Wi―Fi、LTE、UWB等技术在大亚湾核电站应用的可行性分析.docx

WiFi、LTE、UWB等技术在大亚湾核电站应用的可行性分析 【摘 要】大亚湾核电站目前使用的通讯技术为无线寻呼技术，存在技术落后、维护难度大的问题，且该技术只能单向寻呼，不能建立双向实时连接，极大降低了工作效率，亟需改进。Wi-Fi、LTE、UWB等成熟无线通讯技术具有易于维护、双向数据传输的优点，为上述问题提供了良好的解决方案。论文首先对大亚湾核电站重要敏感区域进行了电磁兼容测试，其次调研了国内外核电站现有的无线通讯技术概况，最后在此基础上探究了上述几种无线通讯技术在大亚湾核电站应用的可行性。分析结果表明：在核电站重要敏感区域部署UWB基站，其余地区部署LTE微基站以替代无线寻呼系统是一种可行的方案。 下载 【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 improy maintenance and two-way data transmission which provide a good solution for solving above-mentioned probltions 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 Staty 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 Stat键词】无线通讯技术；大亚湾核电站；可行性分析 【Keywords】wireless communication technology； Daya Bay Nuclear Power Station； feasibility analysis 【中图分类号】TN914 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）10-0192-05 1 引言 大亚湾核电站是中国大陆第一座大型商用核电站。目前，大亚湾核电站全厂通讯技术使用的是无线寻呼技术。随着系统的长期运行老化，该技术存在技术落后、维护困难、成本高昂等问题；且由于无线寻呼系统仅可单向联系，无法建立双向实时连接，极大降低了工作效率。因此寻找一种能够解决上述问题的通讯技术是当前大亚湾核电站面临的一个重要课题。随着通讯技术的发展，Wi-Fi、LTE、UWB等技术趋于成熟，在许多工业场所得到了广泛应用。上述技术具有易于维护、实时高效、双向数据传输的特点，能够弥补无线寻呼技术的缺陷。因此，研究上述无线通讯技术在大亚湾核电站实际应用的可行性具有十分重要的意义。 本文首先对大亚湾基地各电站重要敏感设备进行LTE技术的电磁兼容测试，在此基础上对比了原有无线寻呼技术与LTE技术指标，得出电磁兼容的技术要求，其次调研国内外核电站新电站无线通讯技术的概况，最后通过比较Wi-Fi、LTE、UWB等技术的技术特点，对上述技术在大亚湾基地各电站的应用进行可行性分析。 2 大亚湾核电站电磁兼容技术要求 大亚湾基地各电站使用的无线寻呼技术均由摩托罗拉提供，接收机与民用无线寻呼机通用，仅可接受数字和中英文字符信息。其基站分厂内和厂外两种，厂内区域基站频率280MHz，限制功率5W。该技术在大亚湾核电站长期稳定运行，未出现过电磁干扰的现象。 2015年中国广核集团对大亚湾基地各电站重要敏感区域进行了LTE模拟终端的离线、在线测试。测试频率17551805MHz，测试区域包括L609/W609/W228/MB502等房间 的23个系统共计87个设备。测试使用的微基站输出功率限制200mW以下，距离机柜设备5米，模拟终端距离机柜0.1米。 离线测试时未发现测试基站对设备有干扰，但当模拟终端输出功率10mW时有22个设备受到干扰；输出功率1mW时有9个设备受到干扰；输出0.1mW时无设备受到干扰。其中最易受到干扰的设备为岭澳核电站L609房间的KRG142AR机柜（影响R棒调节）。在线测试AHP、RGL、RPN、GRH、KRG、ARE、GME、GEX等系统的敏感设备，通过限制模拟终端输出0.1mw以下的发射功率，未发现电磁干扰现象。 以岭澳核电站L609房间的KRG142AR机柜为例，最近的无线寻呼基站位于W601房间，从基站至KRG142AR机柜直?距离约20m。LTE发射波长的计算方法如公式（1）： =c/f（1） 式中： 波长，单位m； c光速，常量，约等于3108m/s ； f频率，单位Hz； 计算可知无线寻呼技术使用的波长为1.07m，一般认为半径3之外的空间范围为远区场，而已知在理想条件下（自由空间传播、远场测量条件），无线电发射机的发射功率和场强的转换关系如公式（2）： E= （2） 式中： E电场强度，单位V/m； k常数，在远场自由空间传播时其值等于7； P有效辐射功率，单位为W； d测量距离，指天线和测量点之间的距离，单位为m； 计算可知， KRG142AR机柜在无线寻呼技术下的理论场强约为0.784V/m，该值低于国标中抗扰度实验等级1级的要求，属低电平电磁辐射环境。而计算得LTE发射波长为0.17m，距离LTE基站5m处的场强为0.626V/m，低于无线寻呼技术在该机柜的理论场强。因此理论上限制发射功率200mW以下，距离机柜5米以上的基站不会对设备造成干扰。而模拟终端距离设备只有0.1m，不适用远场公式，经现场实测确定输出功率限制0.1mW以下不会发生电磁干扰现象。 综上所述，基站限制200mW以下，距离设备5m以上，终端限制0.1mW以下，距离设备0.1m以上不会对重要敏感区域的设备造成电磁干扰。 3 国内外核电站通讯技术概况 经过充分调研，国内外核电站新电站通讯技术概况如表1所示。 从1表可以看出，随着通讯技术的进步，国内外核电站的趋势是淘汰无线寻呼技术并逐步引进Wi-Fi等新型无线通讯技术，这为大亚湾核电站通讯技术的升级换代提供了思路。 4 Wi-Fi、LTE、UWB等技术在核电站的应用分析 4.1 Wi-Fi、LTE、UWB等技术特点分析 4.1.1 Wi-Fi技术特点 Wi-Fi （Wireless Fidelity，无线保真）技术是一个基于IEEE 802.11系列标准（WLAN，无线局域网络）的无线网路通信技术的品牌，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有。