一种利用电力线进行通信的方法与流程

本发明涉及一种利用电力线进行通信的方法。

背景技术：

智能电网是使用健全的双路通信、高级的传感器和分布式计算的电力传输与分配网络，其目的是改善电力传送和使用的效率，提高电网的可靠性和安全性。建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。目前，配电通信网的主要传输手段有：光纤、公共无线网络、自建专用无线网络、电力线载波通信、电力线工频通信等方式。

电力线工频通信通过在电压、电流上叠加微小的畸变信号实现数据传输，由于低频工频畸变信号可穿越变压器，电力线工频通信技术具有能够跨越配电变压器远距离通信的独特优势，如果通过相关技术手段提升通信速率，该技术能够在智能配电网建设中发挥重要作用。

电力线通信技术可直接利用现有的电力线进行数据传输，无须重新布网，成本低廉，信息传输安全有充分的保障。近年来，宽带电力线载波通信(BPLC：Broadband Power Line Carrier)技术得到了广泛应用，尤其大量应用于智能电网抄表系统、能源互联网、智能家居和工业数据采集等场景。

在利用电力线进行数据传输时，同样面临数据安全的问题。在电力载波通信中引入数据加密机制，具有重大意义。数据加密又称密码学，指通过加密算法和加密密钥将明文转换成密文，而解密则是反向的通过解密算法和解密密钥将密文还原成原文。数据加密利用密码技术对信息进行加密，实现信息隐蔽，保护信息安全。

随着加密算法的演进，分组加密算法对数据进行分组加密，增加了数据解密难度，然而，采取固定的加密算法和密钥进行加密，在确定加密算法和密钥后，明文和密码形成对应关系，可以采用穷举法等暴力方式破解，安全度有待提高。

技术实现要素：

本发明提供一种利用电力线进行通信的方法，该方法可以利用电力线，实现高安全性和高可靠性的数据传输。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用电力线进行通信的方法，其特征在于，将分段数字信号打包后，由载波通信传输装置发送给载波通信数据接收端。

该方法采用如下步骤，实现载波通信传输装置的数字信号发送：

步骤S31：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

步骤S32：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

步骤S33：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤S32；当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤S32；

步骤S34：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

优选的，在步骤S31中，载波通信数据发送端发送IP数据包之前采用默认值或先验值的方法，来确认初始发送帧的长度，默认值为微协议数据单元MPDU的最小帧长单位，而采用先验值的方法通过侦听当前信道中其他节点发送成功的帧长度或本节点最近一次发送成功的帧长度，来确定初始帧长度。

优选的，在步骤S32中，如果发送成功，则以相同帧长L继续发送，源节点记录每次发送成功的帧长度，如果发送失败，则将该帧进行第一次重传，并继续以相同的发送帧长进行发送。

优选的，在步骤S33中，如果连续两次以相同的帧长L发送成功，则以2L作为帧长继续发送后续的数据。如果第二次重传失败，此时也即连续两次重传失败，则将帧长L减半进行调整作为新的帧长度，并继续发送数据包，以此递减，直到使用帧长为默认值。

优选的，在步骤S34中，帧长是以二进制指数形式进行改变的，无论初始帧长的值怎么设定，经过i次帧长加倍，信道最佳帧长可能会处于当前帧长L_i与2L_i之间，预先设置的结束条件为：以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败，此时就能快速得到最佳帧长的取值范围，即[L_i，2L_i]，以便于进一步进行精确调整帧长。

优选的，该方法具体采用如下子步骤实现分段数字信号打包：

根据分段数字信号、用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第一密文数字信号；

分段数字信号可以先跟第一随机数字信号进行位运算得到第三密文，然后再让第三密文与用户密钥进行位运算得到第一密文数字信号；当然分段数字信号也可以先跟用户密钥进行位运算得到第三密文，然后再让第三密文与第一随机数字信号进行位运算得到第一密文数字信号；其中具体得到第一密文数字信号可以通过如下C语言实现，c[i]＝p[i]^r[(i+a)％rl]^k[(i+b)％kl]，其中c表示第一密文数字信号，i表示字节序数，p表示分段数字信号，r表示第一随机数字信号，rl表示第一随机数字信号长度，k表示用户密钥，kl表示用户密钥长度，a是小于第一随机信号长度的正整数，b小于用户密钥长度的正整数；

根据用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第二随机数字信号；

可以将用户密钥与第一随机数字信号进行位运算，得到第二随机数字信号，且该第二随机数字信号的长度与第一随机数字信号的长度一样。但是为了保证数据膨胀不是很严重，这个长度值不宜过大。

还可以通过将第一随机数字信号的每个字节分别与后面的一个字节进行按位异或运算得到第二随机数字信号；

将第二随机数字信号插入到第一密文数字信号中，得到第二密文数字信号；

对第二密文数字信号进行反转比特位操作，得到最终加密后的分段数字信号。

优选的，可以通过在加密后的分段数字信号前添加帧头、所述分段数字信号的长度和所述加密的分段数字的长度，在所述加密的分段数字信号后添加帧尾的方式进行打包，得到加密后的IP数据包。

