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电力线加密通信系统研究
[ 通信界 / 陈阳  林东 / www.cntxj.net / 2019/11/18 11:26:50 ]
 

  摘要: 电力线通信目前用途广泛,具有广阔的市场前景。但由于存在信息安全问题以及通过复杂信道的误 码问题,需通过在信源端选择加密算法来对原始信息进行加密.


  电力线通信以电力网作为传输信道,在网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间实现数据传递和信息交换,具有不用布线、覆盖范围广、连接方便、功能灵活、安装便捷和扩展容易等显著特点,可广泛应用于智能小区系统、远程抄表系统、家居智能化系统等,是“智能电网”的重要通信方式之一。
  
  但由于电力线通信信道是一个公开的信道,其信息传递过程中的安全性得不到有效的保障,因此进行加密通信显得十分重要,并且由于加密后的信息在通过复杂的电力线信道时存在误码问题,在解码后会造成误码的雪崩效应,因此还需进行信道编码。通过信源加密及信道编码能够有效地提高低压电力线载波通信系统在通信过程中的安全性,提高了通信的可靠性。
  
  1.电力线载波通信原理
  
  电力线载波(PLC)是电力系统特有的、基本的通信方式,电力线载波通信是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。该技术将信号传输到电力线上,该信号是经高频载波调制后的信号。电力线载波通信系统的基本原理如图1所示,智能设备发送数据到载波收发器上进行调制,经耦合器将信号耦合到电力线上进行传输,接收端同理通过耦合器接收信号,经过载波收发器解调后发送给智能设备。
  
  2.DES加密算法原理
  
  DES加密算法是由IBM公司在1977年提出的,其使用64位(bit)的数据进行加密和解密,所用的密钥也是64位(其中56位参与运算),并被美国国家标准局宣布为数据加密标准DES,主要用于非国家保密机关。
  
  DES对64位明文分组进行操作。通过一个初始置换,将明文分组分成左半部分和右半部分,各32位长,然后进行16轮完全相同的运算,这些运算被称为函数f,在运算过程中数据与密钥结合。经过16轮后,左、右半部分合在一起经过一个末置换(初始置换的逆置换),算法就完成了。在每一轮中,密钥位移位,然后再从参与运算的56位密钥中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位,并通过一个异或操作与48位密钥结合,通过8个S盒将这48位替代成新的32位数据,再将其置换一次。这四步运算构成了函数f。然后,通过另一个异或运算,函数f的输出与左半部分结合,其结果即成为新的左半部分。将该操作重复16次,便实现了DES的16轮运算。
  
  3.汉明码编码原理
  
  汉明码是在电信领域的一种线性调试码,以发明者理查德.卫斯里•汉明的名字命名。汉明码在传输的消息流中插人验证码,以侦测并更正单一比特错误。汉明码的纠错能力t=1,二进制汉明码n和k服从以下规律(/^)=(2n,-1.2Hi-l-/;;)⑴式1中,m=n-k,当m=3,4,5,6,7,8……时,有(7,4),(15,11),(31,26),(63,57),(127,120),(255,247)……汉明码。以(7,4)汉明码为例,设其码字为A=[a6,a5,a4,a3,a2,aj,ao],前4位是信息兀,后3位是监督元,可用下列线性方程组来描述该分组码产生监督元。
  
  显然,这三个方程是线性无关的,代人上述公式可得到全部可用码组。
  
  4.DES加密算法及汉明码编码的DSP实现
  
  利用两块TMS320F2812DSP目标板,其中一块目标板实现DES加密和(7,4)汉明码编码模块,另一块目标板实现DES解密和(7,4)汉明码译码模块。验证对电力线载波通信系统进行加密编码以及信道编码的可行性。利用CCS软件进行DES加解密与(7,4)汉明码编译码的程序编写,上位机每次输人一个数据包(8字节),DSP将接收到的数据通过DES加密算法进行加密。以四个数据包为一帧(32字节),DSP目标板将接收到的一帧数据分别加密后得到新的32字节数据,通过(7,4)汉明码编码算法分别进行汉明码编码,得到56字节数据,最后,通过串行通信接口发送到PLC模块调制,接收端DSP目标板同样运行译码程序,编译通过后通过下载器将目标程序下载到DSP目标板上。
  
  上位机通过串行通信接口发送数据到DSP目标板上,完成原始数据的加密以及信道编码,再通过串行通信接口将编码后的数据送人PLC目标板上进行信号调制,通过耦合电路将信号耦合到电力线信道上进行发送。接收端将接收到的数据经过PLC模块解调以及DSP目标板的译码后将恢复后的数据发送到接收端的下位机中,完成整体的系统通信。系统发送端与接收端相同。
  
  5.实验结果
  
  利用CCS软件进行加解密编码以及信道编译码的代码编写,并下载到目标DSP板上运行,通过与上位机以及PLC模块的连接实现整体系统的通信工作。通过发送端与接收端的串口通信软件测试通信系统的工作状态。
  
  实验参数设置如下:发送端与接收端的上位机分别用COM6和COM4端口进行通信,串口通信波特率为9600。数据位为8位,无校验位,一个停止位,每次发送一个数据包(八字节),以四个数据包为一帧进行信号处理。
  
  实验测试数据如图5〜8所示,上位机串口通信程序发送96字节的数据,经过DES加密编码后得到新的96字节数据,通过(7,4)汉明码编码后得到168字节数据,最后,通过接收端DSP目标板译码后恢复原始的96字节数据。图5为上位机通过串口程序发送的数据,图6为经过DES加密编码后得到的数据,图7为进行信道编码后得到的数据,图8为接收端恢复出的数据。
  
  在一定的实验条件下,经过测试不同时段中进行信道编码与不进行信道编码的误码率和误包率对比。
  
  实验分析说明通过CCS实现信源加密算法以及信道编码算法,并下载到DSP目标板运行,通过两个串行通信接口分别与上位机和电力线载波电路连接,完成加密系统的整体通信的方法可行。同时,对加密后的数据进行信道编码有效地降低了通信过程的误码率。利用这种方法不但提高了电力线载波通信系统中信息的安全性,还提高了信息传输过程的可靠性。

 

作者:陈阳  林东 合作媒体:通信界 编辑:顾北

 

 

 
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