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摘要：为了有效保证 5G电力物联网中数据的安全性，提出了基于信道特性和保守混沌AES（Advanced Encryption Standard）的5G电力物联网数据动态加密算法。该算法利用 5G无线信道随机性和短时互易性生成动态密钥，并以此设计一种改进型的 AES加密算法用于 5G电力物联网物理层数据加密。仿真结果表明：本方案在不同信噪比下，提高了密钥的随机性和安全性；并能有效提升加密系统的密钥空间，增强5G电力物联网系统的安全性。
关键词：5G；电力物联网；保守混沌；动态密钥；数据加密
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.015
概述
随着物联网的快速发展，物联网技术已经得到了越来越广泛的使用。电力物联网就是在智能电力系统中应用物联网技术。在电力物联网中，随着连接设备数量的增加，设备之间的通信需要大的数据容量和高的传输速率。为了有效解决该问题，基于5G的电力物联网传输技术是当前研究的热点。由于电力物联网终端节点监控区域具有广覆盖、全开放、难防护的特征，在进行数据传输时，容易受到非法用户的攻击，进而严重破坏电力物联网安全稳定运行。为了有效保证电力物联网中数据的安全，应该利用加密算法对数据进行加密后再传输，从而提高数据的安全性，避免被窃取利用。因此，研究如何利用加密算法对加强电力物联网的数据安全具有重大意义。
面对电力物联网的数据安全问题，目前研究人员已经提出了一些解决方案。文献［5］提出了一种基于多级身份验证和轻量级加密的电力物联网数据安全方案。文献［6］提出了一种用电数据全程安全传输方案，利用群签名技术的不可关联性保护个体身份的匿名性，利用数据拆分转发方式的数据隐藏策略保证数据的不可区分性，有效保障用户隐私安全。文献［7］提出一种基于区块链与 K-means 算法的智能电表分布式密钥管理方法。
上述方案一定程度上提高了电力物联网的安全性，但是数据加密算法简单，并且数据在进行加密时，通常采用固定的密钥进行加密。这样容易被攻击者获取密钥，降低了系统的安全性。特别是随着5G技术不断成熟及在电力物联网广泛应用，加密算法优化和动态密钥对电力系统安全显得尤为重要。针对上述问题以及5G无线网络场景下电力物联网安全提升，本文将混沌理论和加密算法结合起来进行加密。其中，由于混沌系统具有高度初值敏感性、混合等基本特性，表明其与密码学本身存在天然的联系。混沌信号优异的混合特性保证了基于混沌的加密方法的有效性。在此基础上，本文选取不存在耗散混沌的吸引子、涉及的相空间范围更大以及随机性更强的保守混沌系统进行加密。
针对单一密钥问题，本文利用这些信道特性随机生成动态密钥，并作为改进型保守混沌系统的动态输入进行更高阶的安全加密。在5G电力物联网中，感知层节点之间的无线通信信道特性会随着环境和通信双方的状态改变产生随机变化。另一方面，5G无线网络空口传输时延较短，在普遍使用的时分双工模式下，上下行信道具备良好的短时互易性，即每次数据在5G空口传输时间内，上行信道与下行信道的衰落特性基本一致，能够保证通信双方短时间内能获取相同的信道特性，可以进行基于信道的加解密。因此，本文基于电力物联网 5G 无线传输信道的随机性和动态性生成动态密钥，并根据信道互易性保证通信双方获取相同密钥，再利用保守混沌系统的保密特性进行加密，从而提高通信系统物理层数据的安全性能。
