Wi—Fi、LTE、UWB等技術(shù)在大亞灣核電站應(yīng)用的可行性分析

奚奇++周強(qiáng)++穆昌洪++胡純

【摘 要】大亞灣核電站目前使用的通訊技術(shù)為無線尋呼技術(shù)，存在技術(shù)落后、維護(hù)難度大的問題，且該技術(shù)只能單向?qū)ず?，不能建立雙向?qū)崟r(shí)連接，極大降低了工作效率，亟需改進(jìn)。Wi-Fi、LTE、UWB等成熟無線通訊技術(shù)具有易于維護(hù)、雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，為上述問題提供了良好的解決方案。論文首先對(duì)大亞灣核電站重要敏感區(qū)域進(jìn)行了電磁兼容測(cè)試，其次調(diào)研了國(guó)內(nèi)外核電站現(xiàn)有的無線通訊技術(shù)概況，最后在此基礎(chǔ)上探究了上述幾種無線通訊技術(shù)在大亞灣核電站應(yīng)用的可行性。分析結(jié)果表明：在核電站重要敏感區(qū)域部署UWB基站，其余地區(qū)部署LTE微基站以替代無線尋呼系統(tǒng)是一種可行的方案。

【Abstract】Daya Bay Nuclear Power Station uses the wireless paging technology for communication currently， which is backward technology and hard to maintain； meanwhile this technology can only establish one-way connection rather than two-way real-time connection， which greatly reduces the work efficiency and needs to be improved. Wi-Fi， LTE and UWB technologies have advantages of easy maintenance and two-way data transmission which provide a good solution for solving above-mentioned problems. We investigated domestic and foreign nuclear power stations about wireless communication technology they use and analyzed the feasibility of the several above-mentioned wireless communication technologies on the basis of the EMC test results in the important and sensitive areas in Daya Bay Nuclear Power Station. The analytic results show that it is feasible to deploy UWB base station in important and sensitive areas， and to deploy LTE micro base station in the rest areas instead of wireless paging system in Daya Bay Nuclear Power Station.

【關(guān)鍵詞】無線通訊技術(shù)；大亞灣核電站；可行性分析

【Keywords】wireless communication technology； Daya Bay Nuclear Power Station； feasibility analysis

【中圖分類號(hào)】TN914 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）10-0192-05

1 引言

大亞灣核電站是中國(guó)大陸第一座大型商用核電站。目前，大亞灣核電站全廠通訊技術(shù)使用的是無線尋呼技術(shù)[1]。隨著系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行老化，該技術(shù)存在技術(shù)落后、維護(hù)困難、成本高昂等問題；且由于無線尋呼系統(tǒng)僅可單向聯(lián)系，無法建立雙向?qū)崟r(shí)連接，極大降低了工作效率。因此尋找一種能夠解決上述問題的通訊技術(shù)是當(dāng)前大亞灣核電站面臨的一個(gè)重要課題。隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)趨于成熟，在許多工業(yè)場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。上述技術(shù)具有易于維護(hù)、實(shí)時(shí)高效、雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，能夠彌補(bǔ)無線尋呼技術(shù)的缺陷[2]。因此，研究上述無線通訊技術(shù)在大亞灣核電站實(shí)際應(yīng)用的可行性具有十分重要的意義。

本文首先對(duì)大亞灣基地各電站重要敏感設(shè)備進(jìn)行LTE技術(shù)的電磁兼容測(cè)試，在此基礎(chǔ)上對(duì)比了原有無線尋呼技術(shù)與LTE技術(shù)指標(biāo)，得出電磁兼容的技術(shù)要求，其次調(diào)研國(guó)內(nèi)外核電站新電站無線通訊技術(shù)的概況，最后通過比較Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)上述技術(shù)在大亞灣基地各電站的應(yīng)用進(jìn)行可行性分析。

2 大亞灣核電站電磁兼容技術(shù)要求

大亞灣基地各電站使用的無線尋呼技術(shù)均由摩托羅拉提供，接收機(jī)與民用無線尋呼機(jī)通用，僅可接受數(shù)字和中英文字符信息。其基站分廠內(nèi)和廠外兩種，廠內(nèi)區(qū)域基站頻率280MHz，限制功率5W。該技術(shù)在大亞灣核電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)過電磁干擾的現(xiàn)象[1]。

