TD-SCDMA专网技术在核电站的应用方案

王安义 邱园英

(西安科技大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

为了加快核电事业的发展，在核电站建立有效、安全、可靠的通信系统是非常必要的。然而，核电站对安全生产的要求非常严格。为了避免对仪控设备产生电磁干扰，在核岛区严禁使用任何民用手机、对讲机。在我国，核电站内部目前只能通过寻呼系统、固定电话系统等进行信息交互。随着无线通信的发展，原有技术的缺陷日益显现。因此，选择一种可靠的、能够满足核电站无线通信要求的新技术势在必行。

近年来，我国自主研发的TD-SCDMA技术在各行各业得到了广泛应用。大唐移动已经开发了应用于煤炭、海油、军事人防等行业的TD-SCDMA专网［1］。

1 核电站无线通信技术

1.1 对无线通信技术的要求

核电设施的安全运行对社会、经济和环境都具有重要意义，核电站对无线通信技术的应用有不同于常规场景的一些特殊要求，具体介绍如下。

①电磁兼容性。核电站无线技术应用重点解决的是电磁干扰问题。

核电站机电设备众多，存在大量电磁干扰源，可能会影响无线语音通信和运行管理［2］。更重要的是，无线设备发射的电磁波可能对核电站关键的机电设备造成干扰，影响仪表的正常读数。为了规避可能出现的风险，核电站划分为厂区和核岛区。在核岛区，如果有通信设备发射的电磁波干扰反应堆的运行，就有可能引起安全事故。

②多业务需求。核电站是复杂的工程系统，其运行和管理要求所布置的无线通信系统能满足语音通信、数据通信、安保监控、设备监测、无线传感、指挥调度等业务要求。

③可扩展性和可升级性。随着技术的进步和应用经验的积累，核电站可能将已安装的无线通信系统在业务种类和应用领域进行扩展，因此要求通信系统具有良好的可扩展性和可升级性。

1.2 无线通信技术应用分析

在大量测试、计算和论证的基础上，国外核电站已经有在核电站成功使用无线移动通信系统的先例［3］。下面对几种无线通信技术应用于核电站的可行性进行分析和比较。

①寻呼系统:寻呼系统具有信息容量大、及时可靠、便于携带、电池使用时间长以及信息发布方式多样化等优点。但是使用的寻呼机价格昂贵、备件缺乏，给系统运行带来很大危险;而且其只能显示16进制非汉字信息，不能准确表达机组状态、应急指令。

②数字增强无绳通信(digital enhanced cordless tele-commumications，DECT)技术:DECT主要是提供近距离(一般几十米到几百米)、低速率的移动通信能力，它的优点包括辐射功率小、手持机的电池寿命长且成本低。但由于市场规模小、发展方向不明确、终端及系统设备缺乏等因素，造成运营维护成本过高，不适合作为核电站的长期通信系统。

③短消息业务(cell broadcast service，CBS):该业务允许在一定的区域内将短消息广播给所有支持这一业务的移动台。它的特点是可以实时地向特定区域的客户以短消息的方式提供各类信息，客户接收到信息不需要发送确认信息［4］。但在3G网络中，CBS功能未被采用，且这种短消息业务不支持点对点的短消息。

④公共移动通信系统:此处指GSM/CDMA/3G等公共通信系统，这些系统能提供实时、双向的语音通信、数据通信及短信增值等业务［5］。

公共移动通信系统也有不足之处，例如不提供调度业务、不适合指挥调度;不具备用户优先级、排队、脱网工作、故障弱化、动态重组、遇忙自动回叫等功能，也不满足核岛区的通信要求。

⑤TD-SCDMA专网:基于3G技术的TD-SCDMA移动通信专网可以提供集语音通信、数据业务、远程监控、语音调度于一体的综合通信平台，提供高效的实时语音与数据传输服务［6］。

在实现这些功能的基础上，TD-SCDMA专网通过对协议的修改，实现了核岛区的无线通信，满足了核电环境对电磁兼容性的要求。

2 TD-SCDMA核电专网整体设计

2.1 TD-SCDMA核电专网的组成

本文借鉴大唐移动提出的TD-SCDMA矿用通信专网的设计方案，根据核电站的实际环境，设计了核电专网拓扑结构。

核电专网拓扑结构如图1所示。由核电专网的拓扑结构可知，核电专网主要包括TD终端、基站、综合接入控制设备TDR100、网关、NC5200、调度台、短消息中心、操作维护中心以及企业管理操作中心等设备。系统的容量可根据实际用户数量选取。

