AP1000核电站无线通信系统的可行性分析及技术方案选型

赵 忻

(国核工程有限公司，上海 200233)

员工之间的即时语音通信在核电站中的应用对核电站系统的调试和维护管理有着重要的意义，对于核电站内正常工作时大量移动中的员工而言，只有无线手机才能真正保证员工间的即时语音通信。在过去，由于技术上的局限，核电站的即时语音通信一直存在很多问题。随着通信技术的进步，现在已经可以用无线通信技术手段真正实现即时语音通信。因此，为员工提供优质、高效的即时语音通信已经成为现代化核电站建设的基本要求。

1 可行性分析

EPRI（Electric Power Research Institute）在其发布的先进轻水反应堆的附属系统要求文件中明确提出，核电站内的语音通信系统和设备应支持包括应急处理在内的、电站运营和维护的各个阶段的需要。该语音通信系统所提供的功能必须包括便携式无线通信能力，使电站作业和维护人员可以使用便携式无线通信设备进行通信，系统基础设施包括无线基站、天线、放大器/转接器等适当的设备。该专用系统应是控制室操控人员、设备作业人员和维护人员在从事常规事务和应急处理时的首选通信方式[1]。

NRC（Nuclear Regulatory Commission）在颁布的标准评审方案中规定，在评审批准新的核电站许可证时要“验证无线通信能力的覆盖可以充分满足电站内和电站外的员工的通信需求。”这说明，对核电站全面的无线通信覆盖已经成为美国核电站许可证评审发布时的重要原则之一。NRC在对AP1000核电站的设计规范中进一步指出，在AP1000核电站内“无线电话系统由可佩戴便携手机、便携式扬声对讲扩音手机、一整套天线系统和无线交换机构成。该无线电话系统是电站的运营和维护员工通信的首要方式，电话寻呼机、有线内部专用电话交换机和声力电话等其他通信系统作为无线电话系统的备份”[2]。

NRC之所以提高了对核电站内的无线通信能力的要求，除了技术的发展使对核电站全面的无线通信覆盖成为可能，更重要的是这种无线通信能力对于核电站运行效率、生产安全和服务质量的提高都会起到重要作用。

EPRI在为核电站提供采用和部署无线通信系统指南的同时，还对其直接的经济效益进行了针对具体案例的评估。在2005年的评估报告中详细分析了美国两个核电站的案例，总结出核电站信息与通信现代化策略的5大类型，研究表明，如果实现了综合无线通信基础设施及其应用，每年可以为核电站降低运营成本数百万美元，可见部署无线通信系统的直接经济效益明显。

以美国核电站的产业标准和实践做参照可以看出，在中国的AP1000核电站内设置、使用无线电话系统的要求是合理的，代表了目前先进核电设施的设计与运营的技术趋势，会对未来核电站的高效、安全生产起到积极作用，并且可以带来直接的经济效益。

由此可见，根据核电站技术和实践的新趋势，在核电站内部使用无线电话系统是可行的。只要选用的技术和产品符合相关的电磁兼容和射频干扰标准，就可以用于核电站内与安全性非直接相关的功能。对于高水平的核电站，不仅必须部署无线电话系统，而且该系统是核电站各阶段作业中，员工之间通信时首选的通信系统。

2 AP1000无线通信系统的特点

AP1000核电站要求在核岛内与核岛外提供具有针对性的解决方案，既要满足岛内微功率条件下的有效覆盖，又要满足岛外大范围条件下的手持终端有效接入，同时保证手持终端在两种不同的无线环境要求下进行有效的切换和统一管理。核电站需要无线覆盖的区域分为两种，限制区域（主要指核岛内）和非限制区域（主要指核岛以外）。限制区域内无线系统天线和手持终端的使用，不得对其他重要仪控设备产生干扰，影响反应堆的正常运行。设计规格书中要求基站天线和手持终端的发射功率都不得超过100mW，产生的电场强度在1 m处不超过134 dBuV/m (3.76 V/m)的安全范围。关于移动设备的功率P与电场强度Vd、距离d的关系可以由以下公式表示为:

