關于核電站無線通信系統的技術選型

李亮亮　張葉峰

摘 要：介紹了無線寬帶接入技術，無線通信系統的組成方式。并對采用LTE和Wi-Fi技術的無線通信系統在無線頻段、覆蓋能力、安全性、基站性能和語音質量等幾個方面進行了比較。對核電項目的無線通信系統的選型具有十分重要的指導意義。從技術層面綜合比較而言，Wi-Fi技術更適用于核電廠的無線通信系統

關鍵詞：核電 無線通信系統 技術選型

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（c）-0006-02

無線通信系統作為核電站的通信子系統之一，負責廠內重要部門與部分流動運行維護人員間的無線通信，并與其他有線通信系統互為補充。隨著技術的發展，過去核電廠內使用的以無線集群、PHS（Personal Handy System）小靈通為主的無線通信系統已被淘汰，新一代的適用于核電廠內使用的無線通信技術也日趨成熟，目前以Wi-Fi和LTE技術為主。該文針對兩種技術進行綜合分析、比較，分析出哪種技術更適合于核電廠無線通信系統使用。

1 無線寬帶接入技術

目前寬帶無線接入技術種類繁多，每種技術都有其特定的優勢和應用場景。主流的寬帶無線接入技術如表1所示。

由表1可見，Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真）技術是無線局域網的技術代表，它是由Wi-Fi聯盟推出的一種短程無線傳輸技術，能夠在數百米范圍內支持無線電信號的接入，目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網絡設備之間的互通性。隨著技術的發展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11b/g/n/ac等一系列標準的出現，現在IEEE 802.11 這個標準已被統稱作Wi-Fi。

LTE（Long Term Evolution，長期演進）技術是無線廣域網的技術代表，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 無線通信系統的組成

（1） LTE無線通信系統的組成。

LTE系統主要有核心網設備EPC和基站eNodeB組成，采用全IP網絡架構設計。見圖1。

（2） Wi-Fi無線通信系統的組成。

WiFi系統主要有核心網設備MCU和無線訪問接入點AP組成，也是采用全IP網絡架構設計。見圖2。

由此可見，雖然兩種無線系統采用了不同的技術，但是均采用了全IP的組網方式，有著相似的網絡架構。

3 LTE系統和Wi-Fi系統的對比

3.1 無線頻段

Wi-Fi系統采用的開放的2.4 GHz/5.8 GHz頻段，無需受無委會的頻率管制，也無需繳納頻率使用費。最新的802.11ac標準下，帶寬可以達到1 750 MHz。802.11n標準可以達到300 MHz的帶寬，完全可以滿足語音、數據和高清視頻的傳輸需求。LTE系統采用的是1.4 G/1.8 G頻段，使用該頻段需要向無委會申請并接受管制，每年須繳納一定數額的頻率使用費。且1.4 G/1.8 G頻段為電力、航空、交通、政府等各行業的公用頻段，用戶數量多，頻段分散且帶寬受限。最大可用帶寬不超過20 MHz。頻率使用費每年不多，但是申請頻點以及每年繳納手續費流程比較繁瑣。

3.2 覆蓋能力

Wi-Fi基站可實現開闊地帶約500 m的覆蓋半徑，室內環境30～100 m的覆蓋半徑。LTE基站可實現最大半徑3～30 km的信號覆蓋，微蜂窩基站可以實現最大半徑3km的信號覆蓋（在建筑較多的區域內會縮減）。對于核電廠的特性，廠區不大（2～3 km的半徑），建筑物較多，每個建筑物房間眾多，均為鋼筋水泥墻的封閉環境，不利于無線電信號的傳播。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更適合于廠區室外部分的覆蓋，通過數量較少的基站即可實現整個廠區的覆蓋，而如果要采用Wifi基站進行覆蓋的話，需要布置的基站數量要多于LTE基站。

3.3 安全性

核電廠的KRG、DCS等儀控系統對核電的安全生產起著至關重要的作用，在無線通信系統的選擇上，應該考慮無線電波是否會對儀控系統產生干擾，是否影響安全生產。Wi-Fi技術采用的是微微蜂窩結構，Wi-Fi基站發射功率為0.1 W，LTE基站的發射功率為0.5-5 W可調。在我國正在建設的AP1000核電站，西屋公司在經過嚴格地測試以及設計，首次選擇使用低功率、微微蜂窩的Wi-Fi無線通信系統作為核電廠的首要通信方式，允許在廠區任何區域（包括安全殼）使用，主要也是考慮到無線通信系統過高的無線電發射功率，會對儀控系統產生干擾。雖然LTE基站可以通過調低發射功率來降低對設備的干擾，但是其覆蓋范圍會受到相應影響。

3.4 基站性能

現在普及商用的Wi-Fi（802.11 n）基站最大吞吐量可達300 Mbit/s。單個基站同時連接用戶數不少于64個且并發通話數為20個。LTE基站的最大吞吐量為20 Mbit/s。單個基站在線用戶數為1 500個，并發群組數為450個。對于核電廠而言，單個基站20個的并發通話數已經足夠滿足運維需求，并且具有高數據吞吐量的Wi-Fi基站，能為更多的終端傳輸視頻、圖像、文件等大數據量的業務。

3.5 語音質量

wi-fi系統是基于IP數據包實現語音通信，為了保證語音質量，全球Wi-Fi聯盟使用Wi-Fi多媒體交互認證體系-IEEE802.e，以此作為802.11網絡QoS的進一步演進和延伸。WMM（Wi-Fi多媒體）全面定義了四種連接內容，其中包括語音、視頻、best effort以及background，每種連接可以定義優先級，以優化網絡通信質量，保障應用與網絡資源建立穩定的連接。同時，WMM優化了Wi-Fi原始終端用戶的通信體驗，在一個更為廣泛、更為龐雜的網絡環境和通信環境中，提供高質量的數據、語音、音樂、視頻應用的網絡連接性能。LTE系統也是基于IP數據包實現語音通信，是通過空中接口通過給每個用戶分配通道來保證語音質量的。兩種語音質量的保證措施，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據量同時傳輸的情況下，WiFi的QoS更能保障語音數據包的優先發送和傳輸。

4 結語

該文對采用LTE和Wi-Fi兩種技術的無線通信系統進行了介紹，并分別在無線頻段、覆蓋能 力、安全性、基站性能和語音質量等幾個方面進行了對比。兩種無線系統都能滿足電廠的需求，在無線頻段、安全性和語音質量方面，Wi-Fi系統要優于LTE系統；在覆蓋能力、基站性能方面，LTE系統要優于Wi-Fi系統。除了上述幾個方面，對于核電無線通信系統的選型，還要考慮投資、實施成本和難度、建設周期等其它因素。從技術層面綜合比較而言，Wi-Fi技術更適用于核電廠的無線通信系統。

參考文獻

[1] 尹圣君.LTE及LTE-Advanced無線協議[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2] （瑞典）達爾曼，（瑞典）巴克浮，斯科德，著.4G移動通信技術權威指南LTE與LTE-Advanced[M].朱敏，堵久輝，廖慶育，等，譯.北京：人民郵電出版社，2015.

[3] 唐雄燕.寬帶無線接入技術及應用：WIMAX與WiFi[M].北京：電子工業出版社，2006.