核電領域無線通信技術應用研究

向新明?朱星?劉文玉?黃燕輝?陳振華

摘要：無線技術憑借著部署容易、建設成本低、適用環(huán)境廣泛等優(yōu)勢，逐漸成為未來智慧核電網絡發(fā)展及應用的重要方向。本文通過分析各無線技術優(yōu)缺點，并結合核電實際應用需求，提出了核電領域無線網絡方案。該方案滿足核電領域法律法規(guī)監(jiān)管、電磁兼容、人員定位、業(yè)務需求、網絡安全等方面的要求。

關鍵詞：無線技術；智慧核電；網絡方案

向新明（1977-），男，中廣核智能科技（深圳）有限公司，助理工程師，研究方向為通信、視頻監(jiān)控、智能化等；

朱星（1985-），男，中廣核惠州核電有限公司，工程師，研究方向：通信工程；

劉文玉（1984-），男，中廣核工程有限公司，工程師，研究方向為通信網絡與安全；

黃燕輝（1984-），男，福建寧德核電有限公司，高級工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)；

陳振華（1984-），男，山東招遠核電有限公司，工程師，研究方向：核電領域無線通信。

隨著電力系統(tǒng)設備向智能化發(fā)展，對傳輸網絡提出了更高要求，高質量的網絡連接和更便捷的網絡通信成為未來發(fā)展的重要方向。目前大多數(shù)核電站的主通信手段以有線為主，但布線成本高、設計周期長、走線困難，嚴重限制了裝置的移動范圍，影響了產線柔性化。因此，難以解決大量設備的靈活接入和大范圍移動的需求[1]。我國已有少數(shù)核電站對無線通信技術進行了探索和應用，例如陽江和紅沿河核電站分別使用Wi-Fi和McWiLL技術實現(xiàn)了語音通信和數(shù)據(jù)傳輸。然而，考慮到未來智慧核電的發(fā)展需要，在遠程控制、智能巡檢、高清視頻監(jiān)控等應用中對網絡時延和可靠性提出了更高要求，有必要結合實際情況，探索5G、Wi-Fi6等新型無線通信技術在核電領域的應用。

5G具備高帶寬、低延時、大連接和高可靠的優(yōu)勢，在核電基地室外大面積覆蓋、在系統(tǒng)時延要求敏感以及布線困難場景中可作為主要連接方式。Wi-Fi6以其靈活性可根據(jù)需求進行快速調整，可以滿足核電基地對網絡延時要求不高的接入場景。5G、Wi-Fi6等無線通信技術都有各自的最佳應用場景，在合理選用的情況下，可以實現(xiàn)核電基地的無線信號全覆蓋，達到提高通信傳輸效率、降低網絡時延、提高生產和管理效率的效果。

一、常用無線通信技術對比分析

工業(yè)互聯(lián)網中，5G、Wi-Fi6、ZigBee、NB-IoT、LoRa、藍牙等無線技術成為連接傳輸層的重要技術。

5G：具有三大突出性能，即高帶寬、低時延和廣泛連接能力。5G與通信、計算、控制、智能等功能結合，適應現(xiàn)代工業(yè)社會不同場景的需求，并革新生產和服務體系。

Wi-Fi6：從設計之初，就針對高密度無線接入和高容量無線業(yè)務進行了優(yōu)化。適用于戶外的大型公共場所、高密會議室、室內高密無線辦公、電子教室等應用場景。

ZigBee：是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線通信技術，具有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節(jié)點、支持多種網上拓撲結構、簡單、快速、可靠、安全等特點。

NB-IoT：支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等特點。且NB-IoT使用授權頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，并可與現(xiàn)有網絡共存。

LoRa：適用低功耗、遠距離、大規(guī)模連接和位置跟蹤等物聯(lián)網應用，例如智慧停車、車輛追蹤、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等場景。

藍牙：藍牙技術的最大的優(yōu)點是不依賴于外部網絡、速率快、低功耗，安全性高。只要有手機和智能設備，就能保持穩(wěn)定的連接。其缺點是不能直接連接云端、傳輸速度比較慢、組網能力比較弱、而且網絡節(jié)點少，不適合多點布控。

無線技術詳細對比如下表1所示：

綜上，雖然ZigBee、LoRa、藍牙等微功率短距離技術或NB-IoT低功耗無線技術具有很多優(yōu)點，但由于低速數(shù)據(jù)傳輸、隱私和安全性低、抗干擾性差等問題，限制了其發(fā)展。采用5G和Wi-Fi6作為基礎網絡選型的主要技術，才能更好地滿足核電業(yè)務功能及信號覆蓋需求。

