安全智能电网通信并基于信息集成无线传感器中的 数字水印网络外文翻译资料

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安全智能电网通信并基于信息集成无线传感器中的

数字水印网络

Xin Yan, Ling Zhang, Yang Wu, Youlong Luob and

Xiaoxing Zhang

1. 武汉大学计算机科学系，中国武汉430070
2. 武汉理工大学管理学院，中国武汉430070
3. 国家安全与新技术系统重点实验室，电气工程学院，

重庆大学，中国重庆400044，中国在线发布：2015

年4月23日。

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安全智能电网通信和基于无线传感器网络中数字水印的信息集成

Xin Yan，Ling Zhang, Yang Wu，Youlong Luo and Xiaoxing Zhang

武汉理工大学计算机科学系，中国武汉430070；

武汉理工大学管理学院，中国武汉430070；

国家安全与新技术系统重点实验室，重庆大学电气工程学院，中国重庆400044

（接收于2013年8月5日;审批于2015年3月22日）

随着越来越多的无线传感器节点和网络被用于获取和传输智能电网中电力设备的状态信息，我们迫切需要的一些可行的安全解决方案，以确保安全的智能电网通信。传统的信息安全解决方案，如加密/解密，数字签名等，不适用于智能电网中的无线传感器网络不再需要，其中批量消息需要被连续交换。原因是这些加密解决方案将占极大部分传感器节点上的资有限。在本文中，基于数字的安全解决方案采用水印来实现无线传感器的安全通信智能电网中的网络通过数据和实体认证以低的操作成本。我们的解决方案包括一个安全的数字水印框架和两个数字水印基于交流电流和时间窗的水印算法，分别。两种水印算法由水印生成，嵌入和检测。提供仿真实验来验证我们的水印算法的正确性和实用性。此外，一个新的提出了基于云的智能电网信息集成架构我们的安全解决方案的基础。

关键词：智能电网；数字水印；安全通信；无线传感器网络；工业信息集成

1. 介绍

传统的电网是径向的，主要设计和构造用于集中式发电，具有从发电厂到消费者的单向功率流。它取决于手动恢复，其可靠性主要通过在整个系统中具有过大的功率能力来确保。然而，大多数分布式和间歇性的可再生能源的出现，具有低碳和环境友好的发电过程，给径向电网带来了巨大的挑战。因此，预期一些新技术能够使配电系统将大量的分布式能源资源并入现有电网并处理可再生能源的间歇性（Z.Fan等人2013）。第二，传统输配电（T＆D）系统中过多的能源浪费也是我们采用一些新技术来降低T＆D损失的动机，通过以更有效的方式分配电力并产生电力http://dx.doi.org/10.1080/17517575.2015.1033767copy;2015 Taylor＆Francis与需求紧密匹配（Hamilton和Summy 2011）。此外，对于电力消费者，需要智能电器通过其实时计费来管理电力功能，即需求响应（DR），其是响应于供应侧条件调整客户电力消耗的机制。市场价格（Mohagheghi等人。 2010）。新开发的计算机，通信和控制技术，特别是无线通信，可用于应对上述现有电网中的问题和挑战（Ma等人2013）。因此，与其集成信息和通信技术并能够满足上述要求的电网成为智能电网。根据定义，智能电网是一种自动化的，广泛分布的能量输送网络，其特征在于电力和信息的双向流动，能够监测和响应从发电厂到客户偏好到个体电器的变化（IEEESCC21 2011）。

一般来说，当传统的电力基础设施通过通信基础设施增加时，它变成智能电网（Kim等人，2010）。这种附加通信基础设施便于在电力基础设施的不同组件之间交换状态和控制信息。结果，电网可以更可靠和有效地操作。图1显示了智能电网的整体架构，可以分解为电力系统层和通信层（Ho，Gao和Le-Ngoc，2013）。电力系统层（图1（a））是各种发电系统，输电和配电（T＆D）电网，变电站，客户等的集成。与传统电网相比，智能电网的显着特征是与主要负责监视，控制和自动化整个电网的通信网络的集成，如图1（b）所示。

