CN113079509A - 一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，包括网络优选检测、网络优选评估和安全认证三个步骤。该具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法综合考虑多网系场景的多维环境，实现对电力4G无线专网、公用4G网络的资源表征统一与协调管理，达到多网系之间的高效调度、无缝切换，为用户提供透明、一致的泛在通信服务；本方法考虑无线信道的时变特性，利用动态时间窗口机制执行网络优选检测与切换，以可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率作为评估参数的效用函数作为优先网络评估方法；当需要执行从电力4G专网切换至公用4G网络，选择效用值最大的公用4G网络作为切换后的接入网络。

Description

一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法
技术领域
本发明涉及电力通信技术领域，具体为一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法。
背景技术
目前，智能电网已延伸到分布式电源、电动汽车、家用电器等末端用户，涵盖大量配电终端、智能电表、分布式电源、电动汽车充换电设施等智能终端。智能电网的通信系统是智能电网配电侧信息传输、交换和处理的重要基础，主要用于智能配用电终端与智能配用电主站之间的信息传输，包括对配电设备的控制、用户电量信息的采集、配电设备的状态监测等，是智能电网中的关键环节。传统的光纤传输由于架设难度大、费用高等特点制约着智能电网通信系统的建设。利用4G无线通信可有效解决海量分散的数据采集、传输问题，解决输电、变电、配电、用电等环节的交互式需求以及应急通信、移动作业、智能调度等指挥调度需求。
电力4G无线专网具有容量大、资源专用、QoS可控、安全性高等优点，该网络可自主管控，资源可自主分配，能够保证电力应急通信资源需求。由于在室内环境、偏远地区部署电力4G无线专网基站受限因素较多，不便于大规模部署，因此部分区域需要借助运营商4G公网、卫星通信网开展业务传输。同时智能电网运行的可靠性、稳定性要求比较高，还需要借助运营商4G公网、卫星通信网承担备份通信链路的功能，因此提出一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，解决不同区域网络信号不佳所导致、专网链路终端的通讯问题，以及公私交合地切换所带来的通讯问题，确保在4G公网、卫星通信网传输信息时对电力业务的特殊保障及安全防护措施。
中国专利申请2018104611337、发明名称：一种基于北斗卫星短报文的电力专网的协同传输方法，对发生自然灾害或者其他事故导致的电力通信中断的故障路段，信息采用随机加密方式进行加密处理，通过北斗卫星系统进行转发。中国专利申请2018104611356、发明名称：一种基于容迟容断的卫星网络与电力网络的协同方法，解决电力通信链路中断时通过卫星通信链路进行数据转发，实现电力数据安全稳定的传输，提高电力通信网络抵抗灾害的能力。这两篇专利公开的方法都未能解决在电力专网通信链路中断或性能下降时，如何进行网络优选的调度问题，进而未能解决智能电网通信可靠性高、安全性强、可用带宽大、传输时延小的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，以实现对电力4G无线专网、公用4G网络的资源表征统一与协调管理，达到多网系之间的高效调度、无缝切换，为用户提供透明、一致的泛在通信服务。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，包括网络优选检测、网络优选评估和安全认证三个步骤，其具体实施步骤如下：
（1）网络优选检测，检测模块初始状态为拟采用电力4G无线专网进行信息传输，初始检测周期为1个单位时间片长度。当信道质量的实时评估计算值大于或等于信道质量切换预警值时，表示驻留当前所选的网络进行传输信息，此后将检测周期T扩大为原来的一倍2T，即T=2T且T≤2N，N可根据实际应用场景选择不大于10的整数；当信道质量的实时评估计算值小于切换预警值且大于或等于切换门限值时，表示继续驻留当前所选的网络进行传输信息，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1；当信道质量的实时评估计算值小于切换门限值时，表示从可选网络范围内选择信道质量最优的网络作为传输信息网络，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1。（2）网络优选评估，根据可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率等参数建立效用函数，选择效用值最大的网络作为接入网络。将每个评估参数的权重效应值为该参数效用值按照权重值取指数，然后将每项权重效用值相乘，得到待接入网络的效用函数，其中参数效用值表示为参数的实际测量值与业务要求值的比值。选择效应值最高的网络作为待切换接入网络。（3）安全认证，层簇式组密钥管理模型：将电力4G专网的控制中心设为系统的密钥生成中心（KGC），作为簇首，承担簇密钥协商发起任务，采用三叉密钥树组织成员。簇内成员采用逻辑密钥树的群组密钥协商方式建立簇密钥，解决了群组成员之间具有区域跨度大、终端节点数众多而导致组成员管理难度大、信息易泄露等问题。组密钥协商采用层层递进的方式，即下层各簇得到的簇密钥作为上层节点（即下层各簇的簇首）的私钥参与该层的簇或组密钥协商。同理，组密钥是逐层分发至所有组成员，即由上层节点将组密钥分发至下层节点（即下层各簇内的所有成员）。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、动态时间窗口检测机制，利用指数退避机制，当无线信道处于快衰落状态时，检测周期缩小为原来的一半，当处于慢衰落状态时，检测周期扩大为原来的一倍，解决了固定检测周期无法分辨无线信道快衰落和慢衰落的问题；
