智能电网中的轻量级物理层辅助认证技术研究

摘要

智能电网中部署了大量的智能计量设备，它们通过无线通信方式来实现电网状态监控和用电交互。但由于无线信道的开放性和无线传输的广播特性，使得智能电网系统很容易遭受消息篡改伪造、恶意节点攻击、拒绝服务攻击等，所以必须为智能电网提供更有效的安全保障。消息认证能够保证消息的完整性和真实性，但传统的基于加密的上层认证机制计算复杂度高、时延大，不适用于资源和能源受限的智能终端设备进行实时消息认证。
　　物理层认证技术利用无线信道响应的空时唯一性，通过比较连续信道响应之间的相关性来进行消息认证。由于对连续信道响应进行比较只涉及硬件操作，所以物理层认证具有快速、高效的特点，非常适用于对智能电网中资源能源受限的终端进行连续、实时认证。本论文以物理层认证技术在智能电网中的应用为研究对象，主要完成了以下工作：
　　1.研究了 LS信道估计的常用插值算法，并对各种插值算法性能进行了仿真分析和对比，最终选取ILS算法来提取信道响应进行物理层认证。
　　2.研究了基于假设检验的物理层认证技术。在总结和比较物理层认证中常用检验统计量的基础上，提出了一种改进的归一化LRT统计量计算方案，使得门限的求解更为简单。在归一化LRT统计量的基础上，提出了一种改进的SPRT统计量计算方案。通过仿真对比了各统计量下的LRT和SPRT物理层认证性能，结果表明SPRT统计量具有更好的检测性能，其检测性能比LRT统计量提升了约2dB。
　　3.将物理层认证技术与传统上层认证技术相结合，提出了适用于智能电网的单向和双向跨层认证方案。
　　4.利用物理层信道响应反映智能电表物理位置的性质，提出了基于信道指纹的集中式和分布式克隆节点、Sybil节点检测方案。集中式恶意节点检测方案具有开销小、检测率高的特点，但存在单点失效问题；分布式恶意节点检测方案避免了单点失效问题，但检测开销有所提升。在MATLAB中的仿真结果表明，在中心节点可靠或见证节点个数达到O(√n)数量级时，可使检测率趋于100％。

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缩略词表及定义

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 智能电网中物理层认证技术的研究现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文主要内容与结构安排

第二章 无线信道理论

2.1 无线信道主要特性

2.2 无线信道模型

2.3 本章小结

第三章 OFDM系统及信道估计技术

3.1 OFDM系统原理

3.2 信道估计技术

3.3 本章小结

第四章 物理层认证技术

4.1 基于假设检验的物理层认证

4.2 几种常用的检验统计量

4.3 归一化LRT统计量

4.4 一种新的归一化SPRT统计量

4.5 仿真结果分析

4.6 本章小结

第五章 智能电网中的跨层认证方案

5.1 传统认证技术局限性分析

5.2 智能电表系统通信网络架构

5.3 基于PKI的跨层认证方案

5.4 基于对称加密的跨层认证方案

5.5 跨层认证方案分析

5.6 本章小结

第六章 物理层认证在智能电表系统中的仿真

6.1 IEEE802.15.4g物理层标准

6.2 单向物理层认证仿真分析

6.3 双向物理层认证仿真分析

6.4 本章小结

第七章 智能电网中的恶意节点攻击检测

7.1 智能电表中的克隆节点检测

7.2 智能电表中的Sybil节点检测

7.3 本章小结

第八章 总结和展望

8.1 本文主要工作总结

8.2 后续工作及展望

致谢

参考文献

硕士研究生期间研究成果

个人简历

学位论文评审后修改说明表

学位论文答辩后勘误修订说明表