核电领域无线通信技术应用研究

向新明?朱星?刘文玉?黄燕辉?陈振华

摘要：无线技术凭借着部署容易、建设成本低、适用环境广泛等优势，逐渐成为未来智慧核电网络发展及应用的重要方向。本文通过分析各无线技术优缺点，并结合核电实际应用需求，提出了核电领域无线网络方案。该方案满足核电领域法律法规监管、电磁兼容、人员定位、业务需求、网络安全等方面的要求。

关键词：无线技术；智慧核电；网络方案

向新明（1977-），男，中广核智能科技（深圳）有限公司，助理工程师，研究方向为通信、视频监控、智能化等；

朱星（1985-），男，中广核惠州核电有限公司，工程师，研究方向：通信工程；

刘文玉（1984-），男，中广核工程有限公司，工程师，研究方向为通信网络与安全；

黄燕辉（1984-），男，福建宁德核电有限公司，高级工程师，研究方向：通信与信息系统；

陈振华（1984-），男，山东招远核电有限公司，工程师，研究方向：核电领域无线通信。

随着电力系统设备向智能化发展，对传输网络提出了更高要求，高质量的网络连接和更便捷的网络通信成为未来发展的重要方向。目前大多数核电站的主通信手段以有线为主，但布线成本高、设计周期长、走线困难，严重限制了装置的移动范围，影响了产线柔性化。因此，难以解决大量设备的灵活接入和大范围移动的需求[1]。我国已有少数核电站对无线通信技术进行了探索和应用，例如阳江和红沿河核电站分别使用Wi-Fi和McWiLL技术实现了语音通信和数据传输。然而，考虑到未来智慧核电的发展需要，在远程控制、智能巡检、高清视频监控等应用中对网络时延和可靠性提出了更高要求，有必要结合实际情况，探索5G、Wi-Fi6等新型无线通信技术在核电领域的应用。

5G具备高带宽、低延时、大连接和高可靠的优势，在核电基地室外大面积覆盖、在系统时延要求敏感以及布线困难场景中可作为主要连接方式。Wi-Fi6以其灵活性可根据需求进行快速调整，可以满足核电基地对网络延时要求不高的接入场景。5G、Wi-Fi6等无线通信技术都有各自的最佳应用场景，在合理选用的情况下，可以实现核电基地的无线信号全覆盖，达到提高通信传输效率、降低网络时延、提高生产和管理效率的效果。

一、常用无线通信技术对比分析

工业互联网中，5G、Wi-Fi6、ZigBee、NB-IoT、LoRa、蓝牙等无线技术成为连接传输层的重要技术。

5G：具有三大突出性能，即高带宽、低时延和广泛连接能力。5G与通信、计算、控制、智能等功能结合，适应现代工业社会不同场景的需求，并革新生产和服务体系。

Wi-Fi6：从设计之初，就针对高密度无线接入和高容量无线业务进行了优化。适用于户外的大型公共场所、高密会议室、室内高密无线办公、电子教室等应用场景。

ZigBee：是一种低速短距离传输的无线通信技术，具有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑结构、简单、快速、可靠、安全等特點。

NB-IoT：支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等特点。且NB-IoT使用授权频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，并可与现有网络共存。

LoRa：适用低功耗、远距离、大规模连接和位置跟踪等物联网应用，例如智慧停车、车辆追踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等场景。

蓝牙：蓝牙技术的最大的优点是不依赖于外部网络、速率快、低功耗，安全性高。只要有手机和智能设备，就能保持稳定的连接。其缺点是不能直接连接云端、传输速度比较慢、组网能力比较弱、而且网络节点少，不适合多点布控。

无线技术详细对比如下表1所示：

综上，虽然ZigBee、LoRa、蓝牙等微功率短距离技术或NB-IoT低功耗无线技术具有很多优点，但由于低速数据传输、隐私和安全性低、抗干扰性差等问题，限制了其发展。采用5G和Wi-Fi6作为基础网络选型的主要技术，才能更好地满足核电业务功能及信号覆盖需求。