二、核電領域無線網絡需求分析

（一）信息安全需求

信息安全問題是對無線技術在核電廠應用的一大考驗，目前數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應用已經為核電廠的安全提供了全新的考驗，而無線技術的應用也會使這種風險進一步擴大。無線技術的應用不僅要克服原有的安全難題，同時還要克服基于無線系統(tǒng)的特殊性而產生的新的安全難題，如利用同頻干擾、地址沖突、環(huán)境噪聲干擾等問題。當占用同一頻帶的兩個不同的無線協(xié)議相互接近時就可能產生干擾，通過監(jiān)測信號強度、載波感知時間和數(shù)據(jù)包發(fā)送率等參數(shù)來檢測干擾，擴頻和調頻技術已經證實可以有效地對抗干擾[2]。

（二）電磁兼容需求

核電領域電力系統(tǒng)由大量一次和二次設備組成，同時還存在許多的重要敏感控制系統(tǒng)與設備。其特殊的電磁環(huán)境中存在著多種電磁干擾和相互作用。隨著電力系統(tǒng)向電壓等級更高、容量更大、系統(tǒng)更復雜、設備更先進的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)間產生的電磁干擾更為嚴重。因此，在核電領域進行無線網絡建設前，有必要分析網絡干擾情況，并進行電磁兼容分析，明確基站、終端無線信號對設備的干擾程度，并采取相應功率控制措施來規(guī)避干擾風險。

（三）終端定位需求

作為對工作、人員、安全等方面的重要管理需求，定位功能將在各個領域得到廣泛應用。通過高精度的定位功能，可以有效地實現(xiàn)前端工作人員管理、辦公區(qū)域劃分指引、設備物資監(jiān)控、運輸物流定位、應急響應時人員定位等功能。但另一方面涉及現(xiàn)場工作人員的隱私問題，對其佩戴設備是否需要定位功能要考慮實際運用權限。此外，針對地下、隧道等復雜條件下的三維定位需求，由于定位技術和施工條件等因素影響，需要根據(jù)實際情況進行設計和規(guī)劃。一般場所的定位需求是要將位置定位到房間級別，在高輻射區(qū)域的需求可能需要更高的定位精度，如小于1米。

（四）應用功能需求

按照核電站全生命周期管理的思路，核電站其主要階段分為項目前期、工程建設期、生產運營期、延壽或退役等五個階段，這五大階段都是全生命周期中不可分割的一部分。對于核電無線通信應用來講，主要運用于工程建設期和生產運營期等進程，并且每個階段根據(jù)參與單位、組織架構、管理模式等方面都具有不同的應用需求。尤其是組織分工和持續(xù)的業(yè)務流程優(yōu)化，在核電站的每個階段進行，決定了這種無線通信應用在核電站中的發(fā)展方向。

（五）基本通信需求

語音通話和短信是核電領域必須功能。人員通話包括工作人員通過手機或者其他通信設備進行一對一的即時通話，也包括語音組呼、廣播組呼等多人群組通話，主要運用于現(xiàn)場工作交流、溝通、指揮以及臨時會議討論等場景。短信通信是用戶通過手機或其他電信終端直接發(fā)送或接收的文字或數(shù)字信息。主要運用于信息提醒、資料傳輸、會議通知等場景。

三、核電領域無線網絡方案選取

國家監(jiān)管文件禁止在生產控制大區(qū)部署無線網絡，同時為滿足核電隔離要求，無線網絡應采用獨立組網方式。因此，各基地結合自身實際情況，可采用5G、Wi-Fi6或5G+Wi-Fi6的方案。5G方案可采用基地獨立核心網方式或集團統(tǒng)一核心網方式。基地獨立核心網方式，需要在基地單獨部署核心網，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)和控制信令不出基地，保證數(shù)據(jù)安全，核心網采用簡化版配置，主要功能保留，但配置降低。集團統(tǒng)一核心網方式，需要在集團統(tǒng)一部署5G核心網控制面，可以分權分域管理，基地部署應急CP（應急控制面）、UPF（用戶面功能）和MEC（移動邊緣計算），保證業(yè)務數(shù)據(jù)不出基地，同時實現(xiàn)基地獨立成活。基地Wi-Fi6方案，需要基地室內室外獨立建設Wi-Fi6網絡，業(yè)務數(shù)據(jù)和控制信令不出基地。基地5G+Wi-Fi6方案，需要室內建設Wi-Fi6網絡，對時延、可靠性要求較高的區(qū)域部署5G網絡，室外部署5G網絡，基地可以獨立建設核心網保證業(yè)務數(shù)據(jù)和控制信令不出基地，也可以與集團統(tǒng)一核心網控制面連接。同時配置融合通信平臺，打通各異構網絡，融合各種通信，滿足核電區(qū)域語音、短信、視頻等通信需求。

5G網絡接入的各類終端由集團原有統(tǒng)一接入認證平臺實現(xiàn)接入認證，Wi-Fi6網絡接入終端由Wi-Fi6控制系統(tǒng)實現(xiàn)接入認證，或通過Wi-Fi6控制系統(tǒng)與集團統(tǒng)一接入認證平臺對接，實現(xiàn)應用企業(yè)原有賬號和認證體系進行統(tǒng)一接入認證。