2015年中國(guó)廣核集團(tuán)對(duì)大亞灣基地各電站重要敏感區(qū)域進(jìn)行了LTE模擬終端的離線、在線測(cè)試。測(cè)試頻率1755～1805MHz，測(cè)試區(qū)域包括L609/W609/W228/MB502等房間

的23個(gè)系統(tǒng)共計(jì)87個(gè)設(shè)備。測(cè)試使用的微基站輸出功率限制200mW以下，距離機(jī)柜設(shè)備5米，模擬終端距離機(jī)柜0.1米[3]。

離線測(cè)試時(shí)未發(fā)現(xiàn)測(cè)試基站對(duì)設(shè)備有干擾，但當(dāng)模擬終端輸出功率10mW時(shí)有22個(gè)設(shè)備受到干擾；輸出功率1mW時(shí)有9個(gè)設(shè)備受到干擾；輸出0.1mW時(shí)無設(shè)備受到干擾。其中最易受到干擾的設(shè)備為嶺澳核電站L609房間的KRG142AR機(jī)柜（影響R棒調(diào)節(jié)）。在線測(cè)試AHP、RGL、RPN、GRH、KRG、ARE、GME、GEX等系統(tǒng)的敏感設(shè)備，通過限制模擬終端輸出0.1mw以下的發(fā)射功率，未發(fā)現(xiàn)電磁干擾現(xiàn)象。endprint

以嶺澳核電站L609房間的KRG142AR機(jī)柜為例，最近的無線尋呼基站位于W601房間，從基站至KRG142AR機(jī)柜直線距離約20m。LTE發(fā)射波長(zhǎng)的計(jì)算方法如公式（1）：

λ=c/f（1）

式中：

λ——波長(zhǎng)，單位m；

c——光速，常量，約等于3×108m/s ；

f——頻率，單位Hz；

計(jì)算可知無線尋呼技術(shù)使用的波長(zhǎng)為1.07m，一般認(rèn)為半徑3λ之外的空間范圍為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，而已知在理想條件下（自由空間傳播、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件），無線電發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率和場(chǎng)強(qiáng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（2）[2]：

E=■ （2）

式中：

E——電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；

k——常數(shù)，在遠(yuǎn)場(chǎng)自由空間傳播時(shí)其值等于7；

P——有效輻射功率，單位為W；

d——測(cè)量距離，指天線和測(cè)量點(diǎn)之間的距離，單位為m；

計(jì)算可知， KRG142AR機(jī)柜在無線尋呼技術(shù)下的理論場(chǎng)強(qiáng)約為0.784V/m，該值低于國(guó)標(biāo)中抗擾度實(shí)驗(yàn)等級(jí)1級(jí)的要求，屬低電平電磁輻射環(huán)境。而計(jì)算得LTE發(fā)射波長(zhǎng)為0.17m，距離LTE基站5m處的場(chǎng)強(qiáng)為0.626V/m，低于無線尋呼技術(shù)在該機(jī)柜的理論場(chǎng)強(qiáng)。因此理論上限制發(fā)射功率200mW以下，距離機(jī)柜5米以上的基站不會(huì)對(duì)設(shè)備造成干擾。而模擬終端距離設(shè)備只有0.1m，不適用遠(yuǎn)場(chǎng)公式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定輸出功率限制0.1mW以下不會(huì)發(fā)生電磁干擾現(xiàn)象。

綜上所述，基站限制200mW以下，距離設(shè)備5m以上，終端限制0.1mW以下，距離設(shè)備0.1m以上不會(huì)對(duì)重要敏感區(qū)域的設(shè)備造成電磁干擾。

3 國(guó)內(nèi)外核電站通訊技術(shù)概況

經(jīng)過充分調(diào)研，國(guó)內(nèi)外核電站新電站通訊技術(shù)概況如表1所示。

從1表可以看出，隨著通訊技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外核電站的趨勢(shì)是淘汰無線尋呼技術(shù)并逐步引進(jìn)Wi-Fi等新型無線通訊技術(shù)，這為大亞灣核電站通訊技術(shù)的升級(jí)換代提供了思路。

