摘要： 電力線通信目前用途廣泛，具有廣闊的市場前景。但由于存在信息安全問題以及通過復雜信道的誤 碼問題，需通過在信源端選擇加密算法來對原始信息進行加密．
電力線通信以電力網(wǎng)作為傳輸信道，在網(wǎng)絡內(nèi)部各節(jié)點之間以及與其他通信網(wǎng)絡之間實現(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、安裝便捷和擴展容易等顯著特點，可廣泛應用于智能小區(qū)系統(tǒng)、遠程抄表系統(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公開的信道，其信息傳遞過程中的安全性得不到有效的保障，因此進行加密通信顯得十分重要，并且由于加密后的信息在通過復雜的電力線信道時存在誤碼問題，在解碼后會造成誤碼的雪崩效應，因此還需進行信道編碼。通過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，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。該技術將信號傳輸?shù)诫娏�上，該信號是經(jīng)高頻載波調(diào)制后的信號。電力線載波通信系統(tǒng)的基本原理如圖1所示，智能設備發(fā)送數(shù)據(jù)到載波收發(fā)器上進行調(diào)制，經(jīng)耦合器將信號耦合到電力線上進行傳輸，接收端同理通過耦合器接收信號，經(jīng)過載波收發(fā)器解調(diào)后發(fā)送給智能設備。
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)進行加密和解密，所用的密鑰也是64位（其中56位參與運算），并被美國國家標準局宣布為數(shù)據(jù)加密標準DES，主要用于非國家保密機關。
DES對64位明文分組進行操作。通過一個初始置換，將明文分組分成左半部分和右半部分，各32位長，然后進行16輪完全相同的運算，這些運算被稱為函數(shù)f，在運算過程中數(shù)據(jù)與密鑰結(jié)合。經(jīng)過16輪后，左、右半部分合在一起經(jīng)過一個末置換（初始置換的逆置換），算法就完成了。在每一輪中，密鑰位移位，然后再從參與運算的56位密鑰中選出48位。通過一個擴展置換將數(shù)據(jù)的右半部分擴展成48位，并通過一個異或操作與48位密鑰結(jié)合，通過8個S盒將這48位替代成新的32位數(shù)據(jù)，再將其置換一次。這四步運算構(gòu)成了函數(shù)f。然后，通過另一個異或運算，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16次，便實現(xiàn)了DES的16輪運算。
3.漢明碼編碼原理
漢明碼是在電信領域的一種線性調(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髦胁迦蓑炞C碼，以偵測并更正單一比特錯誤。漢明碼的糾錯能力t=1，二進制漢明碼n和k服從以下規(guī)律(/^)=(2n,-1.2Hi-l-/;;)⑴式1中，m=n-k，當m=3,4，5，6，7，8……時，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描述該分組碼產(chǎn)生監(jiān)督元。
顯然，這三個方程是線性無關的，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實現(xiàn)
利用兩塊TMS320F2812DSP目標板，其中一塊目標板實現(xiàn)DES加密和(7，4)漢明碼編碼模塊，另一塊目標板實現(xiàn)DES解密和（7，4)漢明碼譯碼模塊。驗證對電力線載波通信系統(tǒng)進行加密編碼以及信道編碼的可行性。利用CCS軟件進行DES加解密與(7，4)漢明碼編譯碼的程序編寫，上位機每次輸人一個數(shù)據(jù)包（8字節(jié)），DSP將接收到的數(shù)據(jù)通過DES加密算法進行加密。以四個數(shù)據(jù)包為一幀（32字節(jié)），DSP目標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（7，4)漢明碼編碼算法分別進行漢明碼編碼，得到56字節(jié)數(shù)據(jù)，最后，通過串行通信接口發(fā)送到PLC模塊調(diào)制，接收端DSP目標板同樣運行譯碼程序，編譯通過后通過下載器將目標程序下載到DSP目標板上。
上位機通過串行通信接口發(fā)送數(shù)據(jù)到DSP目標板上，完成原始數(shù)據(jù)的加密以及信道編碼，再通過串行通信接口將編碼后的數(shù)據(jù)送人PLC目標板上進行信號調(diào)制，通過耦合電路將信號耦合到電力線信道上進行發(fā)送。接收端將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過PLC模塊解調(diào)以及DSP目標板的譯碼后將恢復后的數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端的下位機中，完成整體的系統(tǒng)通信。系統(tǒng)發(fā)送端與接收端相同。
5.實驗結(jié)果
利用CCS軟件進行加解密編碼以及信道編譯碼的代碼編寫，并下載到目標DSP板上運行，通過與上位機以及PLC模塊的連接實現(xiàn)整體系統(tǒng)的通信工作。通過發(fā)送端與接收端的串口通信軟件測試通信系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
實驗參數(shù)設置如下：發(fā)送端與接收端的上位機分別用COM6和COM4端口進行通信，串口通信波特率為9600。數(shù)據(jù)位為8位，無校驗位，一個停止位,每次發(fā)送一個數(shù)據(jù)包（八字節(jié)），以四個數(shù)據(jù)包為一幀進行信號處理。
實驗測試數(shù)據(jù)如圖5〜8所示，上位機串口通信程序發(fā)送96字節(jié)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過DES加密編碼后得到新的96字節(jié)數(shù)據(jù)，通過（7，4)漢明碼編碼后得到168字節(jié)數(shù)據(jù)，最后，通過接收端DSP目標板譯碼后恢復原始的96字節(jié)數(shù)據(jù)。圖5為上位機通過串口程序發(fā)送的數(shù)據(jù)，圖6為經(jīng)過DES加密編碼后得到的數(shù)據(jù)，圖7為進行信道編碼后得到的數(shù)據(jù)，圖8為接收端恢復出的數(shù)據(jù)。
在一定的實驗條件下，經(jīng)過測試不同時段中進行信道編碼與不進行信道編碼的誤碼率和誤包率對比。
實驗分析說明通過CCS實現(xiàn)信源加密算法以及信道編碼算法，并下載到DSP目標板運行，通過兩個串行通信接口分別與上位機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，對加密后的數(shù)據(jù)進行信道編碼有效地降低了通信過程的誤碼率。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程的可靠性。