本发明具有以下优点和有益效果：该方法可以自适应地有限次逼近IPv6包分片的最佳帧长，复杂度较低，并能够快速收敛获最佳帧长，高效地支持IPv6；该系统可以根据用户的个人信息生成密钥，使得密钥具有唯一性和复杂性解决了数字信号的保密性和安全性差的问题，大幅增加破解难度。

附图说明

图1示出了本发明的一种电力载波通信系统的框图。

图2示出了本发明的一种利用电力线进行通信的方法的流程图。

具体实施方式

图1是示出了本发明的一种电力载波通信系统，该系统包括载波通信数据发送端1、载波通信传输装置3和载波通信数据接收端2；

其中，载波通信数据发送端1包括：

数据分组单元11，将待加密数字信号进行分段，产生分段数字信号；

密钥生成单元12，用于生成用户密钥；

存储存储单元13，用于存储用户密钥；

数据加密单元14，利用加密算法和所述用户密钥对所述分段数字信号进行加密，得到加密后的分段数字信号；

分段数字信号打包单元15，将所述加密后的分段数字信号进行打包，得到加密后的IP数据包；

载波通信传输装置3包括：

初始化模块31，用于接收上述IP数据包，并初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

发送模块32，用于以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

帧长变更模块33，用于当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行发送模块的操作，当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行发送模块的操作；

范围确定模块34，用于当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]；

所述载波通信数据接收端2包括：

数据接收单元31，用于接收所述加密后的IP数据包；

用户密钥获取单元22，用于获取所述用户密钥；

解密单元23，根据所述解密密钥和与所述解密加密算法对应的解密算法对所述加密后的IP数据包进行解密，得到原分段数字信号；

组合单元24，用于组合所述分段数字信号，得到原数字信号。

优选的，载波通信数据发送端1发送IP数据包之前采用默认值或先验值的方法，来确认初始发送帧的长度，默认值为微协议数据单元MPDU的最小帧长单位，而采用先验值的方法通过侦听当前信道中其他节点发送成功的帧长度或本节点最近一次发送成功的帧长度，来确定初始帧长度。

优选的，所述密钥生成单元12包括第一获取子单元，用于获取用户的生物特征数据；

第一生成子单元，用于根据所述生物特征数据，生成特征向量；

第二生成子单元，用于根据预定算法对所述特征向量进行处理，生成与所述用户对应的用户密钥。

优选的，所述数据加密单元14，根据所述用户密钥和加密算法对所述分段数字信号进行加密，得到加密后的分段数字信号。

优选的，其中，所述第二生成子单元包括：

获取子模块，用于根据所述预定算法对所述特征向量进行序列化处理，得到序列化后的特征向量；

提取子模块，用于根据所述预定算法从所述序列化后的特征向量中，提取出符合均匀分布的序列数据作为与所述用户对应的用户密钥。

优选的，所述数据加密单元包括：

第一运算子单元，用于根据分段数字信号信号、所述用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第一密文数字信号；

第二运算子单元，用于根据所述用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第二随机数字信号；

插入子单元，用于将第二随机数字信号插入到第一密文数字信号中，得到第二密文数字信号；

第一操作子单元，用于对第二密文数字信号进行反转比特位操作，得到最终加密后的分段数字信号。

优选的，所述解密单元包括：

第二操作子单元，用于对最终加密后的分段数字信号进行比特位反转操作，得到第四密文数字信号；

提取子单元，用于从第四密文数字信号中提取出第二随机数字信号，得到第五密文数字信号；

第三运算子单元，用于根据第二随机数字信号与用户密钥进行位运算，得到第一随机数字信号；

第四运算子单元，用于根据第五密文数字信号、第一随机数字信号和用户密钥进行位运算，得到原分段数字信号。

优选的，所述解密单元还可包括解密判断子单元，每次解密后对得到数据帧头、帧尾部分进行检测，若符合分段数字信号密文的帧头、帧尾的格式，则再次进行解密。

优选的，所述用户密钥获取单元，可以通过单独的物理存储介质读取用户密钥。

图2示出了本发明的一种利用电力线进行通信的方法的流程图。该方法具体包括如下步骤：

S1.生成用户密钥；

S2.将数字信号分段，并利用用户密钥和加密算法对分段数字信号进行加密；

S3.将分段数字信号打包后，由载波通信传输装置发送给载波通信数据接收端。

优选的，所述步骤S3包括如下子步骤：

步骤S31：初始化发送帧长，采用默认值或先验值作为初始发送帧长L；

步骤S32：以帧长L发送IP数据包，当发送成功时则以相同的发送帧长再次发送，当发送失败时则以相同的发送帧长重新发送；

步骤S33：当连续两次发送成功时，则将发送帧长L加倍并执行步骤S32；当连续两次发送失败时，则将发送帧长L减半并执行步骤S32；

步骤S34：当经过i次帧长加倍或减半后，以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败时，则将帧长L的取值范围确定为[L_i，2L_i]。