二、核电领域无线网络需求分析

（一）信息安全需求

信息安全问题是对无线技术在核电厂应用的一大考验，目前数字化仪控系统的应用已经为核电厂的安全提供了全新的考验，而无线技术的应用也会使这种风险进一步扩大。无线技术的应用不仅要克服原有的安全难题，同时还要克服基于无线系统的特殊性而产生的新的安全难题，如利用同频干扰、地址冲突、环境噪声干扰等问题。当占用同一频带的两个不同的无线协议相互接近时就可能产生干扰，通过监测信号强度、载波感知时间和数据包发送率等参数来检测干扰，扩频和调频技术已经证实可以有效地对抗干扰[2]。

（二）电磁兼容需求

核电领域电力系统由大量一次和二次设备组成，同时还存在许多的重要敏感控制系统与设备。其特殊的电磁环境中存在着多种电磁干扰和相互作用。随着电力系统向电压等级更高、容量更大、系统更复杂、设备更先进的方向发展，电力系统间产生的电磁干扰更为严重。因此，在核电领域进行无线网络建设前，有必要分析网络干扰情况，并进行电磁兼容分析，明确基站、终端无线信号对设备的干扰程度，并采取相应功率控制措施来规避干扰风险。

（三）终端定位需求

作为对工作、人员、安全等方面的重要管理需求，定位功能将在各个领域得到广泛应用。通过高精度的定位功能，可以有效地实现前端工作人员管理、办公区域划分指引、设备物资监控、运输物流定位、应急响应时人员定位等功能。但另一方面涉及现场工作人员的隐私问题，对其佩戴设备是否需要定位功能要考虑实际运用权限。此外，针对地下、隧道等复杂条件下的三维定位需求，由于定位技术和施工条件等因素影响，需要根据实际情况进行设计和规划。一般场所的定位需求是要将位置定位到房间级别，在高辐射区域的需求可能需要更高的定位精度，如小于1米。

（四）应用功能需求

按照核电站全生命周期管理的思路，核电站其主要阶段分为项目前期、工程建设期、生产运营期、延寿或退役等五个阶段，这五大阶段都是全生命周期中不可分割的一部分。对于核电无线通信应用来讲，主要运用于工程建设期和生产运营期等进程，并且每个阶段根据参与单位、组织架构、管理模式等方面都具有不同的应用需求。尤其是组织分工和持续的业务流程优化，在核电站的每个阶段进行，决定了这种无线通信应用在核电站中的发展方向。

（五）基本通信需求

语音通话和短信是核电领域必须功能。人员通话包括工作人员通过手机或者其他通信设备进行一对一的即时通话，也包括语音组呼、广播组呼等多人群组通话，主要运用于现场工作交流、沟通、指挥以及临时会议讨论等场景。短信通信是用户通过手机或其他电信终端直接发送或接收的文字或数字信息。主要运用于信息提醒、资料传输、会议通知等场景。

三、核电领域无线网络方案选取

国家监管文件禁止在生产控制大区部署无线网络，同时为满足核电隔离要求，无线网络应采用独立组网方式。因此，各基地结合自身实际情况，可采用5G、Wi-Fi6或5G+Wi-Fi6的方案。5G方案可采用基地独立核心网方式或集团统一核心网方式。基地独立核心网方式，需要在基地单独部署核心网，实现业务数据和控制信令不出基地，保证数据安全，核心网采用简化版配置，主要功能保留，但配置降低。集团统一核心网方式，需要在集团统一部署5G核心网控制面，可以分权分域管理，基地部署应急CP（应急控制面）、UPF（用户面功能）和MEC（移动边缘计算），保证业务数据不出基地，同时实现基地独立成活。基地Wi-Fi6方案，需要基地室内室外独立建设Wi-Fi6网络，业务数据和控制信令不出基地。基地5G+Wi-Fi6方案，需要室内建设Wi-Fi6网络，对时延、可靠性要求较高的区域部署5G网络，室外部署5G网络，基地可以独立建设核心网保证业务数据和控制信令不出基地，也可以与集团统一核心网控制面连接。同时配置融合通信平台，打通各异构网络，融合各种通信，满足核电区域语音、短信、视频等通信需求。

5G网络接入的各类终端由集团原有统一接入认证平台实现接入认证，Wi-Fi6网络接入终端由Wi-Fi6控制系统实现接入认证，或通过Wi-Fi6控制系统与集团统一接入认证平台对接，实现应用企业原有账号和认证体系进行统一接入认证。

