Wi—Fi、LTE、UWB等技術在大亞灣核電站應用的可行性分析

奚奇++周強++穆昌洪++胡純

【摘 要】大亞灣核電站目前使用的通訊技術為無線尋呼技術，存在技術落后、維護難度大的問題，且該技術只能單向尋呼，不能建立雙向實時連接，極大降低了工作效率，亟需改進。Wi-Fi、LTE、UWB等成熟無線通訊技術具有易于維護、雙向數據傳輸的優點，為上述問題提供了良好的解決方案。論文首先對大亞灣核電站重要敏感區域進行了電磁兼容測試，其次調研了國內外核電站現有的無線通訊技術概況，最后在此基礎上探究了上述幾種無線通訊技術在大亞灣核電站應用的可行性。分析結果表明：在核電站重要敏感區域部署UWB基站，其余地區部署LTE微基站以替代無線尋呼系統是一種可行的方案。

【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.

【關鍵詞】無線通訊技術；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】TN914 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）10-0192-05

1 引言

大亞灣核電站是中國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使用的是無線尋呼技術[1]。隨著系統的長期運行老化，該技術存在技術落后、維護困難、成本高昂等問題；且由于無線尋呼系統僅可單向聯系，無法建立雙向實時連接，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是當前大亞灣核電站面臨的一個重要課題。隨著通訊技術的發展，Wi-Fi、LTE、UWB等技術趨于成熟，在許多工業場所得到了廣泛應用。上述技術具有易于維護、實時高效、雙向數據傳輸的特點，能夠彌補無線尋呼技術的缺陷[2]。因此，研究上述無線通訊技術在大亞灣核電站實際應用的可行性具有十分重要的意義。

本文首先對大亞灣基地各電站重要敏感設備進行LTE技術的電磁兼容測試，在此基礎上對比了原有無線尋呼技術與LTE技術指標，得出電磁兼容的技術要求，其次調研國內外核電站新電站無線通訊技術的概況，最后通過比較Wi-Fi、LTE、UWB等技術的技術特點，對上述技術在大亞灣基地各電站的應用進行可行性分析。

2 大亞灣核電站電磁兼容技術要求

大亞灣基地各電站使用的無線尋呼技術均由摩托羅拉提供，接收機與民用無線尋呼機通用，僅可接受數字和中英文字符信息。其基站分廠內和廠外兩種，廠內區域基站頻率280MHz，限制功率5W。該技術在大亞灣核電站長期穩定運行，未出現過電磁干擾的現象[1]。

2015年中國廣核集團對大亞灣基地各電站重要敏感區域進行了LTE模擬終端的離線、在線測試。測試頻率1755～1805MHz，測試區域包括L609/W609/W228/MB502等房間

的23個系統共計87個設備。測試使用的微基站輸出功率限制200mW以下，距離機柜設備5米，模擬終端距離機柜0.1米[3]。

離線測試時未發現測試基站對設備有干擾，但當模擬終端輸出功率10mW時有22個設備受到干擾；輸出功率1mW時有9個設備受到干擾；輸出0.1mW時無設備受到干擾。其中最易受到干擾的設備為嶺澳核電站L609房間的KRG142AR機柜（影響R棒調節）。在線測試AHP、RGL、RPN、GRH、KRG、ARE、GME、GEX等系統的敏感設備，通過限制模擬終端輸出0.1mw以下的發射功率，未發現電磁干擾現象。endprint

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

λ=c/f（1）

式中：

λ——波長，單位m；

c——光速，常量，約等于3×108m/s ；

f——頻率，單位Hz；

計算可知無線尋呼技術使用的波長為1.07m，一般認為半徑3λ之外的空間范圍為遠區場，而已知在理想條件下（自由空間傳播、遠場測量條件），無線電發射機的發射功率和場強的轉換關系如公式（2）[2]：