图1 核电专网拓扑结构Fig.1 Topological structure of the nuclear power private network

TDR100既是系统的综合接入控制设备，也是一种新型的小型化通信设备。该设备主要由信令控制单板、业务处理单板、接口板、小型机框组成，用于实现专网无线信号的接入与控制处理，核心网PS(分组交换)域的功能也集成到该设备中。基站主要实现系统的全信号覆盖，一般通过光纤接入，可根据场景的需求灵活组网。NC5200暂用于实现系统网络侧CS(电路交换)域的功能，后期系统经过升级，CS域的功能也可被集成到TDR100的单板中实现。网关的作用是实现专网与外部公网的互联。调度台主要实现以下几种功能。

①调度操作:呼叫、禁话、强插、强拆、代接、监听、组播、广播、会议等。

②监控功能:通过图标颜色和文字指示用户处于呼叫、振铃或通话状态。

③呼叫及通话:拨号呼叫、来电接听、多线路切换。

④管理功能:系统管理、分组管理、账号管理、权限管理、热线管理。

⑤短消息中心主要实现短消息业务与媒体彩信业务的收发控制。

2.2 专网的功能特色

TD-SCDMA专网无论是在技术的先进性、产品的稳定性、解决方案的领先性和实用性、技术支持和售后服务的完备性等方面，都优于其他厂商。核电专网系统具有众多的优势与系统特色，主要体现在以下几个方面。

①核电专网系统是一个综合性的移动通信系统，能同时提供优质的语音业务与高效的数据业务，实现两种业务间的综合调度。

②最大限度地将通信方式从有线变为无线，终端的可移动性极大地方便了调度台对人员的调度，扩大了调度范围，提高了调度效率。

③系统支持宽带数据和无线传感器的接入，可搭载人员定位、高清数据的传送等。

④通过网关，专网系统可平滑地接入到公网系统(PSTN/PLMN)，实现不同网络间的通信。

⑤系统对外提供开放的接口，便于客户在产品平台上开发不同的应用功能。

⑥系统采用的TD-SCDMA技术是主流的通信技术，可以确保专网系统始终处于技术前沿，而TD-SCDMA不断壮大的产业链结构，也可以促使产品降低成本。

⑦专网充分考虑了核电通信环境特点，通过同一套系统，采用不同的通信方式，满足不同区域的要求［7］。

⑧核电站专网与运营商网络平行，可以独立运行，运营商网络的业务结构变动不会影响专网的业务，专网不会频繁更改，保障应急系统稳定、可靠运行，终端可在两个网络中无缝切换，便于管理、调度。

3 TD-SCDMA核电专网解决方案

TD-SCDMA核电专网除了能够提供丰富的业务种类、具有良好的可升级性与可扩展性外，还解决了电磁兼容性问题。在厂区，手机可以进行正常通信;在核岛区，由于生产设备不能受到电磁干扰，故手机不能有任何上行发射信号(即零发射)，此时手机不能拨打电话。但为了保障通信的有效性，手机可以采用接收短消息这一低成本、高效率的通信方式。因此，本文主要研究并解决了以下两个问题。

①网络侧(主要指RNC侧)如何区分普通小区和零发射小区;

②位于零发射小区的终端如何接收短消息。

3.1 零发射小区解决方案

用户设备(user equipment，UE)开机正常驻留后，系统信息在广播控制信道(broadcast control channel，BCCH)上周期性广播，实时告知UE网络的具体情况。系统信息内容包括接入网和核心网的公共信息［8］。网络可通过寻呼系统通知主信息块(master information block，MIB)或系统信息块(system information block，SIB)的内容，并解读寻呼控制信道(paging control channel，PCCH)上的寻呼消息，通知UE系统信息是否发生改变。解决零发射的关键问题是如何判断UE是否进入核岛区，从流程上看，可以借用系统信息中的IE进行零发射小区以及非零发射小区的标志进行判断。在这种要求手机零发射的情况下，UE是需要定制的，因此在系统消息中可以对这种标志进行自定义。

