[发明专利]一种智能变电站光通信的物理层加密方法及系统

说明书

本发明公开了一种智能变电站光通信的物理层加密方法及系统，属于光纤通信技术领域，包括：采用2D‑SCL映射对频域信号进行幅值扰动，得到一次加密频域信号；采用布朗运动数学模型对一次加密后的频域信号的原始矩阵中的索引位置进行扰乱，得到二次加密频域信号。本发明可提高加密方案的破解难度和加密方案的密钥空间，从而使系统能够抵抗暴力攻击。

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种智能变电站光通信的物理层加密方法及系统。

背景技术

近年来，变电站设备智能化的广泛应用有效的引领了数字化智能变电站的快速发展，与此同时，高效、稳定、可靠的网络通信技术已经成为智能变电站中网络信息共享不可缺少的方式，评价一个变电站或者电网通信的好坏，最重要的标准就是其可靠性和稳定性。IEC61850标准作为变电站通信网络和系统的国际标准，为智能变电在不同设备之间实现互相操作提供了理论支撑。GOOSE报文是智能变电站中最重要的报文之一，其数据的保密传输对智能变电站的安全运行至关重要。但是，GOOSE报文完全是明文传输，没有任何加密，因而存在很大的安全隐患。尽管GOOSE通过一些措施来检查其有效性，如序列号，然而，非法用户可以很容易截获报文，然后骗过这一检查来篡改相关数据值并重发，因而研究其加密问题有着重大意义。

在目前的通信技术中，光纤通信是一个重要的技术方案，由于光纤通信在传输时具有带宽大、容量大和传输距离远等优良特性，在传输网中起到了至关重要的作用。而近些年来急剧上升的数据量给光纤通信系统带来了一系列新的挑战，为了能够更好的应对这些挑战，需要对光纤通信系统进行性能上的提升。为了达到这个目的，现在主要是对提高系统的频谱利用率和单信道传输速度来进行研究，希望能够在这两个方面上实现对系统的性能进行提升。在光纤通信系统中，色度色散(CD)和偏振模色散(PMD)是主要的干扰因素，会在光纤信号传输过程中不断出现，对信号造成很大影响，这一现象随着数据速率增大时变得更加明显。

在对光纤通信系统的研究中，发现将正交频分复用(OFDM)技术用在光纤通信之中可以有效解决上述干扰问题。OFDM技术的核心是使用多个彼此正交的子载波去进行信号的调制，通过这种子载波正交的方式节省了频谱，从而提高了整个系统的频谱利用率。除此之外，由于OFDM技术中使用了成熟的数字信号处理技术，因此在光纤通信系统中我们可以通过离线DSP处理从而在电域中对光纤信号进行CD和PMD补偿，以解决在光纤通信中一直存在的干扰问题。在光纤通信系统中，对CD和PMD的补偿操作在电域DSP中进行而不在光域进行，这样不仅操作简单，而且成本极低，只需要在电域的DSP中进行补偿处理即可。我们可以按照不同的接收方式，将光OFDM分为直检光OFDM(DDO-OFDM)和相干光OFDM(CO-OFDM)两种系统结构，这两种系统结构各有优势和劣势，而CO-OFDM系统由于综合了相干光通信技术和OFDM技术两者的长处，所以其具备有频谱效率高、传输速度快以及能够有效的解决色散带来的影响这一系列的特点，被视为未来光通信系统的核心方案之一。

随着信息科技的不断进步，对信息的盗窃方式也层出不穷，在网络中对于网络信息的防护也变得越来越脆弱，由于互联网天然就具备有分享的特性，一旦隐私数据被人泄露出去，将以极快的速度进行蔓延，这将会对社会产生极大的影响。

在物理层实施加密方案具有四个显著的优势：一是对数据进行加密时，实际的操作方式灵活多变，可以通过物理层中的调制、编码和纠错等传统通信技术与加密手段的结合去实现物理层的安全保护。二是可以操作的数据类型较多，比如可以操作比特数据或者高阶调制之后的数据进行加密。三是和别的加密方式相比较，物理层加密会提供更为完全的数据加密，不会遗漏某一层级的数据。四是加密操作的实施难度低，通常直接在DSP中进行操作，不会额外增加硬件成本，相对于高层系统的加密，复杂度大大降低。

出于对这四个优势的考量，我们选择在物理层对网络数据进行加密。而相干光OFDM系统由于融合了相干光通信技术和OFDM技术，结合了两者所长，因此CO-OFDM系统具有频谱效率高、传输速度快以及能够有效的解决色散带来的影响这一系列的特点，从而被大量的使用。

发明内容