2、基于效用函数的多制式网络优选评估机制，在每个信道检测点，根据可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率等参数建立效用函数，选择效用值最大的网络作为接入网络，实现对可选择接入网络的综合评估；
3、层簇密钥分发机制，将电力4G专网的控制中心设为系统的密钥生成中心（KGC），作为簇首，组密钥协商采用层层递进的方式，解决了群组成员之间具有区域跨度大、终端节点数众多而导致组成员管理难度大、信息易泄露等问题。
附图说明
图1为本发明结构框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
本方法综合考虑多网系场景的多维环境，实现对电力4G无线专网、公用4G网络的资源表征统一与协调管理，达到多网系之间的高效调度、无缝切换，为用户提供透明、一致的泛在通信服务。本方法考虑无线信道的时变特性，利用动态时间窗口机制执行网络优选检测与切换，以可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率作为评估参数的效用函数作为优先网络评估方法。当需要执行从电力4G专网切换至公用4G网络，选择效用值最大的公用4G网络作为切换后的接入网络。当利用公用4G网络传输时，采用层簇式组密钥管理模型，以电力4G公网的控制中心作为簇收，按区域分簇，进行密钥分发。本方法可无缝融合并深度优化使用电力4G无线专网、中国移动、中国电信、中国联通等多运营商多制式移动网络。
请参阅图1，一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，包括网络优选检测、网络优选评估和安全认证三个步骤，其具体实施步骤如下：
（1）网络优选检测，检测模块初始状态为拟采用电力4G无线专网进行信息传输，初始检测周期为1个单位时间片长度。当信道质量的实时评估计算值大于或等于信道质量切换预警值时，表示驻留当前所选的网络进行传输信息，此后将检测周期T扩大为原来的一倍2T，即T=2T且T≤2N，N可根据实际应用场景选择不大于10的整数；当信道质量的实时评估计算值小于切换预警值且大于或等于切换门限值时，表示继续驻留当前所选的网络进行传输信息，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1；当信道质量的实时评估计算值小于切换门限值时，表示从可选网络范围内选择信道质量最优的网络作为传输信息网络，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1。动态时间窗口检测机制，利用指数退避机制，解决了固定检测周期无法分辨无线信道快衰落和慢衰落的问题。（2）网络优选评估，根据可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率等参数建立效用函数，选择效用值最大的网络作为接入网络。将每个评估参数的权重效应值为该参数效用值按照权重值取指数，然后将每项权重效用值相乘，得到待接入网络的效用函数，其中参数效用值表示为参数的实际测量值与业务要求值的比值。选择效应值最高的网络作为待切换接入网络。（3）安全认证，层簇式组密钥管理模型：将电力4G专网的控制中心设为系统的密钥生成中心（KGC），作为簇首，承担簇密钥协商发起任务，采用三叉密钥树组织成员。簇内成员采用逻辑密钥树的群组密钥协商方式建立簇密钥，解决了群组成员之间具有区域跨度大、终端节点数众多而导致组成员管理难度大、信息易泄露等问题。组密钥协商采用层层递进的方式，即下层各簇得到的簇密钥作为上层节点（即下层各簇的簇首）的私钥参与该层的簇或组密钥协商。同理，组密钥是逐层分发至所有组成员，即由上层节点将组密钥分发至下层节点（即下层各簇内的所有成员）。
下面对三个步骤进行详细介绍：
1、网络优选检测周期
无线通信信道同时具有慢衰落和快衰落特性，慢衰落与快衰落的持续时间分布通常具有随机性。因此为了应对这种随机性，在设计检测周期方案时，应充分考虑快衰落和慢衰落的影响，具备根据信道实时特性，动态确定检测周期。当无线信道处于快衰落状态时，观测的时间窗口应尽可能缩小，对应为缩小检测周期，对网络评估具有实时性，以应对信道快速变化对网络优选所带来的影响；而当无线信道处于慢衰落状态时，信道变化较为平稳，接入网络运行较为稳定，对检测的实时性要求较低，应扩大检测周期。基于指数退避的网络通信信道质量检测算法，借鉴TCP协议指数退避拥塞控制算法来动态监测每个网络链路通信质量。当驻留当前接入网络信道质量较好时，适当扩大检测周期窗口，缩小检测频率，节约检测单元的计算量，避免动态切换的频率；否则动态缩小检测周期窗口，实现细粒度的检测机制，保持较好的检测实时性。
