摘要： 電力線通信目前用途廣泛，具有廣闊的市場(chǎng)前景。但由于存在信息安全問(wèn)題以及通過(guò)復(fù)雜信道的誤 碼問(wèn)題，需通過(guò)在信源端選擇加密算法來(lái)對(duì)原始信息進(jìn)行加密．
電力線通信以電力網(wǎng)作為傳輸信道，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換，具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便、功能靈活、安裝便捷和擴(kuò)展容易等顯著特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于智能小區(qū)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、家居智能化系統(tǒng)等，是“智能電網(wǎng)”的重要通信方式之一。
但由于電力線通信信道是一個(gè)公開(kāi)的信道，其信息傳遞過(guò)程中的安全性得不到有效的保障，因此進(jìn)行加密通信顯得十分重要，并且由于加密后的信息在通過(guò)復(fù)雜的電力線信道時(shí)存在誤碼問(wèn)題，在解碼后會(huì)造成誤碼的雪崩效應(yīng)，因此還需進(jìn)行信道編碼。通過(guò)信源加密及信道編碼能夠有效地提高低壓電力線載波通信系統(tǒng)在通信過(guò)程中的安全性，提高了通信的可靠性。
1.電力線載波通信原理
電力線載波（PLC)是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。該技術(shù)將信號(hào)傳輸?shù)诫娏�上，該信號(hào)是經(jīng)高頻載波調(diào)制后的信號(hào)。電力線載波通信系統(tǒng)的基本原理如圖1所示，智能設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到載波收發(fā)器上進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)耦合器將信號(hào)耦合到電力線上進(jìn)行傳輸，接收端同理通過(guò)耦合器接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)載波收發(fā)器解調(diào)后發(fā)送給智能設(shè)備。
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)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，所用的密鑰也是64位（其中56位參與運(yùn)算），并被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局宣布為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES，主要用于非國(guó)家保密機(jī)關(guān)。
DES對(duì)64位明文分組進(jìn)行操作。通過(guò)一個(gè)初始置換，將明文分組分成左半部分和右半部分，各32位長(zhǎng)，然后進(jìn)行16輪完全相同的運(yùn)算，這些運(yùn)算被稱(chēng)為函數(shù)f，在運(yùn)算過(guò)程中數(shù)據(jù)與密鑰結(jié)合。經(jīng)過(guò)16輪后，左、右半部分合在一起經(jīng)過(guò)一個(gè)末置換（初始置換的逆置換），算法就完成了。在每一輪中，密鑰位移位，然后再?gòu)膮⑴c運(yùn)算的56位密鑰中選出48位。通過(guò)一個(gè)擴(kuò)展置換將數(shù)據(jù)的右半部分?jǐn)U展成48位，并通過(guò)一個(gè)異或操作與48位密鑰結(jié)合，通過(guò)8個(gè)S盒將這48位替代成新的32位數(shù)據(jù)，再將其置換一次。這四步運(yùn)算構(gòu)成了函數(shù)f。然后，通過(guò)另一個(gè)異或運(yùn)算，函數(shù)f的輸出與左半部分結(jié)合，其結(jié)果即成為新的左半部分。將該操作重復(fù)16次，便實(shí)現(xiàn)了DES的16輪運(yùn)算。
3.漢明碼編碼原理
漢明碼是在電信領(lǐng)域的一種線性調(diào)試碼，以發(fā)明者理查德.衛(wèi)斯里•漢明的名字命名。漢明碼在傳輸?shù)南⒘髦胁迦蓑?yàn)證碼，以偵測(cè)并更正單一比特錯(cuò)誤。漢明碼的糾錯(cuò)能力t=1，二進(jìn)制漢明碼n和k服從以下規(guī)律(/^)=(2n,-1.2Hi-l-/;;)⑴式1中，m=n-k，當(dāng)m=3,4，5，6，7，8……時(shí)，有（7，4)，(15，11)，(31，26)，(63，57)，(127，120)，(255，247)……漢明碼。以（7，4)漢明碼為例，設(shè)其碼字為A=[a6，a5，a4，a3，a2，aj，ao]，前4位是信息兀，后3位是監(jiān)督元，可用下列線性方程組來(lái)描述該分組碼產(chǎn)生監(jiān)督元。
顯然，這三個(gè)方程是線性無(wú)關(guān)的，代人上述公式可得到全部可用碼組。