（一）网络安全方案

根据“一个中心，三重防护”思想进行设计[3]。要求安全建设包括安全物理环境、安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境、安全管理中心部分。其中安全物理环境由机房基建完成，应重点关注安全通信网络、安全区域边界、安全计算环境、安全管理中心部分。

安全通信网络主要由核心、汇聚、接入交换机等设备组成；安全区域边界主要由出口安全边界、无线网络接入区边界组成，用于限制未经授权的访问和保护网络资源的安全；计算环境主要由业务系统（融合通信）等业务构成；安全管理中心主要由网管系统、准入网关、态势感知、漏洞扫描、防病毒、主动防御、无线AC、5G核心网等构成；

核心、汇聚、接入层设备上，通过VLAN+ACL对不同类型业务进行逻辑隔离；边界安全区根据需要分别部署防火墙、物断单导等安全隔离设施；以及对重要网络设施采用冗余备份设置。可以提高网络的安全性和可靠性。

（二）功率控制方案

支持按地图区域来管理的模式，管理人员可对指定区域进行电磁功率控制，每一个宽带接入基站可以设置其覆盖区域内终端的发射功率，实现按区域控制终端功率的功能；配置灵活简便，管理员可根据核电站运行的状态，快速配置对应的电磁管理要求，终端在进入限制区域后自动切换到对应工作模式中，确保手机的电磁兼容安全性以及通信业务功能。手机支持在各区域之间自由切换，切换算法确保设备优先切入到高安全级别区域的工作状态，以最大限度满足核电站用户的安全需求。

（三）终端定位方案

Wi-Fi定位：采用Wi-Fi融合UWB技术，通过发送纳秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据，并通过计算电波返回时间测算设备距离，测距精度可达亚米级。

5G定位：室外定位采用RTT技术来实现高精度定位。在进行室外多站环境下的定位技术布局时，终端可以与3个基站之间相互传送参考信号，通过计算接收端与发射端之间的时间差得出RRT。室内定位采用5G+UWB（超宽带）/蓝牙AoA（角度测量）的高精度定位方案。UWB/蓝牙AoA基站数据经过5G智能室分系统（BBU、PB和PRRU）进行处理，最终传输到MEC（边缘计算）定位上部署的定位解算服务。室外定位，通过测量终端与基站之间的RTT，可以获得较高的定位精度。室内定位则采用UWB或蓝牙AoA技术，这些技术可以提供更高的精度和可靠性，适用于密集的室内环境。

（四）融合通信方案

采用包括即时通信系统的融合通信平台实现了移动终端、固定电话、视频监控、视频会议等融合互通，是目前行业用户应急和生产通信的通用成熟解决方案。融合通信可部署在核电基地，具有独立成活功能，当多个基地均部署时可相互实现灾备。

四、核电领域无线网络建设建议

由新型无线网络技术、大数据、工业互联网等新兴技术撬动的新革命正在“全面开花”，占据国民经济半壁江山的工业数字化早已蓄势待发，传统专网技术限制，公网安全性能缺乏，生产需求爆炸增长，现有部署网络已无法高效支撑核电工业发展，并隐隐呈现阻碍作用。

五、结束语

仔细梳理核电领域专网应用场景，研究核电领域生产需求，通过仿真分析、测试验证计算带宽需求，在合理利用频谱资源的前提下，搭建完全匹配核电工业生产需求的核電无线专网，助力工业数字化转型。

作者单位：向新明 中广核智能科技（深圳）有限公司朱星 中广核惠州核电有限公司

刘文玉 中广核工程有限公司

黄燕辉 福建宁德核电有限公司

陈振华 山东招远核电有限公司

参  考  文  献

[1]陈亿根，尹晓峰等．5G+工业互联网应用实践[J]，中兴通讯技术，2020（06）：2-6．

[2][出版者不详].无线技术在核电厂的应用研究[EB/OL].（2021-3-22）[2022.11.7].https：//www.cnnpn.cn/article/23830.html

[3]GB/T 22239-2019.信息安全技术网络安全等级保护基本要求[S].