CN114499853B - 基于5g和量子加密的配电站视频传输通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统及方法，包括采集层、传输层、加密层及应用层；应用层包括视频监控系统及视频存储系统，加密层包括量子加密系统和安全网关，采集层包括配电站侧的视频摄像头及量子加密CPE装置；量子加密系统产生随机量子通信密钥并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，并通过5G公网通信给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密获取量子通信密钥；量子加密CPE装置将视频摄像头采集的视频数据，应用量子通信密钥进行加密，基于5G公网将数据回传安全网关，安全网关根据量子通信密钥进行解密并发送至视频监控系统及视频存储系统。

Description

基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统及方法
技术领域
本发明涉及无线加密传输技术，尤其涉及一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统及方法。
背景技术
配电站将电送到用电设备或用户的站点，位于电网的末端，是放射形网络上的一个点，上连变电站，下连各用电设备。配电站一般容量较小，电压等级在35千伏以下。配电站分两类，大多为调度使用，调度各线路以及平衡各线路的负载；也有一些独立的，起到改变传输方式的作用。
专网就是为专业用户提供网络通信服务的专用网络，与运营商为公众提供的公网存在区别。专网本身包括无线和有线两种通信方式。
有线专网通信一般采用光纤通信方式，例如，采用XPON作为新一代光纤接入技术，有线专网(光纤)网络的组建和应用，专网的建设需要部署相关网络设备，并且需要施工建设。
无线专网通信可为电力行业提供安全可靠的无线服务的专业网络，其基础网络一般与公众蜂窝移动通信网络独立，需通过申请专用频率资源，建设专用无线网络。电力无线专网实现数据、语音、图像、视频等业务的泛在接入和可靠承载，灵活满足电力系统发输配变用环节的业务通信需求。
基于移动通信公网进行数据通信，采用4G(LTE)进行通信，可承载一定容量的带宽。但是4G的单小区通信容量有限，并且在小区覆盖内所有终端及用户共享信道资源，难以保证通信容量。采用公网通信带宽受限，无法保证通信容量，且公网通信的安全性有待加强。
目前视频监控项目采用IP解决方案，前端摄像头采集的网络视频信号通过以太网交换组建本地监控网络，并在本地部署NVR等视频存储设备。通常采用通信专网(有线、无线)与视频监控中心进行传输，并且采用国密等加密算法对视频数据进行加密。采用有线或者无线专网方案，建设成本高且周期长，复杂场景下的建设难度大；现有的加密算法主要是对数据进行加密，数据通道的整体安全性有待加强。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统及方法。
为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，将配电站侧的视频摄像头采集的视频数据上传主站侧，系统包括采集层、传输层、加密层及应用层；加密层及应用层部署在主站侧，采集层部署在配电站侧，传输层为5G公网；
应用层包括视频监控系统及视频存储系统，加密层包括量子加密系统和安全网关，采集层包括配电站侧前端的视频摄像头及量子加密CPE装置；
量子加密系统产生随机量子通信密钥并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，并通过5G公网通信给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密获取量子通信密钥；
量子加密CPE装置将视频摄像头采集的视频数据，应用量子通信密钥进行加密，基于5G公网将数据回传安全网关，安全网关根据量子通信密钥进行解密，并将解密后的视频数据发送至视频监控系统及视频存储系统。
进一步地，量子加密CPE装置与安全网关初始化时写入保护密钥，该保护密钥用于量子通信密钥的加密。
进一步地，量子加密CPE装置内置视频存储功能，用于视频数据的本地备份。
进一步地，配电站侧的视频摄像头与量子加密CPE装置通过网线进行连接。
进一步地，视频监控系统，用于实时监控视频数据，应用开启时将实时进行数据回传并进行监控显示；视频存储系统，用于存储视频数据，应用开启时采用定时方式进行数据回传并储存。
一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信方法，包括步骤：
步骤1，基于5G公网建立量子加密CPE装置和安全网关的IPsec通道；
步骤2，量子加密系统随机产生量子通信密钥并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，通过5G公网通信建立的IPsec通道传输给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密获取量子通信密钥；
步骤3，量子加密CPE装置采用量子通信密钥将视频摄像头采集的视频数据进行加密；
步骤4，通过5G公网的IPsec通道将密文上发至安全网关；
步骤5，安全网关根据量子通信密钥进行密文的解密；