Wi-Fi是一种短距离无线技术，其使用的2.4GHz频段属于无需许可的无线频段，迄今为止已经发展了五代标准： 第一代：1997年推出的IEEE 802.11标准，只使用2.4GHz，最大传输速率2Mbps。 第二代：1999年推出的IEEE 802.11b标准，只使用2.4GHz，最大传输速率11Mbps。 第三代：2002年推出的IEEE 802.11g/a标准，使用2.4GHz和5GHz，最大传输速率54Mbps。 第四代：2009年推出的IEEE 802.11n标准，使用2.4GHz和5GHz，最大传输速率600Mbps。 第五代：2012年推出的IEEE 802.11ac标准，只使用5GHz，最大传输速率1Gbps。 4.1.2 LTE技术特点 LTE是由3GPP组织制定的UMTS（通用移动通信系统）技术标准的长期演进，于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）等关键技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（下行峰值速率为100Mbps，上行为50Mbps）。LTE在支持全球主流2G/3G频段和一些新增频段的基础上，同时支持多种带宽分配方式，其频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖也显著提升。 4.1.3 UWB技术特点 UWB（Ultra Wideband）是一种无载波通信技术，可以利用纳秒级窄脉冲发射无线信号，通常定义为带宽在500MHz 以上或带宽中心频率20%以上的信号。UWB技术通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10米左右的范围内实现数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。UWB技术具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、发送功率极低等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线局域网、位置测定等领域。 由于UWB与传统通信技术相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信技术无法比拟的技术特点： 简单的系统结构： UWB技术不使用载波，极大简化了系统结构，降低了成本。 高速的数据传输：UWB技术在10m以内的传输范围，其传输速率可达480Mbps。 极低的功耗：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几毫瓦。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着极大的优越性。 4.1.4 Wi-Fi、LTE、UWB等技术对比 Wi-Fi、LTE、UWB等技术具体性能参数见下表2。 4.2 Wi-Fi、LTE、UWB等技术在核电站应用的可行性分析 4.2.1 Wi-Fi可行性分析 随着Wi-Fi标准的不断更新，Wi-Fi的典型工作频段已划分为2.4GHz与5GHz两种。频率越高，传输速率越快，但传输损耗也越大，覆盖范围越小。 核电站的实际通讯速率要求在2.4GHz工作频段上已可满足，此时Wi-Fi基站的发射功率小于20dBm（100mW），典型使用范围不超过100米，基本不会对电站造成干扰。但实际使用时考虑到Wi-Fi终端设备的发射功率仍有10dBm（10mW），当工作人员携带终端靠近重要敏感区域的设备时，仍有可能造成电磁干扰。因此，Wi-Fi技术在大亚湾核电站重要敏感区域不适用。 4.2.2 LTE可行性分析 LTE网络的典型使用环境下宏基站发射功率高?_20W（43dBm），终端功率0.2W，覆盖范围500m，远远超过Wi-Fi网络。但根据大亚湾基地各电站实测结果，如果部署小型LTE网络（基站功率限定200mW以下，终端功率限制0.1mW以下），并不会对重要敏感区域的设备造成电磁干扰。尽管基站和终端功率的大幅度降低造成覆盖范围和信号强度的大幅度降低，但只要合理布置基站位置，规范终端使用方式，LTE技术在大亚湾核电站重要敏感区域的应用是可行的。 4.2.3 UWB可行性分析 第一， 功率分析。UWB由于其工作频段较高，且带宽更大，容易与其他信息设备发生电磁干扰，因此FCC限定其发射功率不得超过-41.3dBm/MHz，该标准低于FCC对个人电脑和家电设备的电磁噪音限制，且低于GB/T 12572-2008 无线电发射设备参数通用要求和测量方法规范中对30MHz以上短距离设备杂散域发射功率-30dBm/MHz的限制。以FCC限定的最大发射功率计算，单一UWB信道整体发射功率-14.3dBm，约合0.037mW，远远低于Wi-Fi、LTE基站及终端的发射功率。 第二， 场强分析。根据GB17999.4-2012 电磁兼容 通用标准 工业环境中的发射规范中对36GHz发射源的场强限值要求为测量距离3m时发射峰值不高于80dB（V/m）。以3GHz为例，UWB发射波长为0.1m。 已知在理想条件下（自由空间传播、远场测量条件），电场强度、测量距离、等效全向辐射功率参量之间的相互转换关系如公式（3）： E= （3） 式中：E电场强度，单位V/m； D测量距离，指无线电发射设备和测量点之间的距离，单位为m； e.i.r.p等效全向辐射功率，单位为W； 计算可得电场强度为0.011V/m。又知电场强度单位V/m和dBV/m的转换关系是： E（dBV/m）=120+20lgE（V/m） 计算可知，UWB在最大发射功率情况下其电场强度仅为80.92dB（V/m） ，仅略高于工业环境中使用的电气和电子设备（非无线电设备）发射的通用标准80dB（V/m） 。 综上所述，考虑到UWB相比于LTE，其总发射功率更小、通讯带宽更宽，最大发射功率水平也仅略高于电磁噪声要求