4.DES加密算法及漢明碼編碼的DSP實(shí)現(xiàn)
利用兩塊TMS320F2812DSP目標(biāo)板，其中一塊目標(biāo)板實(shí)現(xiàn)DES加密和(7，4)漢明碼編碼模塊，另一塊目標(biāo)板實(shí)現(xiàn)DES解密和（7，4)漢明碼譯碼模塊。驗(yàn)證對(duì)電力線載波通信系統(tǒng)進(jìn)行加密編碼以及信道編碼的可行性。利用CCS軟件進(jìn)行DES加解密與(7，4)漢明碼編譯碼的程序編寫(xiě)，上位機(jī)每次輸人一個(gè)數(shù)據(jù)包（8字節(jié)），DSP將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)DES加密算法進(jìn)行加密。以四個(gè)數(shù)據(jù)包為一幀（32字節(jié)），DSP目標(biāo)板將接收到的一幀數(shù)據(jù)分別加密后得到新的32字節(jié)數(shù)據(jù)，通過(guò)（7，4)漢明碼編碼算法分別進(jìn)行漢明碼編碼，得到56字節(jié)數(shù)據(jù)，最后，通過(guò)串行通信接口發(fā)送到PLC模塊調(diào)制，接收端DSP目標(biāo)板同樣運(yùn)行譯碼程序，編譯通過(guò)后通過(guò)下載器將目標(biāo)程序下載到DSP目標(biāo)板上。
上位機(jī)通過(guò)串行通信接口發(fā)送數(shù)據(jù)到DSP目標(biāo)板上，完成原始數(shù)據(jù)的加密以及信道編碼，再通過(guò)串行通信接口將編碼后的數(shù)據(jù)送人PLC目標(biāo)板上進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，通過(guò)耦合電路將信號(hào)耦合到電力線信道上進(jìn)行發(fā)送。接收端將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)PLC模塊解調(diào)以及DSP目標(biāo)板的譯碼后將恢復(fù)后的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端的下位機(jī)中，完成整體的系統(tǒng)通信。系統(tǒng)發(fā)送端與接收端相同。
5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用CCS軟件進(jìn)行加解密編碼以及信道編譯碼的代碼編寫(xiě)，并下載到目標(biāo)DSP板上運(yùn)行，通過(guò)與上位機(jī)以及PLC模塊的連接實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的通信工作。通過(guò)發(fā)送端與接收端的串口通信軟件測(cè)試通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)送端與接收端的上位機(jī)分別用COM6和COM4端口進(jìn)行通信，串口通信波特率為9600。數(shù)據(jù)位為8位，無(wú)校驗(yàn)位，一個(gè)停止位,每次發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包（八字節(jié)），以四個(gè)數(shù)據(jù)包為一幀進(jìn)行信號(hào)處理。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5〜8所示，上位機(jī)串口通信程序發(fā)送96字節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DES加密編碼后得到新的96字節(jié)數(shù)據(jù)，通過(guò)（7，4)漢明碼編碼后得到168字節(jié)數(shù)據(jù)，最后，通過(guò)接收端DSP目標(biāo)板譯碼后恢復(fù)原始的96字節(jié)數(shù)據(jù)。圖5為上位機(jī)通過(guò)串口程序發(fā)送的數(shù)據(jù)，圖6為經(jīng)過(guò)DES加密編碼后得到的數(shù)據(jù)，圖7為進(jìn)行信道編碼后得到的數(shù)據(jù)，圖8為接收端恢復(fù)出的數(shù)據(jù)。
在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)測(cè)試不同時(shí)段中進(jìn)行信道編碼與不進(jìn)行信道編碼的誤碼率和誤包率對(duì)比。
實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明通過(guò)CCS實(shí)現(xiàn)信源加密算法以及信道編碼算法，并下載到DSP目標(biāo)板運(yùn)行，通過(guò)兩個(gè)串行通信接口分別與上位機(jī)和電力線載波電路連接，完成加密系統(tǒng)的整體通信的方法可行。同時(shí)，對(duì)加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼有效地降低了通信過(guò)程的誤碼率。利用這種方法不但提高了電力線載波通信系統(tǒng)中信息的安全性，還提高了信息傳輸過(guò)程的可靠性。