步骤6，解密后的视频数据由安全网关发送至视频监控系统及视频存储系统。
进一步地，步骤2中，量子加密系统会进行量子通信密钥的更新，具体为，
视频监控系统的应用开启时，通信采用即时会话，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据会话时长周期性的更新量子通信密钥；
视频存储系统的应用开启时，通信采用定时回传，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据传输流量周期性的更新量子通信密钥。
进一步地，步骤6中，视频监控系统评估数据流，联动量子加密CPE装置动态调整视频数据码率。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明采用5G公网通信并结合量子加密通信技术，实现高容量、高安全性的加密通信；采用5G公网可实现高效、快速的无线接入，解决专网的建设投入大、时间长等问题；采用量子通信密钥对通信数据进行加密，保证传输的安全性，进一步地采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，以及量子通信密钥的更新机制，进一步提高了传输的安全性。
附图说明
图1是本发明所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统示意图；
图2是量子加密CPE装置与安全网关通过5G公网连接示意图；
图3是本发明所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，采用5G及量子加密技术结合进行视频数据传输，系统可支持视频数据的实时传输、监控及存储。
基于该配电站视频传输通信系统，将配电站侧的多个视频摄像头设备采集的视频数据安全及时的上传主站侧。系统自下而上包括采集层、传输层、加密层及应用层。
应用层，包括视频监控系统及视频存储系统，部署在主站侧。视频监控系统，用于实时监控，应用开启时将实时接收量子加密CPE装置上传的数据，并进行监控显示。视频存储系统，用于存储视频数据，应用开启时采用定时方式进行数据回传并储存。
加密层，包括量子加密系统和安全网关，部署在主站侧。量子加密系统，用于随机产生量子通信密钥，并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，通过5G公网通信给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密，获取量子通信密钥。
量子加密CPE装置与安全网关设备初始化写入首次保护密钥，该保护密钥用于首次会话建立时通信密钥的加密。
传输层，采用5G公网通信，量子加密CPE装置将视频数据回传至安全网关。
采集层，包括配电站侧的前端视频摄像头及量子加密CPE装置。
量子加密CPE装置，将采集的视频数据，应用量子通信密钥进行加密，基于5G公网进行数据回传，安全网关根据量子通信密钥进行密文的解密，将解密后的视频数据由安全网关发送至视频监控系统及视频存储系统。
量子加密CPE装置同时内置视频存储功能，是通过CPE装置内部集成Flash等存储介质进行视频数据的存储。CPE装置将视频数据定时回传至视频存储系统，回传完成后进行数据擦写，释放存储空间。CPE内置视频存储功能也可保证网络异常时，实现视频数据的本地备份，同时避免采用NVR方式进行本地化存储。
CPE装置集成内置视频存储功能，取代本地的NVR，并可以通过通信系统将视频数据回传至视频系统存储。
如图2所示，配电站侧的视频摄像头设备与量子加密CPE装置通过网线进行连接，由量子加密CPE装置通过5G公网将视频数据传输至安全网关。
配电站一般配置多个视频摄像头，因此传输多路视频数据需要较大的带宽，采用5G公网通信可实现中小区域范围的大容量通信，解决传统通信技术传输速率不足的问题。
依托于移动通信公网进行视频数据传输，可实现视频摄像头设备的灵活快速接入，满足实时监控和数据回传的需要。仅需要支付对应的流量费用，相比建设通信专网可极大的降低通信成本，可实现随时接入，解决了专网建设施工周期长的问题。
如图3所示，本发明所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信方法，包括具体步骤：
步骤1，基于5G公网建立量子加密CPE装置和安全网关的IPsec通道；
步骤2，量子加密系统随机产生量子通信密钥，并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，通过5G公网通信建立的IPsec通道传输给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密，获取量子通信密钥。
量子加密CPE装置与安全网关设备初始化写入首次保护密钥，该保护密钥用于首次会话建立时通信密钥的加密。
步骤3，量子加密CPE装置采用量子通信密钥将摄像头采集的视频数据进行加密；
步骤4，通过5G公网的IPsec通道将密文(视频数据流)上发至安全网关；
步骤5，安全网关根据量子通信密钥进行密文的解密；
步骤6，解密后的视频数据由安全网关发送至视频监控系统及视频存储系统。
量子加密系统会进行量子通信密钥的更新，具体为，应用层视频系统分为视频监控系统及视频存储系统2块，视频监控系统为实时监控，根据应用发起即时会话，视频存储系统的数据存储是采用定时方式进行数据回传。因此根据2块应用建立不同的密钥更新机制，分别为实时监控通信密钥更新机制及定时回传通信密钥更新机制。