根据电力4G无线专网的帧长度确定通信链路质量检测算法的单位时间片长度，检测周期为单位时间片长度的整数倍，实现从包括电力4G无线专网、各个运营商4G公网中选择信道质量最优的网络进行信息传输，对于部分骨干节点将还将卫星通信网纳入可选网络范围之内。首先根据上述评估算法确定切换预警值和切换门限值，然后计算信道质量实时评估值，进行门限比较判断。当信道质量的实时评估值大于或等于切换预警值时，表示继续驻留当前所接入的网络进行信息传输的最小值；当小于切换预警值且大于或等于切换门限值时，表示缩小检测时间周期，对检测时间窗口进行细粒化处理，起到网络切换的预警提示作用；当小于切换门限值时，表示从可选网络范围内选择信道质量最优的网络进行信息传输。
初始状态时，检测模块初始状态为拟采用电力4G无线专网进行信息传输，初始检测周期为1个单位时间片长度。当信道质量的实时评估计算值大于或等于信道质量切换预警值时，表示驻留当前所选的网络进行传输信息，此后将检测周期T扩大为原来的一倍2T，即T=2T且T≤2N，N可根据实际应用场景选择不大于10的整数；当信道质量的实时评估计算值小于切换预警值且大于或等于切换门限值时，表示继续驻留当前所选的网络进行传输信息，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1；当信道质量的实时评估计算值小于切换门限值时，表示从可选网络范围内选择信道质量最优的网络作为传输信息网络，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1。
2、网络优选评估
根据可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率等参数建立效用函数，选择效用值最大的网络作为接入网络。可用带宽、Eb/N0是效益型参数，其值越大则给用户带来的效用值越高，而链路负载、网络时延、丢包率是成本型参数，其值越小给用户带来的效用值越高。效用在微观经济学里指消费者在消费商品时感受到的满足程度，用来表达网络服务和用户从中获得的满意程度，效用越大表示用户满意程度越高或者用户应用的性能越好。
网络的效用与该网络每个评估参数的权重效用值成正比，将每个评估参数的权重效应值为该参数效用值按照权重值取指数，然后将每项权重效用值相乘，得到待接入网络的效用函数，其中参数效用值表示为参数的实际测量值与业务要求值的比值。令i表示待选接入网络，ui1、ui2、ui3、ui4、ui5分别表示待选接入网络i的信号强度、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率的效用值，wi1、wi2、wi3、wi4、wi5分别为上述参数对应的权重值，因此待选接入网络i的效用函数Ui为：
Figure 867260DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中
Figure 784401DEST_PATH_IMAGE004
。
根据待选网络的实际测量值，定量计算分配带宽增加时，导致链路负载、网络时延、丢包率增加的值，建立相应的关系函数，根据公式（1）确定每个待接入网络的最优分配值，同时选择效应值最高的网络作为待切换接入网络。具体执行步骤为：
步骤 1：进行网络筛选，就是根据用户能够承受的代价、业务要求的时延进行筛选，筛选出的网络满足：运营商制定的资源使用代价小于等于用户能够承受的最大代价 、网络延时小于等于业务要求的延时 ；
步骤 2：针对候选网络集，根据请求的业务速率进行筛选。筛选出的网络满足：这些网络的可用带宽之和大于等于请求业务的带宽要求；
步骤 3：根据式（1）计算各网络的效用值；
步骤 4：对这些网络效用值按照从大到小排序，最大的网络效用值记为 Umax，最大值对应的网络记为 Nmax，对应的网络进入网络选择集 S，S 中的网络就是将要接入的网络。
3、安全认证
层簇式组密钥管理模型；将电力4G专网的控制中心设为系统的密钥生成中心（KGC），作为簇首，承担簇密钥协商发起任务，簇内成员采用逻辑密钥树的群组密钥协商方式建立簇密钥，解决了群组成员之间具有区域跨度大、终端节点数众多而导致组成员管理难度大、信息易泄露等问题。
组密钥协商采用层层递进的方式，即下层各簇得到的簇密钥作为上层节点（即下层各簇的簇首）的私钥参与该层的簇或组密钥协商。同理，组密钥是逐层分发至所有组成员，即由上层节点将组密钥分发至下层节点（即下层各簇内的所有成员）。
方案采用三叉密钥树组织成员，假设密钥树的深度为h，<l，v>表示密钥树中第1层的第v个节点，第0层只有一个根节点。密钥树中共有3类节点: 叶子节点、非叶子节点（密钥节点）、根节点。每个叶子节点上有一个组成员，非叶子节点代表一个虚拟的密钥节点。
在密钥树中，
Figure 501821DEST_PATH_IMAGE006
表示第i个组成员，
Figure 897030DEST_PATH_IMAGE008
表示树中第i 行第j个节点，
Figure 399818DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 222280DEST_PATH_IMAGE012
分别为的临时密钥和盲密钥，该表示方法适用于密钥树中所有节点。树内各节点的临时密钥和盲密钥的协商规则如下：
（1）叶子节点( 即组成员节点) 的临时密钥
Figure 426997DEST_PATH_IMAGE010
由该节点随机生成；
（2）所有节点的盲密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，由本节点的临时密钥生成；
（3）每个组成员都能够利用自己的临时密钥和密钥路径上的其他节点的盲密钥，递归计算出密钥树中根节点
