关于核电站无线通信系统的技术选型

李亮亮　张叶峰

摘 要：介绍了无线宽带接入技术，无线通信系统的组成方式。并对采用LTE和Wi-Fi技术的无线通信系统在无线频段、覆盖能力、安全性、基站性能和语音质量等几个方面进行了比较。对核电项目的无线通信系统的选型具有十分重要的指导意义。从技术层面综合比较而言，Wi-Fi技术更适用于核电厂的无线通信系统

关键词：核电 无线通信系统 技术选型

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（c）-0006-02

无线通信系统作为核电站的通信子系统之一，负责厂内重要部门与部分流动运行维护人员间的无线通信，并与其他有线通信系统互为补充。随着技术的发展，过去核电厂内使用的以无线集群、PHS（Personal Handy System）小灵通为主的无线通信系统已被淘汰，新一代的适用于核电厂内使用的无线通信技术也日趋成熟，目前以Wi-Fi和LTE技术为主。该文针对两种技术进行综合分析、比较，分析出哪种技术更适合于核电厂无线通信系统使用。

1 无线宽带接入技术

目前宽带无线接入技术种类繁多，每种技术都有其特定的优势和应用场景。主流的宽带无线接入技术如表1所示。

由表1可见，Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）技术是无线局域网的技术代表，它是由Wi-Fi联盟推出的一种短程无线传输技术，能够在数百米范围内支持无线电信号的接入，目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网络设备之间的互通性。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11b/g/n/ac等一系列标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。

LTE（Long Term Evolution，长期演进）技术是无线广域网的技术代表，是3.5 G下HSDPA迈向4 G的过渡版本，俗称为3.9 G。用于提供比3G更快的上下行速率。

2 无线通信系统的组成

（1） LTE无线通信系统的组成。

LTE系统主要有核心网设备EPC和基站eNodeB组成，采用全IP网络架构设计。见图1。

（2） Wi-Fi无线通信系统的组成。

WiFi系统主要有核心网设备MCU和无线访问接入点AP组成，也是采用全IP网络架构设计。见图2。

由此可见，虽然两种无线系统采用了不同的技术，但是均采用了全IP的组网方式，有着相似的网络架构。

3 LTE系统和Wi-Fi系统的对比

3.1 无线频段

Wi-Fi系统采用的开放的2.4 GHz/5.8 GHz频段，无需受无委会的频率管制，也无需缴纳频率使用费。最新的802.11ac标准下，带宽可以达到1 750 MHz。802.11n标准可以达到300 MHz的带宽，完全可以满足语音、数据和高清视频的传输需求。LTE系统采用的是1.4 G/1.8 G频段，使用该频段需要向无委会申请并接受管制，每年须缴纳一定数额的频率使用费。且1.4 G/1.8 G频段为电力、航空、交通、政府等各行业的公用频段，用户数量多，频段分散且带宽受限。最大可用带宽不超过20 MHz。频率使用费每年不多，但是申请频点以及每年缴纳手续费流程比较繁琐。

3.2 覆盖能力

Wi-Fi基站可实现开阔地带约500 m的覆盖半径，室内环境30～100 m的覆盖半径。LTE基站可实现最大半径3～30 km的信号覆盖，微蜂窝基站可以实现最大半径3km的信号覆盖（在建筑较多的区域内会缩减）。对于核电厂的特性，厂区不大（2～3 km的半径），建筑物较多，每个建筑物房间众多，均为钢筋水泥墙的封闭环境，不利于无线电信号的传播。相比较而言，由于LTE单基站的覆盖范围要比Wi-Fi基站大的多，LTE更适合于厂区室外部分的覆盖，通过数量较少的基站即可实现整个厂区的覆盖，而如果要采用Wifi基站进行覆盖的话，需要布置的基站数量要多于LTE基站。

3.3 安全性

核电厂的KRG、DCS等仪控系统对核电的安全生产起着至关重要的作用，在无线通信系统的选择上，应该考虑无线电波是否会对仪控系统产生干扰，是否影响安全生产。Wi-Fi技术采用的是微微蜂窝结构，Wi-Fi基站发射功率为0.1 W，LTE基站的发射功率为0.5-5 W可调。在我国正在建设的AP1000核電站，西屋公司在经过严格地测试以及设计，首次选择使用低功率、微微蜂窝的Wi-Fi无线通信系统作为核电厂的首要通信方式，允许在厂区任何区域（包括安全壳）使用，主要也是考虑到无线通信系统过高的无线电发射功率，会对仪控系统产生干扰。虽然LTE基站可以通过调低发射功率来降低对设备的干扰，但是其覆盖范围会受到相应影响。

3.4 基站性能

现在普及商用的Wi-Fi（802.11 n）基站最大吞吐量可达300 Mbit/s。单个基站同时连接用户数不少于64个且并发通话数为20个。LTE基站的最大吞吐量为20 Mbit/s。单个基站在线用户数为1 500个，并发群组数为450个。对于核电厂而言，单个基站20个的并发通话数已经足够满足运维需求，并且具有高数据吞吐量的Wi-Fi基站，能为更多的终端传输视频、图像、文件等大数据量的业务。

3.5 语音质量

wi-fi系统是基于IP数据包实现语音通信，为了保证语音质量，全球Wi-Fi联盟使用Wi-Fi多媒体交互认证体系-IEEE802.e，以此作为802.11网络QoS的进一步演进和延伸。WMM（Wi-Fi多媒体）全面定义了四种连接内容，其中包括语音、视频、best effort以及background，每种连接可以定义优先级，以优化网络通信质量，保障应用与网络资源建立稳定的连接。同时，WMM优化了Wi-Fi原始终端用户的通信体验，在一个更为广泛、更为庞杂的网络环境和通信环境中，提供高质量的数据、语音、音乐、视频应用的网络连接性能。LTE系统也是基于IP数据包实现语音通信，是通过空中接口通过给每个用户分配通道来保证语音质量的。两种语音质量的保证措施，都能满足最基本的语音通信需求。但是在有语音以及如视频流之类的大数据量同时传输的情况下，WiFi的QoS更能保障语音数据包的优先发送和传输。

4 结语

该文对采用LTE和Wi-Fi两种技术的无线通信系统进行了介绍，并分别在无线频段、覆盖能 力、安全性、基站性能和语音质量等几个方面进行了对比。两种无线系统都能满足电厂的需求，在无线频段、安全性和语音质量方面，Wi-Fi系统要优于LTE系统；在覆盖能力、基站性能方面，LTE系统要优于Wi-Fi系统。除了上述几个方面，对于核电无线通信系统的选型，还要考虑投资、实施成本和难度、建设周期等其它因素。从技术层面综合比较而言，Wi-Fi技术更适用于核电厂的无线通信系统。

参考文献

[1] 尹圣君.LTE及LTE-Advanced无线协议[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2] （瑞典）达尔曼，（瑞典）巴克浮，斯科德，著.4G移动通信技术权威指南LTE与LTE-Advanced[M].朱敏，堵久辉，廖庆育，等，译.北京：人民邮电出版社，2015.

[3] 唐雄燕.宽带无线接入技术及应用：WIMAX与WiFi[M].北京：电子工业出版社，2006.