關(guān)于核電站無線通信系統(tǒng)的技術(shù)選型

李亮亮　張葉峰

摘 要：介紹了無線寬帶接入技術(shù)，無線通信系統(tǒng)的組成方式。并對(duì)采用LTE和Wi-Fi技術(shù)的無線通信系統(tǒng)在無線頻段、覆蓋能力、安全性、基站性能和語音質(zhì)量等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較。對(duì)核電項(xiàng)目的無線通信系統(tǒng)的選型具有十分重要的指導(dǎo)意義。從技術(shù)層面綜合比較而言，Wi-Fi技術(shù)更適用于核電廠的無線通信系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：核電 無線通信系統(tǒng) 技術(shù)選型

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）10（c）-0006-02

無線通信系統(tǒng)作為核電站的通信子系統(tǒng)之一，負(fù)責(zé)廠內(nèi)重要部門與部分流動(dòng)運(yùn)行維護(hù)人員間的無線通信，并與其他有線通信系統(tǒng)互為補(bǔ)充。隨著技術(shù)的發(fā)展，過去核電廠內(nèi)使用的以無線集群、PHS（Personal Handy System）小靈通為主的無線通信系統(tǒng)已被淘汰，新一代的適用于核電廠內(nèi)使用的無線通信技術(shù)也日趨成熟，目前以Wi-Fi和LTE技術(shù)為主。該文針對(duì)兩種技術(shù)進(jìn)行綜合分析、比較，分析出哪種技術(shù)更適合于核電廠無線通信系統(tǒng)使用。

1 無線寬帶接入技術(shù)

目前寬帶無線接入技術(shù)種類繁多，每種技術(shù)都有其特定的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場景。主流的寬帶無線接入技術(shù)如表1所示。

由表1可見，Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真）技術(shù)是無線局域網(wǎng)的技術(shù)代表，它是由Wi-Fi聯(lián)盟推出的一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持無線電信號(hào)的接入，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互通性。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11b/g/n/ac等一系列標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。

LTE（Long Term Evolution，長期演進(jìn)）技術(shù)是無線廣域網(wǎng)的技術(shù)代表，是3.5 G下HSDPA邁向4 G的過渡版本，俗稱為3.9 G。用于提供比3G更快的上下行速率。

2 無線通信系統(tǒng)的組成

（1） LTE無線通信系統(tǒng)的組成。

LTE系統(tǒng)主要有核心網(wǎng)設(shè)備EPC和基站eNodeB組成，采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。見圖1。

（2） Wi-Fi無線通信系統(tǒng)的組成。

WiFi系統(tǒng)主要有核心網(wǎng)設(shè)備MCU和無線訪問接入點(diǎn)AP組成，也是采用全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。見圖2。

由此可見，雖然兩種無線系統(tǒng)采用了不同的技術(shù)，但是均采用了全I(xiàn)P的組網(wǎng)方式，有著相似的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3 LTE系統(tǒng)和Wi-Fi系統(tǒng)的對(duì)比

3.1 無線頻段

Wi-Fi系統(tǒng)采用的開放的2.4 GHz/5.8 GHz頻段，無需受無委會(huì)的頻率管制，也無需繳納頻率使用費(fèi)。最新的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)下，帶寬可以達(dá)到1 750 MHz。802.11n標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到300 MHz的帶寬，完全可以滿足語音、數(shù)據(jù)和高清視頻的傳輸需求。LTE系統(tǒng)采用的是1.4 G/1.8 G頻段，使用該頻段需要向無委會(huì)申請(qǐng)并接受管制，每年須繳納一定數(shù)額的頻率使用費(fèi)。且1.4 G/1.8 G頻段為電力、航空、交通、政府等各行業(yè)的公用頻段，用戶數(shù)量多，頻段分散且?guī)捠芟?。最大可用帶寬不超過20 MHz。頻率使用費(fèi)每年不多，但是申請(qǐng)頻點(diǎn)以及每年繳納手續(xù)費(fèi)流程比較繁瑣。

3.2 覆蓋能力

Wi-Fi基站可實(shí)現(xiàn)開闊地帶約500 m的覆蓋半徑，室內(nèi)環(huán)境30～100 m的覆蓋半徑。LTE基站可實(shí)現(xiàn)最大半徑3～30 km的信號(hào)覆蓋，微蜂窩基站可以實(shí)現(xiàn)最大半徑3km的信號(hào)覆蓋（在建筑較多的區(qū)域內(nèi)會(huì)縮減）。對(duì)于核電廠的特性，廠區(qū)不大（2～3 km的半徑），建筑物較多，每個(gè)建筑物房間眾多，均為鋼筋水泥墻的封閉環(huán)境，不利于無線電信號(hào)的傳播。相比較而言，由于LTE單基站的覆蓋范圍要比Wi-Fi基站大的多，LTE更適合于廠區(qū)室外部分的覆蓋，通過數(shù)量較少的基站即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠區(qū)的覆蓋，而如果要采用Wifi基站進(jìn)行覆蓋的話，需要布置的基站數(shù)量要多于LTE基站。

