終端在通話過(guò)程中，如果終端從非限制區(qū)域進(jìn)入限制區(qū)域，就會(huì)進(jìn)行特殊通信控制，通話過(guò)程被切斷，終端提示進(jìn)入限制區(qū)。

3 結(jié)束語(yǔ)

TDeN專網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了核電無(wú)線系統(tǒng)的寬帶化、數(shù)據(jù)化和圖像化，提高了核電信息化生產(chǎn)的技術(shù)水平。TDeN專網(wǎng)系統(tǒng)完全應(yīng)用的是自有標(biāo)準(zhǔn)，具有完整的技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和軍工級(jí)安全級(jí)別。技術(shù)定制方面，TD終端在核島限制區(qū)自動(dòng)關(guān)閉上行發(fā)射功率，更保證了核電的安全生產(chǎn)。TDeN作為高起點(diǎn)的移動(dòng)通信新技術(shù)，將為核電行業(yè)用戶帶來(lái)全新的應(yīng)用體驗(yàn)，很大程度上提高企業(yè)管理和生產(chǎn)的效率。

［1］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005－2020)［R］.2007.

［2］中華人民共和國(guó)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).EJ/T 637－92核電廠安全有關(guān)通信系統(tǒng)［S］.1992.

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