①方案原理简述

在System Information Block 1中，参数“CN domain specific GSM-MAP NAS system infomation”［9］的保留字段(Spare)至今未用，因此可以考虑将该字段通过特殊赋值作为零发射小区的标志。比如约定:Spare部分配置为全1，则表示小区属于零发射小区，UE进入零发射模式。

参数“CN domain specific GSM-MAP NAS system information”的格式如表1所示。

表1 参数格式Tab.1 Format of parameter

②方案可行性分析

该方案不需要修改协议(目前R10的协议中，该字段仍未使用，后续使用的可能性比较小，所以不存在兼容性问题)，只要为保留字段赋一个标志零发射小区的特殊值就可以实现，但要求终端与网络侧进行约定，也就是要制定特殊终端。

3.2 短消息接收解决方案

传统的接收短消息过程与移动用户被叫的过程类似，短消息中心将收到的短消息发送给SMS-GMSC，SMS-GMSC通过归属位置寄存器(home location register，HLR)取得发送短消息所必需的路由信息，然后将短信传送给目的用户所在的移动交换中心(mobile switch center，MSC)，由MSC将短消息发送给手机［10］。在零发射小区，由于不存在上行发射，因此需要采用自定义的短消息流程。

①方案原理简述

如果需要向UE发送短消息，先通过寻呼过程，寻呼到 UE，UE根据寻呼指示信道(paging indicator channel，PICH)中的信息判断是否有自己的寻呼到达。然后在寻呼信道(paging channel，PCH)上读取信息，在传统的短消息接收过程中，UE会根据PCH携带的寻呼原因，发起无线资源控制(radio resource control，RRC)连接过程。在核岛场景下，UE只能接收不能发射，因此短消息直接在下行信道上携带。在Paging Type1消息中增加IE，指示UE在哪个信道的哪个时间段读取内容。短消息可以在PCH或者前向接入信道(forward access channel，FACH)上携带，考虑到目前的PCH配置一般都是一块，且PCH的容量比较小，因此选择短消息在FACH上携带。自定义的信令流程如图2所示。

图2 自定义的信令流程Fig.2 User-defined signaling flow path

②方案可行性分析

自定义的信令流程借鉴了现有的FACH数据发送方式，业务面只需少许改动就可支持;且FACH容量可配置，能够扩展应用到除短消息发送之外的其他场景，同时可以缩短时延。但该方案存在的缺点是终端需要实时监测FACH信道，耗电大，且对相关区域国际移动用户识别码(international mobile subscriber identification number，IMSI)的使用规划有相应要求。

4 结束语

为了提高核电站的运行效率，在核电站建立安全可靠的通信系统是十分必要的，然而目前应用于核电的寻呼系统面临着被取代的命运，因此将TDSCDMA技术应用于核电行业，充分体现了TDSCDMA技术应用的前瞻性、广泛性以及实用性。本文提出的方案理论上是可行的，但在实践之前，必须经过充分的测试验证，对数据进行合理分析，以得到严密的结论。

将我国拥有自主知识产权的3G技术应用于核电事业，不仅是积极响应国家提出的两化融合的号召，而且也将有效地促进我国核电事业的自主化发展。

［1］张谦，李睿.TD-SCDMA通信专网TDeN在煤炭行业的应用［J］.移动通信，2011，35(12):64 －68.

［2］毕道伟，章俊武.核电站无线技术应用及其关键问题研究［J］.自动化仪表，2010，31(9):47 －53.

［3］郑勇.无线通信技术在核电站的应用［C］//中国核能行业协会2008年中国核能可持续发展论坛论文集.北京:中国核能行业协会，2008:76 －80.

［4］Technical Specification Group.Technical Realization of Cell Broadcast Service(CBS)［S］.2011.

［5］韦惠民，李国民，暴宇.移动通信技术［M］.北京:人民邮电出版社，2006:150 －228.

［6］王友山.基于TD-SCDMA煤炭专网的移动性管理研究与实现［D］.西安:西安科技大学，2011.

［7］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，2009，25(2):150 －152.

［8］段红光，毕敏，罗一静.TD-SCDMA第三代移动通信系统协议体系与信令流程［M］.北京:人民邮电出版社，2006:164－166.

［9］Technical Specification Group.Network and Terminals Mobile Radio Interface Layer 3 Specification;Core Network Protocols［S］.2007.

［10］徐宏敏，李青，祝绘清，等.TD-SCDMA无线网络优化原理及方法［M］.北京:人民邮电出版社，2009:130－131.