AP1000核电站无线通信系统的特殊要求主要包括：

1）系统网络构架简单可靠，岛内外统一管理。

2）基站分为限制区基站和非限制区基站，限制区天线发射功率受限（不超过100mW），非限制区基站功率不受限。

3）终端设备能快速甄别限制区和非限制区，并且智能切换。

4）在国内具有合法频段，具有合法的无线设备核准认证。

5）室外覆盖面积要求，单基站天线覆盖超过4648 m2。

3 技术方案选型

目前比较适合选用的无线通信技术，有5个候选方案，即小灵通（PHS）、大灵通（SCDMA）、无线集群通信（wireless trunk）、多载波无线信息本地环路（McWiLL）、Wi-Fi。

（1）小灵通（PHS）

小灵通是个人移动通信系统（PHS）的俗称。小灵通是绿色环保的通信系统，在日本是唯一允许在医院使用的无线通信系统。小灵通的基站发送功率小于500mW，基站支持远程供电，安装非常方便。小灵通手机具有超低辐射，发射功率只有10mW，功耗低，待机时间长。并且，由于采用数字技术和信道动态分配技术，使得小灵通频率利用率非常之高，而相应的系统建设成本很低，扩容方便。采用32K ADPCM语音编码，话音通话质量高，可与固话相媲美[3]。

小灵通的技术局限性一直困扰着小灵通的发展，其主要技术局限性在于：

1）基站覆盖范围较小

小灵通大多采用发射功率20mW的小功率基站，基站的低发射功率直接影响了通话质量，虽然后期采用了500mW的大功率基站，扩大了基站的覆盖范围，改善了通话质量，但是覆盖范围仍然较小。一般来说，10mW基站的覆盖范围为150～300m，500mW基站的覆盖范围为200～500m，考虑到核电站限制区基站的发射功率不能超过100mW，因此理论上必须每隔200～300m就需要设立一个小灵通基站，以消除网络盲区。

2）建筑物室内信号较弱

小灵通空中传输信号频率高，折射和穿透能力差、损耗大，衍射和电波绕射能力差，传播主要靠直射、反射。同时，由于发射功率小，信号穿透性较差，会导致室内通话质量不太好的现象。

3）兼容性问题严重

目前，小灵通网络还没有制定全国性的严格、统一的规范和标准，实际网络运行时各厂商兼容性差。

4）频段问题会面临困境

小灵通目前所使用的频段是1900～1920 MHz，该频段将让位于中国的第三代移动通信TD-SCDMA，政府相关管理部门已明确要求所有1900～1920 MHz频段无线接入系统应在2011年年底前完成清频退网工作，因此在频段申请方面小灵通将会面临巨大的困境。

（2）大灵通（SCDMA）

大灵通是以SCDMA技术作为接入手段的无线技术。SCDMA是一种同步码分多址无线接入系统。它是扩频通信系统，平均信号能量低于噪声水平。同时SCDMA采用的是直接序列扩频，就是用具有高码率的扩频序列在发端扩展信号的频谱，而在收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号，故多个扩频设备可共用各自的扩展码。SCDMA系统最大的特点是保密，因为我国具有完整的自主知识产权，可以根据政府安全部门的要求增加保密措施，可以满足政府等专网的特殊需求。SCDMA占用的频率由无线电管理局专门划拨。SCDMA实现了全基站系统及手机的加密。SCDMA无线手机平均发射功率为50mW，不辐射低频无线电波，其基站的覆盖半径约为4000m，远远大于小灵通的最大500m覆盖半径。

SCDMA的缺点也是显而易见的，其信道容量小，频谱利用率低，单频点只支持30个左右的并发语音业务。SCDMA一般全向或3扇区组网，网络规划相对简单，但是基站安装调试特别是扩容情况比较复杂，工作量大。SCDMA数据应用能力不强，只应用在9.6 bps左右的单路语音业务，每个终端用户获得的传输速率有限，所以目前SCDMA主要定位于话务量小，应用在农村，偏远地区的语音业务[4]。

（3）无线集群通信（wireless trunk）

无线集群通信是20世纪80年代初发展起来的一种通信方式。所谓集群通信，它是指由中央控制器集中控制和管理系统中的每个信道，并以动态方式迅速把空闲信道分配给发起呼叫的用户，通话完成后又将该信道收回给等待的用户使用的通信方式。在此集群通信出现之前，无线通信系统都是工作在单信道工作方式，即在一个基站中，特定的用户只能与指配给他的信道联系，而无法使用其他的信道。每个信道分配若干固定的用户，这样，只要该信道被一个用户占用时，其他用户的通信即被阻塞。而为了降低阻塞率，通信中使用了这种集群的方式，提供一定数量的信道，移动站的信息可以利用这些信道从一点传向另一点，这样，多个信息就可以利用相互独立的信道在这些点之间同时传送，这些信道为所有的移动站公用。因此，集群通信系统极大地提高了频道使用率。

