核電領(lǐng)域無線通信技術(shù)應(yīng)用研究

向新明?朱星?劉文玉?黃燕輝?陳振華

摘要：無線技術(shù)憑借著部署容易、建設(shè)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(wǎng)絡(luò)發(fā)展及應(yīng)用的重要方向。本文通過分析各無線技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合核電實(shí)際應(yīng)用需求，提出了核電領(lǐng)域無線網(wǎng)絡(luò)方案。該方案滿足核電領(lǐng)域法律法規(guī)監(jiān)管、電磁兼容、人員定位、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)安全等方面的要求。

關(guān)鍵詞：無線技術(shù)；智慧核電；網(wǎng)絡(luò)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?yàn)橥ㄐ?、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?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與安全；

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

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

隨著電力系統(tǒng)設(shè)備向智能化發(fā)展，對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求，高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連接和更便捷的網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)周期長、走線困難，嚴(yán)重限制了裝置的移動(dòng)范圍，影響了產(chǎn)線柔性化。因此，難以解決大量設(shè)備的靈活接入和大范圍移動(dòng)的需求[1]。我國已有少數(shù)核電站對(duì)無線通信技術(shù)進(jìn)行了探索和應(yīng)用，例如陽江和紅沿河核電站分別使用Wi-Fi和McWiLL技術(shù)實(shí)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(yuǎn)程控制、智能巡檢、高清視頻監(jiān)控等應(yīng)用中對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和可靠性提出了更高要求，有必要結(jié)合實(shí)際情況，探索5G、Wi-Fi6等新型無線通信技術(shù)在核電領(lǐng)域的應(yīng)用。

5G具備高帶寬、低延時(shí)、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(shí)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(jìn)行快速調(diào)整，可以滿足核電基地對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)要求不高的接入場景。5G、Wi-Fi6等無線通信技術(shù)都有各自的最佳應(yīng)用場景，在合理選用的情況下，可以實(shí)現(xiàn)核電基地的無線信號(hào)全覆蓋，達(dá)到提高通信傳輸效率、降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、提高生產(chǎn)和管理效率的效果。

一、常用無線通信技術(shù)對(duì)比分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，5G、Wi-Fi6、ZigBee、NB-IoT、LoRa、藍(lán)牙等無線技術(shù)成為連接傳輸層的重要技術(shù)。

5G：具有三大突出性能，即高帶寬、低時(shí)延和廣泛連接能力。5G與通信、計(jì)算、控制、智能等功能結(jié)合，適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)不同場景的需求，并革新生產(chǎn)和服務(wù)體系。

Wi-Fi6：從設(shè)計(jì)之初，就針對(duì)高密度無線接入和高容量無線業(yè)務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。適用于戶外的大型公共場所、高密會(huì)議室、室內(nèi)高密無線辦公、電子教室等應(yīng)用場景。

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

NB-IoT：支持待機(jī)時(shí)間長、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等特點(diǎn)。且NB-IoT使用授權(quán)頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，并可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。

LoRa：適用低功耗、遠(yuǎn)距離、大規(guī)模連接和位置跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(lán)牙：藍(lán)牙技術(shù)的最大的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于外部網(wǎng)絡(luò)、速率快、低功耗，安全性高。只要有手機(jī)和智能設(shè)備，就能保持穩(wěn)定的連接。其缺點(diǎn)是不能直接連接云端、傳輸速度比較慢、組網(wǎng)能力比較弱、而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。

無線技術(shù)詳細(xì)對(duì)比如下表1所示：

綜上，雖然ZigBee、LoRa、藍(lán)牙等微功率短距離技術(shù)或NB-IoT低功耗無線技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)選型的主要技術(shù)，才能更好地滿足核電業(yè)務(wù)功能及信號(hào)覆蓋需求。

二、核電領(lǐng)域無線網(wǎng)絡(luò)需求分析

（一）信息安全需求

信息安全問題是對(duì)無線技術(shù)在核電廠應(yīng)用的一大考驗(yàn)，目前數(shù)字化儀控系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)為核電廠的安全提供了全新的考驗(yàn)，而無線技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)使這種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。無線技術(shù)的應(yīng)用不僅要克服原有的安全難題，同時(shí)還要克服基于無線系統(tǒng)的特殊性而產(chǎn)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(dāng)占用同一頻帶的兩個(gè)不同的無線協(xié)議相互接近時(shí)就可能產(chǎn)生干擾，通過監(jiān)測信號(hào)強(qiáng)度、載波感知時(shí)間和數(shù)據(jù)包發(fā)送率等參數(shù)來檢測干擾，擴(kuò)頻和調(diào)頻技術(shù)已經(jīng)證實(shí)可以有效地對(duì)抗干擾[2]。