优选的，在步骤S31中，载波通信数据发送端发送IP数据包之前采用默认值或先验值的方法，来确认初始发送帧的长度，默认值为微协议数据单元MPDU的最小帧长单位，而采用先验值的方法通过侦听当前信道中其他节点发送成功的帧长度或本节点最近一次发送成功的帧长度，来确定初始帧长度。

优选的，在步骤S32中，如果发送成功，则以相同帧长L继续发送，源节点记录每次发送成功的帧长度，如果发送失败，则将该帧进行第一次重传，并继续以相同的发送帧长进行发送。

优选的，在步骤S33中，如果连续两次以相同的帧长L发送成功，则以2L作为帧长继续发送后续的数据。如果第二次重传失败，此时也即连续两次重传失败，则将帧长L减半进行调整作为新的帧长度，并继续发送数据包，以此递减，直到使用帧长为默认值(即最短帧长)。

优选的，在步骤S34中，帧长是以二进制指数形式进行改变的，无论初始帧长的值怎么设定，经过i次帧长加倍，信道最佳帧长可能会处于当前帧长L_i与2L_i之间，预先设置的结束条件为：以L_i作为帧长连续两次发送成功且以2L_i作为帧长连续两次发送失败，此时就能快速得到最佳帧长的取值范围，即[L_i，2L_i]，以便于进一步进行精确调整帧长。

优选的，在步骤S1中，其具体包括如下子步骤包括：

S11：获取用户的生物特征数据。

这里，可具体通过各种类型的生物特征传感设备采集用户的生物特征数据，其中，生物特征可具体为指纹、虹膜、声音、人脸、掌纹、静脉等。

S12：根据所述生物特征数据，生成特征向量。

S13：根据所述预定算法对所述特征向量进行序列化处理，得到序列化后的特征向量。

在本发明的具体实施例中，根据预定算法的需求，将不同长度的特征值向量(或不同格式的待保护信息和数据)转化为指定长度的序列。

S14：根据所述预定算法从所述序列化后的特征向量中，提取出符合均匀分布的序列数据作为与所述用户对应的用户密钥。

优选的，上述判断所述随机序列是否符合均匀分布可具体包括：

在所述随机序列中提取多个随机均匀分布子序列；

判断多个所述随机均匀分布子序列之间的距离值是否处于预设范围内；

若多个所述随机子序列之间的距离值处于所述预设范围内，则判断出所述随机序列符合均匀分布，否则，不符合均匀分布。

优选的，在所述S2中，具体包括如下子步骤：

S21：根据分段数字信号、用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第一密文数字信号。

在具体实施中，可以将待加密数字信号分为多段，也可以将待加密数字信号作为一段。

分段数字信号可以先跟第一随机数字信号进行位运算(例如异或运算)得到第三密文，然后再让第三密文与用户密钥进行位运算(例如异或运算)得到第一密文数字信号。当然分段数字信号也可以先跟用户密钥进行位运算(例如异或运算)得到第三密文，然后再让第三密文与第一随机数字信号进行位运算(例如异或运算)得到第一密文数字信号。其中具体得到第一密文数字信号可以通过如下C语言实现，c[i]＝p[i]^r[(i+a)％rl]^k[(i+b)％kl]，其中c表示第一密文数字信号，i表示字节序数，p表示分段数字信号，r表示第一随机数字信号，rl表示第一随机数字信号长度，k表示用户密钥，kl表示用户密钥长度，a是小于第一随机信号长度的正整数，b小于用户密钥长度的正整数。

S22：根据用户密钥和第一随机数字信号进行位运算，得到第二随机数字信号；

可以将用户密钥与第一随机数字信号进行位运算(例如异或运算)，得到第二随机数字信号，且该第二随机数字信号的长度与第一随机数字信号的长度一样。但是为了保证数据膨胀不是很严重，这个长度值不宜过大。

还可以通过将第一随机数字信号的每个字节(除了最后一个字节)分别与后面的一个字节进行按位异或运算得到第二随机数字信号。

S23：将第二随机数字信号插入到第一密文数字信号中，得到第二密文数字信号。

S24：对第二密文数字信号进行反转比特位操作，得到最终加密后的分段数字信号。

优选的，在S3中，可以通过在加密后的分段数字信号前添加帧头、所述分段数字信号的长度和所述加密的分段数字的长度，在所述加密的分段数字信号后添加帧尾的方式进行打包，得到加密后的IP数据包。

如上所述，虽然根据实施例所限定的实施例和附图进行了说明，但对本技术领域具有一般知识的技术人员来说能从上述的记载中进行各种修改和变形。例如，根据与说明的技术中所说明的方法相不同的顺序来进行，和/或根据与说明的系统、结构、装置、电路等构成要素所说明的方法相不同的形态进行结合或组合，或根据其他构成要素或均等物进行替换或置换也可达成适当的效果。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。