（一）網絡安全方案

根據(jù)“一個中心，三重防護”思想進行設計[3]。要求安全建設包括安全物理環(huán)境、安全通信網絡、安全區(qū)域邊界、安全計算環(huán)境、安全管理中心部分。其中安全物理環(huán)境由機房基建完成，應重點關注安全通信網絡、安全區(qū)域邊界、安全計算環(huán)境、安全管理中心部分。

安全通信網絡主要由核心、匯聚、接入交換機等設備組成；安全區(qū)域邊界主要由出口安全邊界、無線網絡接入?yún)^(qū)邊界組成，用于限制未經授權的訪問和保護網絡資源的安全；計算環(huán)境主要由業(yè)務系統(tǒng)（融合通信）等業(yè)務構成；安全管理中心主要由網管系統(tǒng)、準入網關、態(tài)勢感知、漏洞掃描、防病毒、主動防御、無線AC、5G核心網等構成；

核心、匯聚、接入層設備上，通過VLAN+ACL對不同類型業(yè)務進行邏輯隔離；邊界安全區(qū)根據(jù)需要分別部署防火墻、物斷單導等安全隔離設施；以及對重要網絡設施采用冗余備份設置。可以提高網絡的安全性和可靠性。

（二）功率控制方案

支持按地圖區(qū)域來管理的模式，管理人員可對指定區(qū)域進行電磁功率控制，每一個寬帶接入基站可以設置其覆蓋區(qū)域內終端的發(fā)射功率，實現(xiàn)按區(qū)域控制終端功率的功能；配置靈活簡便，管理員可根據(jù)核電站運行的狀態(tài)，快速配置對應的電磁管理要求，終端在進入限制區(qū)域后自動切換到對應工作模式中，確保手機的電磁兼容安全性以及通信業(yè)務功能。手機支持在各區(qū)域之間自由切換，切換算法確保設備優(yōu)先切入到高安全級別區(qū)域的工作狀態(tài)，以最大限度滿足核電站用戶的安全需求。

（三）終端定位方案

Wi-Fi定位：采用Wi-Fi融合UWB技術，通過發(fā)送納秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，并通過計算電波返回時間測算設備距離，測距精度可達亞米級。

5G定位：室外定位采用RTT技術來實現(xiàn)高精度定位。在進行室外多站環(huán)境下的定位技術布局時，終端可以與3個基站之間相互傳送參考信號，通過計算接收端與發(fā)射端之間的時間差得出RRT。室內定位采用5G+UWB（超寬帶）/藍牙AoA（角度測量）的高精度定位方案。UWB/藍牙AoA基站數(shù)據(jù)經過5G智能室分系統(tǒng)（BBU、PB和PRRU）進行處理，最終傳輸?shù)組EC（邊緣計算）定位上部署的定位解算服務。室外定位，通過測量終端與基站之間的RTT，可以獲得較高的定位精度。室內定位則采用UWB或藍牙AoA技術，這些技術可以提供更高的精度和可靠性，適用于密集的室內環(huán)境。

（四）融合通信方案

采用包括即時通信系統(tǒng)的融合通信平臺實現(xiàn)了移動終端、固定電話、視頻監(jiān)控、視頻會議等融合互通，是目前行業(yè)用戶應急和生產通信的通用成熟解決方案。融合通信可部署在核電基地，具有獨立成活功能，當多個基地均部署時可相互實現(xiàn)災備。

四、核電領域無線網絡建設建議

由新型無線網絡技術、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網等新興技術撬動的新革命正在“全面開花”，占據(jù)國民經濟半壁江山的工業(yè)數(shù)字化早已蓄勢待發(fā)，傳統(tǒng)專網技術限制，公網安全性能缺乏，生產需求爆炸增長，現(xiàn)有部署網絡已無法高效支撐核電工業(yè)發(fā)展，并隱隱呈現(xiàn)阻礙作用。

五、結束語

仔細梳理核電領域專網應用場景，研究核電領域生產需求，通過仿真分析、測試驗證計算帶寬需求，在合理利用頻譜資源的前提下，搭建完全匹配核電工業(yè)生產需求的核電無線專網，助力工業(yè)數(shù)字化轉型。

作者單位：向新明 中廣核智能科技（深圳）有限公司朱星 中廣核惠州核電有限公司

劉文玉 中廣核工程有限公司

黃燕輝 福建寧德核電有限公司

陳振華 山東招遠核電有限公司

參? 考? 文? 獻

[1]陳億根，尹曉峰等．5G+工業(yè)互聯(lián)網應用實踐[J]，中興通訊技術，2020（06）：2-6．

[2][出版者不詳].無線技術在核電廠的應用研究[EB/OL].（2021-3-22）[2022.11.7].https：//www.cnnpn.cn/article/23830.html

[3]GB/T 22239-2019.信息安全技術網絡安全等級保護基本要求[S].