图1.智能电网的整体分层架构：（a）电力系统层（b）通信层。

家庭区域网络（HAN）收集来自各种家庭智能设备的感觉信息，并且向他们传送控制信息以用于更好的能量消耗管理，其中安装在消费者站点的智能仪表作为在HAN和邻居之间中继信息的通信网关区域网络。除了智能仪表，HAN实际上包括一些小型化的传感器节点和嵌入在家庭智能设备中的控制器。这些传感器节点有时被连接到控制器并且转发控制信号到家庭智能设备，通过无线通信标准（例如IEEE 802.11系列，蓝牙或IEEE 802.15.4）以多跳自组织方式形成无线传感器网络（WSN）等等（Li，Wang和Zhang 2009）。 WSN中的节点分布在受监视的区域中，以多跳自组织方式进行通信，彼此协作以收集所监视对象的敏感信息，并将其发送到网关（例如智能电表）。传感器节点是微系统，其是传感器模块，数据处理模块和通信模块的集成。邻居区域网络（NAN）图1是无线网状网络（WMN），其骨干包括作为具有网关/网桥功能的网状路由器的智能仪表，以及充当NAN和广域网之间的网关的集中器（Gungor和Lambert 2006）。 NAN通常采用无线通信标准IEEE 802.15.4g，这是一个修正案IEEE 802.15.4用于加速大规模过程控制应用，例如智能公用网络（SUN）或延伸IEEE 802.11以支持无线网状通信的IEEE 802.11s。注意，用于T＆D网格（或发电系统或变电站）的移动用户和WSN也可以经由其网状路由器连接到NAN。广域网（WAN）中的端节点，其与基站通信站通过长途通信标准WiMAX或LTE（4G蜂窝），通常由数据聚合点（DAP）和集中器组成。 DAP可以直接收集来自在发电厂，分布式能源站，T＆D电网，变电站等中工作的传感器节点（或WSN）的感觉数据，并且将来自控制中心的控制信号转发给它们。 从图1可以看出，无线通信的基本组成部分是无线传感器节点和网络，在实现智能电网的所有上述目标方面起着极其重要的作用。无线通信，特别是WSN，可以为有线通信基础设施提供智能电网比信息收集，传播和处理更大的自由度。 WSN的最新进展使得实现低成本嵌入式电力设施监控成为可能诊断系统（Gungor，Lu和Hancke 2010）。在这些系统中，多功能传感器节点被安装在智能电网的一些关键设备上并且监视对每个设备状态关键的参数，这使得智能电网系统能够以更主动和及时的方式响应变化的状态。 WSNs在智能电网上的现有和潜在应用包括远程系统监控，设备故障检测和诊断，无线自动抄表（WAMR），网络分布式资源优化等。示例是传输线的WSN监测（Hung等人2010），用于电压监测的合作WSN（Di Bisceglie等人2009）和用于家庭内能量管理的WSN（Erol-Kantarci和Mouftah 2011）。由于诸如快速部署，灵活性，低成本和集成智能的许多优点，可以在整个过程中利用和实现WSN智能电网，以创建一个高度可靠和自我修复的智能系统，通过适当的行动快速响应在线事件。

图2.智能电网通信网络，公钥基础设施的安全要求和提出的解决方案。

由于智能电网通信网络传达关于数百万客户的能量消耗的感知数据以及用于电网稳定和优化的监控/控制信号，因此它们易受隐私和安全问题的影响（Liu等人2012）。特别地，由于智能电网的动态拓扑和开放的通信介质，智能电网中的无线通信比有线网络更容易受到攻击。一个例子是，攻击者可以降低自己的电费单或通过篡改智能电表上的数据增加受害者的账单。与常规企业应用相比，智能电网应用不仅需要一个高水平的安全性，但也实时和连续的操作，即高效率和可扩展性要求。因此，有必要采用现有技术，提供适合的安全解决方案，并开发独特的技术来填补空白其中传统的安全计划不适用。目前，流行的安全性智能电网通信的解决方案是采用公钥基础设施（PKI）作为他们的一般安全框架，由Metke和Ekl（2010）提出，Yan et al。（2012），Fouda et al。 （2011），以及He et al。 （2014）。以满足特定的安全性智能电网通信的要求，PKI增加了许多补充使得它被预期是用于确保智能电网通信的整体解决方案（Fouda等人2011; He等人2014,2011; Y.Fan等人2011）。两者的安全智能电网通信网络的要求和相应提出解决方案总结在图2中。