4 Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)在核電站的應(yīng)用分析

4.1 Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)特點(diǎn)分析

4.1.1 Wi-Fi技術(shù)特點(diǎn)

Wi-Fi （Wireless Fidelity，無線保真）技術(shù)是一個(gè)基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)（WLAN，無線局域網(wǎng)絡(luò)）的無線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所持有。Wi-Fi是一種短距離無線技術(shù)，其使用的2.4GHz頻段屬于無需許可的無線頻段，迄今為止已經(jīng)發(fā)展了五代標(biāo)準(zhǔn)：

第一代：1997年推出的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，只使用2.4GHz，最大傳輸速率2Mbps。

第二代：1999年推出的IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，只使用2.4GHz，最大傳輸速率11Mbps。

第三代：2002年推出的IEEE 802.11g/a標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz和5GHz，最大傳輸速率54Mbps。

第四代：2009年推出的IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz和5GHz，最大傳輸速率600Mbps。

第五代：2012年推出的IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，只使用5GHz，最大傳輸速率1Gbps。

4.1.2 LTE技術(shù)特點(diǎn)

LTE是由3GPP組織制定的UMTS（通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期演進(jìn)，于2004年12月在3GPP多倫多會(huì)議上正式立項(xiàng)并啟動(dòng)。LTE系統(tǒng)引入了OFDM（正交頻分復(fù)用）和MIMO（多輸入多輸出）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著增加了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率（下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps）。LTE在支持全球主流2G/3G頻段和一些新增頻段的基礎(chǔ)上，同時(shí)支持多種帶寬分配方式，其頻譜分配更加靈活，系統(tǒng)容量和覆蓋也顯著提升。

4.1.3 UWB技術(shù)特點(diǎn)

UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術(shù)[3]，可以利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)射無線信號(hào)，通常定義為帶寬在500MHz 以上或帶寬中心頻率20%以上的信號(hào)。UWB技術(shù)通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)，能在10米左右的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)百M(fèi)bps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB技術(shù)具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、發(fā)送功率極低等諸多優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無線局域網(wǎng)、位置測(cè)定等領(lǐng)域。

由于UWB與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統(tǒng)通信技術(shù)無法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：

①簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： UWB技術(shù)不使用載波，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本。

②高速的數(shù)據(jù)傳輸：UWB技術(shù)在10m以內(nèi)的傳輸范圍，其傳輸速率可達(dá)480Mbps。

③極低的功耗：UWB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時(shí)間很短，在高速通信時(shí)系統(tǒng)的耗電量?jī)H為幾百微瓦至幾毫瓦。因此，UWB 設(shè)備在電池壽命和電磁輻射上，相對(duì)于傳統(tǒng)無線設(shè)備有著極大的優(yōu)越性。

4.1.4 Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)對(duì)比

Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)具體性能參數(shù)見下表2。

4.2 Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)在核電站應(yīng)用的可行性分析

4.2.1 Wi-Fi可行性分析

隨著Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，Wi-Fi的典型工作頻段已劃分為2.4GHz與5GHz兩種。頻率越高，傳輸速率越快，但傳輸損耗也越大，覆蓋范圍越小。

核電站的實(shí)際通訊速率要求在2.4GHz工作頻段上已可滿足，此時(shí)Wi-Fi基站的發(fā)射功率小于20dBm（100mW），典型使用范圍不超過100米，基本不會(huì)對(duì)電站造成干擾。但實(shí)際使用時(shí)考慮到Wi-Fi終端設(shè)備的發(fā)射功率仍有10dBm（10mW），當(dāng)工作人員攜帶終端靠近重要敏感區(qū)域的設(shè)備時(shí)，仍有可能造成電磁干擾。因此，Wi-Fi技術(shù)在大亞灣核電站重要敏感區(qū)域不適用。endprint

4.2.2 LTE可行性分析

LTE網(wǎng)絡(luò)的典型使用環(huán)境下宏基站發(fā)射功率高達(dá)20W（43dBm），終端功率0.2W，覆蓋范圍500m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。但根據(jù)大亞灣基地各電站實(shí)測(cè)結(jié)果，如果部署小型LTE網(wǎng)絡(luò)（基站功率限定200mW以下，終端功率限制0.1mW以下），并不會(huì)對(duì)重要敏感區(qū)域的設(shè)備造成電磁干擾。盡管基站和終端功率的大幅度降低造成覆蓋范圍和信號(hào)強(qiáng)度的大幅度降低，但只要合理布置基站位置，規(guī)范終端使用方式，LTE技術(shù)在大亞灣核電站重要敏感區(qū)域的應(yīng)用是可行的。