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的临时密钥
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure 750531DEST_PATH_IMAGE018
即为组密钥。
执行簇密钥协商和组密钥协商过程，簇密钥协商步骤如下：
（1）簇内组成员
Figure 104895DEST_PATH_IMAGE019
选择随机数
Figure DEST_PATH_IMAGE021
作为其临时密钥，计算
Figure 35942DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 790272DEST_PATH_IMAGE025
并向簇首发送消息
Figure 714234DEST_PATH_IMAGE027
，同时
Figure 237619DEST_PATH_IMAGE029
作为该组成员的盲密钥；
（2）簇首
Figure 605147DEST_PATH_IMAGE031
收到参与协议运行的其他组成员
Figure 846772DEST_PATH_IMAGE027
后，验证等式
Figure 810311DEST_PATH_IMAGE033
是否成立；等式成立，则对应的节点可以参与簇密钥协商，否则，拒绝消息并举报该节点；
电力4G专网控制中心应将组密钥安全地分发给簇内成员。不失一般性，假设任意
Figure DEST_PATH_IMAGE035
内初始共有k个组成员
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，簇首为
Figure 391465DEST_PATH_IMAGE031
。设当前簇
Figure DEST_PATH_IMAGE039
的密钥为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，簇首公钥为
Figure 851266DEST_PATH_IMAGE043
，私钥为
Figure 580187DEST_PATH_IMAGE045
，组密钥分发过程如下：
（1）簇首
Figure 350347DEST_PATH_IMAGE031
计算
Figure 848324DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 557654DEST_PATH_IMAGE049
，向簇内的所有组成员广播消息
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；
（2）簇内成员
Figure DEST_PATH_IMAGE053
收到消息
Figure 632927DEST_PATH_IMAGE054
后，计算
Figure 515432DEST_PATH_IMAGE056
，验证等式
Figure 556331DEST_PATH_IMAGE058
是否成立；若成立，则接受此消息；否则，拒绝；验证通过后，簇内每个成员
Figure 498880DEST_PATH_IMAGE053
均可通过
Figure DEST_PATH_IMAGE060
计算得组密钥。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种具有安全防护能力的电力行业全网通模组优选网络方法，包括网络优选检测、网络优选评估和安全认证三个步骤，其具体实施步骤如下：
（1）网络优选检测，检测模块初始状态为拟采用电力4G无线专网进行信息传输，初始检测周期为1个单位时间片长度，当信道质量的实时评估计算值大于或等于信道质量切换预警值时，表示驻留当前所选的网络进行传输信息，此后将检测周期T扩大为原来的一倍2T，即T=2T且T≤2N，N可根据实际应用场景选择不大于10的整数；当信道质量的实时评估计算值小于切换预警值且大于或等于切换门限值时，表示继续驻留当前所选的网络进行传输信息，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1；当信道质量的实时评估计算值小于切换门限值时，表示从可选网络范围内选择信道质量最优的网络作为传输信息网络，此后利用指数退避机制，将检测周期T缩小为原来的一半T/2，即T=T/2且T≥1；
（2）网络优选评估，根据可用带宽、Eb/N0、链路负载、网络时延、丢包率等参数建立效用函数，选择效用值最大的网络作为接入网络，将每个评估参数的权重效应值为该参数效用值按照权重值取指数，然后将每项权重效用值相乘，得到待接入网络的效用函数，其中参数效用值表示为参数的实际测量值与业务要求值的比值，选择效应值最高的网络作为待切换接入网络；
（3）安全认证，层簇式组密钥管理模型：将电力4G专网的控制中心设为系统的密钥生成中心（KGC），作为簇首，承担簇密钥协商发起任务，采用三叉密钥树组织成员，簇内成员采用逻辑密钥树的群组密钥协商方式建立簇密钥，解决了群组成员之间具有区域跨度大、终端节点数众多而导致组成员管理难度大、信息易泄露等问题，组密钥协商采用层层递进的方式，即下层各簇得到的簇密钥作为上层节点（即下层各簇的簇首）的私钥参与该层的簇或组密钥协商，同理，组密钥是逐层分发至所有组成员，即由上层节点将组密钥分发至下层节点（即下层各簇内的所有成员）。
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