E=■ （2）

式中：

E——電場強度，單位V/m；

k——常數，在遠場自由空間傳播時其值等于7；

P——有效輻射功率，單位為W；

d——測量距離，指天線和測量點之間的距離，單位為m；

計算可知， KRG142AR機柜在無線尋呼技術下的理論場強約為0.784V/m，該值低于國標中抗擾度實驗等級1級的要求，屬低電平電磁輻射環境。而計算得LTE發射波長為0.17m，距離LTE基站5m處的場強為0.626V/m，低于無線尋呼技術在該機柜的理論場強。因此理論上限制發射功率200mW以下，距離機柜5米以上的基站不會對設備造成干擾。而模擬終端距離設備只有0.1m，不適用遠場公式，經現場實測確定輸出功率限制0.1mW以下不會發生電磁干擾現象。

綜上所述，基站限制200mW以下，距離設備5m以上，終端限制0.1mW以下，距離設備0.1m以上不會對重要敏感區域的設備造成電磁干擾。

3 國內外核電站通訊技術概況

經過充分調研，國內外核電站新電站通訊技術概況如表1所示。

從1表可以看出，隨著通訊技術的進步，國內外核電站的趨勢是淘汰無線尋呼技術并逐步引進Wi-Fi等新型無線通訊技術，這為大亞灣核電站通訊技術的升級換代提供了思路。

4 Wi-Fi、LTE、UWB等技術在核電站的應用分析

4.1 Wi-Fi、LTE、UWB等技術特點分析

4.1.1 Wi-Fi技術特點

Wi-Fi （Wireless Fidelity，無線保真）技術是一個基于IEEE 802.11系列標準（WLAN，無線局域網絡）的無線網路通信技術的品牌，目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性，由Wi-Fi聯盟（Wi-Fi Alliance）所持有。Wi-Fi是一種短距離無線技術，其使用的2.4GHz頻段屬于無需許可的無線頻段，迄今為止已經發展了五代標準：

第一代：1997年推出的IEEE 802.11標準，只使用2.4GHz，最大傳輸速率2Mbps。

第二代：1999年推出的IEEE 802.11b標準，只使用2.4GHz，最大傳輸速率11Mbps。

第三代：2002年推出的IEEE 802.11g/a標準，使用2.4GHz和5GHz，最大傳輸速率54Mbps。

第四代：2009年推出的IEEE 802.11n標準，使用2.4GHz和5GHz，最大傳輸速率600Mbps。

第五代：2012年推出的IEEE 802.11ac標準，只使用5GHz，最大傳輸速率1Gbps。

4.1.2 LTE技術特點

LTE是由3GPP組織制定的UMTS（通用移動通信系統）技術標準的長期演進，于2004年12月在3GPP多倫多會議上正式立項并啟動。LTE系統引入了OFDM（正交頻分復用）和MIMO（多輸入多輸出）等關鍵技術，顯著增加了頻譜效率和數據傳輸速率（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上，同時支持多種帶寬分配方式，其頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也顯著提升。

4.1.3 UWB技術特點

UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術[3]，可以利用納秒級窄脈沖發射無線信號，通常定義為帶寬在500MHz 以上或帶寬中心頻率20%以上的信號。UWB技術通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的范圍內實現數百Mbps至數Gbps的數據傳輸速率。UWB技術具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、發送功率極低等諸多優勢，主要應用于室內通信、高速無線局域網、位置測定等領域。

由于UWB與傳統通信技術相比，工作原理迥異，因此UWB具有如下傳統通信技術無法比擬的技術特點：

①簡單的系統結構： UWB技術不使用載波，極大簡化了系統結構，降低了成本。

②高速的數據傳輸：UWB技術在10m以內的傳輸范圍，其傳輸速率可達480Mbps。

③極低的功耗：UWB 系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百微瓦至幾毫瓦。因此，UWB 設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統無線設備有著極大的優越性。