在图2中提出的解决方案的背后，存在所有的共同假设智能电网中的通信设备应该能够进行常规的加密操作，例如加密/解密，数字签名和双向实体authen-事实上，这个假设只适用于部分沟通智能电网中的设备，其通信，能量和计算资源可用的是相对充足的。智能电表，集中器，DAP和基座站。然而，这个假设不适用于大多数通信设备，诸如广泛部署的无线网络传感器节点高级计量基础设施（AMI）以及监控和数据采集（SCADA）智能电网的应用，由于其通信，计算能力有限和能源资源。例如，他进行了一个实验等。（2014），其中基于数字签名算法实现了云母微粒一个带4KB RAM和128KB ROM的8位，8 MHz Atmel微控制器，以及TelosB基于具有10KB RAM和48KB的16位，4MHz MSP430微控制器只读存储器。数字签名花费的时间分别为4.438秒和7.208秒和TelosB。数字签名消耗的能量分别为106.52 mJ云母和TelosB为38.93 mJ。在实践中，消耗在时间和能量上被认为对于具有高效率的智能电网应用是不可接受的可扩展性需求，因为一跳的通信延迟的数量级在大型智能电网通信网络中应该是毫秒（Hauser et al。2008）。此外，为了实现实时操作和大量的数据处理，大多数从智能电网的大量传感器节点收集的数据应该被匿名地发送到智能仪表或DAP而不违反数据完整性，即a完整的传感器节点的身份隐私保护。因此常规实体智能电网中大多数传感器节点不再需要身份认证通信。总之，常规实体认证和加密/解密解决方案，包括数字签名，加密/解密，甚至数据集成 - 具有加密/解密的数据保护（即数据认证）不适用于传感器节点和智能电网中的WSN，因为它们将严重消耗有限的以及在传感器节点和WSN上可用的昂贵的资源，诸如存储器，时间，带宽，能量等。

WSN上的传感器节点用作电力设备和之间的连接器通信网络通过监测/控制电力设备和收集它们的通信网络的状态信息。传感器的主要安全威胁智能电网中的节点和WSN涉及篡改数据，未经授权的访问，由于数字水印是一种轻量级的和低成本的安全解决方案，没有复杂的加密/解密计算，这需要比通信设备上的现有解决方案少得多的资源图2，它可以被认为是提供数据完整性保护的替代方法以及在智能电网中起关键作用的传感器节点和WSN的实体认证通信。在本文中，我们提出一种基于新型安全通信解决方案关于智能电网中的传感器节点和WSN的数字水印，其包括a安全的数字水印框架和两种数字水印算法基于交流电流和另一个开启时间窗。到我们最好的知识，到目前为止，还没有一个类似的安全智能电网通信解决方案发现。 2012）。此外，由于工业信息集成工程（IIIE）作为一个关键和有前途的工具用于实施和扩展业务应用程序在智能电网（Xu 2011）中，我们提出了一个基于云的架构的信息集成智能电网在我们基于安全通信解决方案的基础上数字水印，其涉及各种智能电网服务的集成与传统企业信息系统的集成，以及集成和智能电网中的大数据分析。 图1中的通信层形成a网络物理系统（CPS）或提供基础的物联网（IoT）物理硬件集成为智能电网的信息集成。 我们的安全基于数字水印的解决方案为安全信息提供了必要的支持，智能电网融合。本文的其余部分组织如下。 数字水

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