对于视频监控系统的应用开启时，通信采用即时会话，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据会话时长周期性的更新量子通信密钥。
对于视频存储系统的应用开启时，通信采用定时回传，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据传输流量周期性的更新量子通信密钥。
针对5G网络质量波动或者5G小区业务高负荷时，视频数据流出现丢包或者重传的情况，量子加密CPE装置联动应用层视频监控系统进行动态调整视频数据码率，降低对传输带宽的要求，保证视频监控的流畅性。
视频系统处在实时监控状态时，视频监控系统会根据数据流的丢包率和重传率等指标进行分析评估，如达到出现丢包率和重传率低于服务质量低门限，则告知安全网关，通过IPsec通道通知量子加密CPE装置，降低监控视频传输码率，保证视频监控效果。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明采用5G公网通信并结合量子加密通信技术，实现高容量、高安全性的加密通信；采用5G公网可实现高效、快速的无线接入，解决专网的建设投入大、时间长等问题；采用量子通信密钥对通信数据进行加密，保证传输的安全性，进一步地采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，以及量子通信密钥的更新机制，进一步提高了传输的安全性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，其特征在于，将配电站侧的视频摄像头采集的视频数据上传主站侧，系统包括采集层、传输层、加密层及应用层；加密层及应用层部署在主站侧，采集层部署在配电站侧，传输层为5G公网；
应用层包括视频监控系统及视频存储系统，加密层包括量子加密系统和安全网关，采集层包括配电站侧前端的视频摄像头及量子加密CPE装置；
量子加密CPE装置与安全网关初始化时写入保护密钥，用于量子通信密钥的加密；
量子加密系统产生随机量子通信密钥并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，并通过5G公网通信给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密获取量子通信密钥；
量子加密CPE装置将视频摄像头采集的视频数据，应用量子通信密钥进行加密，基于5G公网将数据回传安全网关，安全网关根据量子通信密钥进行解密，并将解密后的视频数据发送至视频监控系统及视频存储系统；
视频监控系统，用于实时监控视频数据，应用开启时将实时进行数据回传并进行监控显示；视频监控系统的应用开启时，通信采用即时会话，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据会话时长周期性的更新量子通信密钥；
视频存储系统，用于存储视频数据，应用开启时采用定时方式进行数据回传并储存；视频存储系统的应用开启时，通信采用定时回传，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据传输流量周期性的更新量子通信密钥。
2.根据权利要求1所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，其特征在于，量子加密CPE装置内置视频存储功能，用于视频数据的本地备份。
3.根据权利要求1所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，其特征在于，配电站侧的视频摄像头与量子加密CPE装置通过网线进行连接。
4.一种基于5G和量子加密的配电站视频传输通信方法，基于权利要求1-3任一所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信系统，其特征在于，包括步骤：
步骤1，基于5G公网建立量子加密CPE装置和安全网关的IPsec通道；
步骤2，量子加密系统随机产生量子通信密钥并提交安全网关，安全网关采用保护密钥对量子通信密钥进行加密，通过5G公网通信建立的IPsec通道传输给量子加密CPE装置，量子加密CPE装置根据保护密钥进行解密获取量子通信密钥；
量子加密系统会进行量子通信密钥的更新，具体为，
视频监控系统的应用开启时，通信采用即时会话，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据会话时长周期性的更新量子通信密钥；
视频存储系统的应用开启时，通信采用定时回传，则每次建立新会话，均采用全新密钥，并量子加密系统根据传输流量周期性的更新量子通信密钥；
步骤3，量子加密CPE装置采用量子通信密钥将视频摄像头采集的视频数据进行加密；
步骤4，通过5G公网的IPsec通道将密文上发至安全网关；
步骤5，安全网关根据量子通信密钥进行密文的解密；
步骤6，解密后的视频数据由安全网关发送至视频监控系统及视频存储系统。
5.根据权利要求4所述的基于5G和量子加密的配电站视频传输通信方法，其特征在于，步骤6中，视频监控系统评估数据流，联动量子加密CPE装置动态调整视频数据码率。
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