4.2.3 UWB可行性分析

第一， 功率分析。UWB由于其工作頻段較高，且?guī)捀螅菀着c其他信息設(shè)備發(fā)生電磁干擾，因此FCC限定其發(fā)射功率不得超過-41.3dBm/MHz，該標(biāo)準(zhǔn)低于FCC對(duì)個(gè)人電腦和家電設(shè)備的電磁噪音限制，且低于《GB/T 12572-2008 無線電發(fā)射設(shè)備參數(shù)通用要求和測(cè)量方法》規(guī)范中對(duì)30MHz以上短距離設(shè)備雜散域發(fā)射功率-30dBm/MHz的限制。以FCC限定的最大發(fā)射功率計(jì)算，單一UWB信道整體發(fā)射功率-14.3dBm，約合0.037mW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Wi-Fi、LTE基站及終端的發(fā)射功率。

第二， 場(chǎng)強(qiáng)分析。根據(jù)《GB17999.4-2012 電磁兼容 通用標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)環(huán)境中的發(fā)射》規(guī)范中對(duì)3～6GHz發(fā)射源的場(chǎng)強(qiáng)限值要求為測(cè)量距離3m時(shí)發(fā)射峰值不高于80dB（μV/m）。以3GHz為例，UWB發(fā)射波長(zhǎng)為0.1m。

已知在理想條件下（自由空間傳播、遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件），電場(chǎng)強(qiáng)度、測(cè)量距離、等效全向輻射功率參量之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（3）：

E=■ （3）

式中：E——電場(chǎng)強(qiáng)度，單位V/m；

D——測(cè)量距離，指無線電發(fā)射設(shè)備和測(cè)量點(diǎn)之間的距離，單位為m；

e.i.r.p——等效全向輻射功率，單位為W；

計(jì)算可得電場(chǎng)強(qiáng)度為0.011V/m。又知電場(chǎng)強(qiáng)度單位V/m和dBμV/m的轉(zhuǎn)換關(guān)系是：

E（dBμV/m）=120+20lgE（V/m）

計(jì)算可知，UWB在最大發(fā)射功率情況下其電場(chǎng)強(qiáng)度僅為80.92dB（μV/m） ，僅略高于工業(yè)環(huán)境中使用的電氣和電子設(shè)備（非無線電設(shè)備）發(fā)射的通用標(biāo)準(zhǔn)80dB（μV/m） 。

綜上所述，考慮到UWB相比于LTE，其總發(fā)射功率更小、通訊帶寬更寬，最大發(fā)射功率水平也僅略高于電磁噪聲要求，因此幾乎不會(huì)對(duì)核電站設(shè)備造成電磁干擾。同時(shí)由于其優(yōu)良的通訊性能和定位性能，在核電站狹小密閉及高度敏感的廠房里比LTE更具優(yōu)勢(shì)。但是考慮到UWB技術(shù)成本較高且最佳通訊范圍僅有10m，建議僅在重要敏感區(qū)域部署，如保護(hù)組房間W602/603/607/609。

5 結(jié)論

本文在大亞灣核電站電磁兼容測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合Wi-Fi、LTE、UWB等通訊技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)Wi-Fi、LTE、UWB等技術(shù)在大亞灣核電站的適用情況進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

①受限于核電站的電磁兼容限制，Wi-Fi技術(shù)在核電站重要敏感區(qū)域不適用。

②限定功率的小型LTE網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過實(shí)測(cè)能夠滿足重要敏感區(qū)域的使用要求，可以推廣至核電站大部分廠區(qū)的部署。

③UWB技術(shù)比LTE技術(shù)有著更低的發(fā)射功率和更好的傳輸性能，但因其成本較高，限制了使用范圍，更適合部署于重要敏感區(qū)域。

因此，建議在大亞灣核電站采取LTE為主、UWB為輔的無線通訊系統(tǒng)：在重要敏感區(qū)域部署UWB基站作為無線尋呼系統(tǒng)的替代，其余廠房可統(tǒng)一部署LTE微基站。

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