3.3 安全性

核電廠的KRG、DCS等儀控系統(tǒng)對(duì)核電的安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，在無線通信系統(tǒng)的選擇上，應(yīng)該考慮無線電波是否會(huì)對(duì)儀控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，是否影響安全生產(chǎn)。Wi-Fi技術(shù)采用的是微微蜂窩結(jié)構(gòu)，Wi-Fi基站發(fā)射功率為0.1 W，LTE基站的發(fā)射功率為0.5-5 W可調(diào)。在我國正在建設(shè)的AP1000核電站，西屋公司在經(jīng)過嚴(yán)格地測(cè)試以及設(shè)計(jì)，首次選擇使用低功率、微微蜂窩的Wi-Fi無線通信系統(tǒng)作為核電廠的首要通信方式，允許在廠區(qū)任何區(qū)域（包括安全殼）使用，主要也是考慮到無線通信系統(tǒng)過高的無線電發(fā)射功率，會(huì)對(duì)儀控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。雖然LTE基站可以通過調(diào)低發(fā)射功率來降低對(duì)設(shè)備的干擾，但是其覆蓋范圍會(huì)受到相應(yīng)影響。

3.4 基站性能

現(xiàn)在普及商用的Wi-Fi（802.11 n）基站最大吞吐量可達(dá)300 Mbit/s。單個(gè)基站同時(shí)連接用戶數(shù)不少于64個(gè)且并發(fā)通話數(shù)為20個(gè)。LTE基站的最大吞吐量為20 Mbit/s。單個(gè)基站在線用戶數(shù)為1 500個(gè)，并發(fā)群組數(shù)為450個(gè)。對(duì)于核電廠而言，單個(gè)基站20個(gè)的并發(fā)通話數(shù)已經(jīng)足夠滿足運(yùn)維需求，并且具有高數(shù)據(jù)吞吐量的Wi-Fi基站，能為更多的終端傳輸視頻、圖像、文件等大數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)。

3.5 語音質(zhì)量

wi-fi系統(tǒng)是基于IP數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)語音通信，為了保證語音質(zhì)量，全球Wi-Fi聯(lián)盟使用Wi-Fi多媒體交互認(rèn)證體系-IEEE802.e，以此作為802.11網(wǎng)絡(luò)QoS的進(jìn)一步演進(jìn)和延伸。WMM（Wi-Fi多媒體）全面定義了四種連接內(nèi)容，其中包括語音、視頻、best effort以及background，每種連接可以定義優(yōu)先級(jí)，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，保障應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)資源建立穩(wěn)定的連接。同時(shí)，WMM優(yōu)化了Wi-Fi原始終端用戶的通信體驗(yàn)，在一個(gè)更為廣泛、更為龐雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和通信環(huán)境中，提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)、語音、音樂、視頻應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)連接性能。LTE系統(tǒng)也是基于IP數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)語音通信，是通過空中接口通過給每個(gè)用戶分配通道來保證語音質(zhì)量的。兩種語音質(zhì)量的保證措施，都能滿足最基本的語音通信需求。但是在有語音以及如視頻流之類的大數(shù)據(jù)量同時(shí)傳輸?shù)那闆r下，WiFi的QoS更能保障語音數(shù)據(jù)包的優(yōu)先發(fā)送和傳輸。

4 結(jié)語

該文對(duì)采用LTE和Wi-Fi兩種技術(shù)的無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并分別在無線頻段、覆蓋能 力、安全性、基站性能和語音質(zhì)量等幾個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比。兩種無線系統(tǒng)都能滿足電廠的需求，在無線頻段、安全性和語音質(zhì)量方面，Wi-Fi系統(tǒng)要優(yōu)于LTE系統(tǒng)；在覆蓋能力、基站性能方面，LTE系統(tǒng)要優(yōu)于Wi-Fi系統(tǒng)。除了上述幾個(gè)方面，對(duì)于核電無線通信系統(tǒng)的選型，還要考慮投資、實(shí)施成本和難度、建設(shè)周期等其它因素。從技術(shù)層面綜合比較而言，Wi-Fi技術(shù)更適用于核電廠的無線通信系統(tǒng)。

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