（二）電磁兼容需求

核電領(lǐng)域電力系統(tǒng)由大量一次和二次設(shè)備組成，同時(shí)還存在許多的重要敏感控制系統(tǒng)與設(shè)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(jí)更高、容量更大、系統(tǒng)更復(fù)雜、設(shè)備更先進(jìn)的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)間產(chǎn)生的電磁干擾更為嚴(yán)重。因此，在核電領(lǐng)域進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)前，有必要分析網(wǎng)絡(luò)干擾情況，并進(jìn)行電磁兼容分析，明確基站、終端無線信號(hào)對(duì)設(shè)備的干擾程度，并采取相應(yīng)功率控制措施來規(guī)避干擾風(fēng)險(xiǎn)。

（三）終端定位需求

作為對(duì)工作、人員、安全等方面的重要管理需求，定位功能將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過高精度的定位功能，可以有效地實(shí)現(xiàn)前端工作人員管理、辦公區(qū)域劃分指引、設(shè)備物資監(jiān)控、運(yùn)輸物流定位、應(yīng)急響應(yīng)時(shí)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(duì)其佩戴設(shè)備是否需要定位功能要考慮實(shí)際運(yùn)用權(quán)限。此外，針對(duì)地下、隧道等復(fù)雜條件下的三維定位需求，由于定位技術(shù)和施工條件等因素影響，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃。一般場所的定位需求是要將位置定位到房間級(jí)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(yīng)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(xiàng)目前期、工程建設(shè)期、生產(chǎn)運(yùn)營期、延壽或退役等五個(gè)階段，這五大階段都是全生命周期中不可分割的一部分。對(duì)于核電無線通信應(yīng)用來講，主要運(yùn)用于工程建設(shè)期和生產(chǎn)運(yùn)營期等進(jìn)程，并且每個(gè)階段根據(jù)參與單位、組織架構(gòu)、管理模式等方面都具有不同的應(yīng)用需求。尤其是組織分工和持續(xù)的業(yè)務(wù)流程優(yōu)化，在核電站的每個(gè)階段進(jìn)行，決定了這種無線通信應(yīng)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(lǐng)域必須功能。人員通話包括工作人員通過手機(jī)或者其他通信設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一的即時(shí)通話，也包括語音組呼、廣播組呼等多人群組通話，主要運(yùn)用于現(xiàn)場工作交流、溝通、指揮以及臨時(shí)會(huì)議討論等場景。短信通信是用戶通過手機(jī)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(yùn)用于信息提醒、資料傳輸、會(huì)議通知等場景。

三、核電領(lǐng)域無線網(wǎng)絡(luò)方案選取

國家監(jiān)管文件禁止在生產(chǎn)控制大區(qū)部署無線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為滿足核電隔離要求，無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用獨(dú)立組網(wǎng)方式。因此，各基地結(jié)合自身實(shí)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(dú)立核心網(wǎng)方式或集團(tuán)統(tǒng)一核心網(wǎng)方式?；鬲?dú)立核心網(wǎng)方式，需要在基地單獨(dú)部署核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制信令不出基地，保證數(shù)據(jù)安全，核心網(wǎng)采用簡化版配置，主要功能保留，但配置降低。集團(tuán)統(tǒng)一核心網(wǎng)方式，需要在集團(tuán)統(tǒng)一部署5G核心網(wǎng)控制面，可以分權(quán)分域管理，基地部署應(yīng)急CP（應(yīng)急控制面）、UPF（用戶面功能）和MEC（移動(dòng)邊緣計(jì)算），保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出基地，同時(shí)實(shí)現(xiàn)基地獨(dú)立成活。基地Wi-Fi6方案，需要基地室內(nèi)室外獨(dú)立建設(shè)Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制信令不出基地?；?G+Wi-Fi6方案，需要室內(nèi)建設(shè)Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)，對(duì)時(shí)延、可靠性要求較高的區(qū)域部署5G網(wǎng)絡(luò)，室外部署5G網(wǎng)絡(luò)，基地可以獨(dú)立建設(shè)核心網(wǎng)保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和控制信令不出基地，也可以與集團(tuán)統(tǒng)一核心網(wǎng)控制面連接。同時(shí)配置融合通信平臺(tái)，打通各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)接入的各類終端由集團(tuán)原有統(tǒng)一接入認(rèn)證平臺(tái)實(shí)現(xiàn)接入認(rèn)證，Wi-Fi6網(wǎng)絡(luò)接入終端由Wi-Fi6控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)接入認(rèn)證，或通過Wi-Fi6控制系統(tǒng)與集團(tuán)統(tǒng)一接入認(rèn)證平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用企業(yè)原有賬號(hào)和認(rèn)證體系進(jìn)行統(tǒng)一接入認(rèn)證。