集群系统具有共用频率、共用设施、共享覆盖区、共享通信业务、信道共用增强系统功能等特点。无线集群系统是一种先进的高级移动指挥调度系统，是一种资源共享、费用分担、可为用户提供优良服务的多用途、高效能而又廉价的专用移动通信系统[5]。

但是，无线集群通信的缺点也非常突出。首先，其通用性差，国际电信联盟（ITU）根据世界各国提交的集群通信系统标准共制定了EDACS、TETRA、DIMRS、IDRA等7个数字集群通信系统的国际标准，不同的标准造成了一定的设备垄断性。其实，无线集群通信的发射功率一般是数十瓦，远远超过了规格书的要求，电磁干扰会非常严重。

(4）多载波无线信息本地环路（McWiLL）

McWiLL，即多载波无线信息本地环路，是我国拥有完全自主知识产权的新一代宽带无线接入技术，是我国自主创新的SCDMA无线接入技术的宽带演进版本的别名。是在现有大规模商用的窄带SCDMA技术的基础上，国内自主研发的集智能天线、CS-OFDMA、增强零陷、信道跟踪和预测、动态信道分配、频空联合检测等核心技术为一体的宽带无线通信系统。

McWiLL系统采用分布式架构，其接入技术以其独特的码道设计和无线技术处理解决了宽带无线数据通信基础上的窄带语音通信，实现了二者的完美结合。McWiLL系统能够提供高效语音、集群对讲和宽带数据接入业务，可以很好地满足核电行业专网用户的语音调度和数据传输要求[6]。

作为完全自主知识产权的无线通信技术，McWiLL无线宽带接入技术获得了国家在无线电频率资源分配方面的大力支持，拥有独特的频率优势。目前McWiLL拥有1785～1805 MHz/406.5～409.5 MHz两段授权频率。同时，McWiLL是国内唯一的一个分配了专用频率并制定了行业标准的宽带无线接入技术。

McWiLL系统也有很明显的缺点：首先是规范化的问题，McWill虽然具有完全自主知识产权，但是如果不能够纳入国际标准，将极大地限制自身的发展，这点问题是致命的。其次，由于支持McWiLL的企业和系统丰富程度不如其他通信系统，因此，在McWiLL设备的多样性方面，定制能力有待提高，终端的丰富程度有待加强。再次，根据规格书的要求，微功率天线发射功率不超过100mW，McWiLL的发射功率一般是数瓦，电磁干扰会比较严重。

(5）Wi-Fi

Wi-Fi是Wireless Fidelity的缩写，意指无线高保真。Wi-Fi技术是基于IEEE802.11协议的无线通信技术，目前正在使用的通信标准为IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g技术。无线接入和高速传输是Wi-Fi的主要技术优点，其中IEEE802.11b最高速度为11Mbps，IEEE802.11a与IEEE802.11g的最高速度为54 Mbps。现在多用的IEEE802.11b与IEEE802.11g设备使用的频段为2.4～2.4835 GHz的免许可频段，在频率资源上不存在限制。基于Wi-Fi的VOIP技术就实现了无线语音通信功能。VOIP是Voice Over Internet Protocol的缩写，它通过对语音信号进行编码数字化、压缩处理成压缩帧，然后转换为数据包在网络上进行传输，最后在接收端将这些语音数据包串起来，经过解压处理后，还原成原来的语音信号以供接听者接收[7]。采用Wi-Fi技术的天线发射功率以及手持设备功率均可以调到100mW以下，电磁干扰小，符合AP1000规格书的要求。

Wi-Fi技术也有它的不足之处。首先它的覆盖面积有限，一般的Wi-Fi网络覆盖面只有300m左右。其次它的高速移动性不佳，只有在静止或者步行的情况下使用才能保证其通信质量。最后Wi-Fi技术存在着一定的安全隐患，由于是使用2.4 GHz开放频段，Wi-Fi的加密方法和无线通信的开放特性使Wi-Fi通信容易被拦截，如果没有可靠的加密手段将难以保证其通信安全。