4.1.4 Wi-Fi、LTE、UWB等技術對比

Wi-Fi、LTE、UWB等技術具體性能參數見下表2。

4.2 Wi-Fi、LTE、UWB等技術在核電站應用的可行性分析

4.2.1 Wi-Fi可行性分析

隨著Wi-Fi標準的不斷更新，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。

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

4.2.2 LTE可行性分析

LTE網絡的典型使用環境下宏基站發射功率高達20W（43dBm），終端功率0.2W，覆蓋范圍500m，遠遠超過Wi-Fi網絡。但根據大亞灣基地各電站實測結果，如果部署小型LTE網絡（基站功率限定200mW以下，終端功率限制0.1mW以下），并不會對重要敏感區域的設備造成電磁干擾。盡管基站和終端功率的大幅度降低造成覆蓋范圍和信號強度的大幅度降低，但只要合理布置基站位置，規范終端使用方式，LTE技術在大亞灣核電站重要敏感區域的應用是可行的。

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，且帶寬更大，容易與其他信息設備發生電磁干擾，因此FCC限定其發射功率不得超過-41.3dBm/MHz，該標準低于FCC對個人電腦和家電設備的電磁噪音限制，且低于《GB/T 12572-2008 無線電發射設備參數通用要求和測量方法》規范中對30MHz以上短距離設備雜散域發射功率-30dBm/MHz的限制。以FCC限定的最大發射功率計算，單一UWB信道整體發射功率-14.3dBm，約合0.037mW，遠遠低于Wi-Fi、LTE基站及終端的發射功率。

第二， 場強分析。根據《GB17999.4-2012 電磁兼容 通用標準 工業環境中的發射》規范中對3～6GHz發射源的場強限值要求為測量距離3m時發射峰值不高于80dB（μV/m）。以3GHz為例，UWB發射波長為0.1m。

已知在理想條件下（自由空間傳播、遠場測量條件），電場強度、測量距離、等效全向輻射功率參量之間的相互轉換關系如公式（3）：

E=■ （3）

式中：E——電場強度，單位V/m；

D——測量距離，指無線電發射設備和測量點之間的距離，單位為m；

e.i.r.p——等效全向輻射功率，單位為W；

計算可得電場強度為0.011V/m。又知電場強度單位V/m和dBμV/m的轉換關系是：

E（dBμV/m）=120+20lgE（V/m）

計算可知，UWB在最大發射功率情況下其電場強度僅為80.92dB（μV/m） ，僅略高于工業環境中使用的電氣和電子設備（非無線電設備）發射的通用標準80dB（μV/m） 。

綜上所述，考慮到UWB相比于LTE，其總發射功率更小、通訊帶寬更寬，最大發射功率水平也僅略高于電磁噪聲要求，因此幾乎不會對核電站設備造成電磁干擾。同時由于其優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更具優勢。但是考慮到UWB技術成本較高且最佳通訊范圍僅有10m，建議僅在重要敏感區域部署，如保護組房間W602/603/607/609。

5 結論

本文在大亞灣核電站電磁兼容測試結果的基礎上，結合Wi-Fi、LTE、UWB等通訊技術的特點，對Wi-Fi、LTE、UWB等技術在大亞灣核電站的適用情況進行分析，結果表明：

①受限于核電站的電磁兼容限制，Wi-Fi技術在核電站重要敏感區域不適用。

②限定功率的小型LTE網絡經過實測能夠滿足重要敏感區域的使用要求，可以推廣至核電站大部分廠區的部署。

③UWB技術比LTE技術有著更低的發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：在重要敏感區域部署UWB基站作為無線尋呼系統的替代，其余廠房可統一部署LTE微基站。

【參考文獻】

【1】GB/T 17624.1-1998電磁兼容 綜述 電磁兼容基本術語和定義的應用與解釋[S].

【2】GB/T17626.3-2006電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗[S].

【3】IEEE 802.15.4-2011 - IEEE Standard for Local and metropolitan area networks——Part 15.4： Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）[S].endprint