（一）網(wǎng)絡(luò)安全方案

根據(jù)“一個(gè)中心，三重防護(hù)”思想進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。要求安全建設(shè)包括安全物理環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、安全計(jì)算環(huán)境、安全管理中心部分。其中安全物理環(huán)境由機(jī)房基建完成，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、安全計(jì)算環(huán)境、安全管理中心部分。

安全通信網(wǎng)絡(luò)主要由核心、匯聚、接入交換機(jī)等設(shè)備組成；安全區(qū)域邊界主要由出口安全邊界、無線網(wǎng)絡(luò)接入?yún)^(qū)邊界組成，用于限制未經(jīng)授權(quán)的訪問和保護(hù)網(wǎng)絡(luò)資源的安全；計(jì)算環(huán)境主要由業(yè)務(wù)系統(tǒng)（融合通信）等業(yè)務(wù)構(gòu)成；安全管理中心主要由網(wǎng)管系統(tǒng)、準(zhǔn)入網(wǎng)關(guān)、態(tài)勢感知、漏洞掃描、防病毒、主動(dòng)防御、無線AC、5G核心網(wǎng)等構(gòu)成；

核心、匯聚、接入層設(shè)備上，通過VLAN+ACL對(duì)不同類型業(yè)務(wù)進(jìn)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(dǎo)等安全隔離設(shè)施；以及對(duì)重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)施采用冗余備份設(shè)置。可以提高網(wǎng)絡(luò)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(duì)指定區(qū)域進(jìn)行電磁功率控制，每一個(gè)寬帶接入基站可以設(shè)置其覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的發(fā)射功率，實(shí)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(yùn)行的狀態(tài)，快速配置對(duì)應(yīng)的電磁管理要求，終端在進(jìn)入限制區(qū)域后自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)工作模式中，確保手機(jī)的電磁兼容安全性以及通信業(yè)務(wù)功能。手機(jī)支持在各區(qū)域之間自由切換，切換算法確保設(shè)備優(yōu)先切入到高安全級(jí)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(shù)，通過發(fā)送納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算電波返回時(shí)間測算設(shè)備距離，測距精度可達(dá)亞米級(jí)。

5G定位：室外定位采用RTT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高精度定位。在進(jìn)行室外多站環(huán)境下的定位技術(shù)布局時(shí)，終端可以與3個(gè)基站之間相互傳送參考信號(hào)，通過計(jì)算接收端與發(fā)射端之間的時(shí)間差得出RRT。室內(nèi)定位采用5G+UWB（超寬帶）/藍(lán)牙AoA（角度測量）的高精度定位方案。UWB/藍(lán)牙AoA基站數(shù)據(jù)經(jīng)過5G智能室分系統(tǒng)（BBU、PB和PRRU）進(jìn)行處理，最終傳輸?shù)組EC（邊緣計(jì)算）定位上部署的定位解算服務(wù)。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(nèi)定位則采用UWB或藍(lán)牙AoA技術(shù)，這些技術(shù)可以提供更高的精度和可靠性，適用于密集的室內(nèi)環(huán)境。

（四）融合通信方案

采用包括即時(shí)通信系統(tǒng)的融合通信平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端、固定電話、視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等融合互通，是目前行業(yè)用戶應(yīng)急和生產(chǎn)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(dú)立成活功能，當(dāng)多個(gè)基地均部署時(shí)可相互實(shí)現(xiàn)災(zāi)備。

四、核電領(lǐng)域無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)建議

由新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)撬動(dòng)的新革命正在“全面開花”，占據(jù)國民經(jīng)濟(jì)半壁江山的工業(yè)數(shù)字化早已蓄勢待發(fā)，傳統(tǒng)專網(wǎng)技術(shù)限制，公網(wǎng)安全性能缺乏，生產(chǎn)需求爆炸增長，現(xiàn)有部署網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語

仔細(xì)梳理核電領(lǐng)域?qū)＞W(wǎng)應(yīng)用場景，研究核電領(lǐng)域生產(chǎn)需求，通過仿真分析、測試驗(yàn)證計(jì)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(chǎn)需求的核電無線專網(wǎng)，助力工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)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(yuǎn)核電有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳億根，尹曉峰等．5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐[J]，中興通訊技術(shù)，2020（06）：2-6．

[2][出版者不詳].無線技術(shù)在核電廠的應(yīng)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(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求[S].