综合对比5种无线通信技术后，我们可以看出，只有基于Wi-Fi的无线通信系统是满足AP1000核电站无线通信系统的所有要求，适合在核岛内这一特殊环境下使用的。针对其固有的不足之处可以通过适当的技术手段改进。1）适当地增加AP数量以保证其网络覆盖的完整性。由于核岛内特殊的结构，无线信号都衰减比较大，只有通过计算、深化设计并现场验证其AP数量和布点的合理性，才能保证无线网络的完整覆盖和语音通话质量。2）在核岛内一般不会有人员高速的移动，只要保证在无线通信信号覆盖的范围内，无论是核岛内还是核岛外都可以不受地理位置的限制进行任意移动通信。3）针对2.4 GHz开放频段，WEP、MAC等常用的加密手段并不能完全保证信息安全，设计方提出了采用美国联邦信息处理标准FIPS 140-2的加密技术，运行在FIPS模式下以确保足够的信息安全并防范网络攻击，保证核电站无线通信系统的信息安全。

基于Wi-Fi的无线通信系统所有的系统部件通过IP网络连接在一起，这是网络基础设施。便携式无线终端是移动设备，满足系统的基本需求。系统核心是IP调度通信服务器，它提供电话交换功能与调度能力。IP调度通信服务器与无线网络控制器和无线语音质量控制器构成主要控制单元。其中，无线网络控制器是无线系统基础设施的重要组成部分，而无线语音控制器确保语音质量不会受损[8]。

4 结束语

通信技术的高速发展和完善，极大地提升了生产生活中的沟通效率。EPRI充分认识到无线通信的积极作用，为了给核电工业提供在核电站中采用和部署无线通信系统的指南，在2002年，EPRI发布了电站无线技术指南，并在2006年对该指南进行了进一步的修订。在这个最新版本的技术报告中，EPRI提出在现代无线通信技术中，基于IEEE802.11标准的无线局域网WLAN是最适合大型工业设施应用条件下的技术；该报告进一步指出无线局域网上的语音应用VoWLAN是WLAN技术的三大应用之一，在核电站应用中，VoWLAN不仅可以提供员工之间的语音通信，而且还可以进一步集成到核电站的整体作业流程中，实现机器、设备的自动语音通报和报警。国内核电站第一次提出了将无线通信系统作为常规事务和应急处理时的首选通信方式，这是第三代核电技术AP1000的创新点之一。考虑到核电站无线通信解决方案的发展趋势、技术成熟与发展方向、终端及运营维护成本等因素，在核电站建设一套专用的低功率、低干扰、抗辐射的无线通信系统必将是国内核电站通信建设的发展方向。

[1]EPRI.Advanced Light Water Reactor, Utility Requirements Document, Volume III, ALWR Passive Plant[R].Revision 7, 1995, Palo Alto,CA.USA.

[2]NRC,AP1000 Design Control Document[R],Revision 15,Washington DC, USA.

[3]孙社文.无线市话“小灵通”技术剖析[J].北京工业职业技术学院学报，2004，4(3):14-17.（SUN Shewen.Technical Analysis on Personal Handyphone System (PHS) [J].Academic Journal of Beijing Polytechnic College, 2004, 4(3):14-17.）

[4]杜德强,钟诚.SCDMA无线接入技术[J].通信管理与技术，2004，2(1):3-4.（DU De-qiang, ZHONG Cheng.SCDMA Wireless Connection Technique[J].Communication Management and Techniques,2004, 2(1): 3-4.）

[5]周月臣.无线集群系统简介[J].江西通信科技，1994, 3:33-36.（ZHOU Yue-chen.Introduction to Wireless Trunking System [J].Jiangxi Communication Science and Technology, 1994,3:33-36.）

[6]江连山.McWiLL技术及其应用[J].电信技术，2007，7:22-25.（JIANG Lian-shan.McWiLL Technique and Its Applications [J].Telecommunication Technology, 2007, 7:22-25.）

[7]陈文周.WiFi技术研究及应用[J].数据通信，2008, 2:14-17.（CHEN Wen-zhou.Study and Application of WiFi Technique [J].Digital Communications, 2008, 2:14-17.）

[8]金怡初.秦山核电站的无线通信设计特点[J].上海电力学院学报，2009, 4(25):150-152.（JIN Yi-chu.Design Characteristics of Wireless Communication System in Qinshan NPP [J].Academic Journal of Shanghai Electric Power College, 2009, 4(25):150-152.）