雙碳目標(biāo)下NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

王延峰，申永鵬，唐耀華，鐘建英，張友鵬

雙碳目標(biāo)下NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

王延峰1，申永鵬1，唐耀華2，鐘建英3，張友鵬3

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000；3.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

圍繞NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)，分析了“雙碳”目標(biāo)下能源系統(tǒng)新特征，從繪制碳足跡、優(yōu)化能源供給、優(yōu)化能源交易和構(gòu)建雙向信息流四個(gè)方面剖析了能源物聯(lián)網(wǎng)對“雙碳”目標(biāo)的支撐作用?？偨Y(jié)了“雙碳”目標(biāo)下能源物聯(lián)網(wǎng)的特性及需求，歸納了以NB-IoT 為代表的LPWAN與能源物聯(lián)網(wǎng)的匹配關(guān)系。探索構(gòu)建了包含NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組和安全服務(wù)平臺(tái)的能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架。重點(diǎn)分析了基于eSIM+ESAM NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)安全模組硬件、基于GlobalPlatform可信框架的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組軟件，以及基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可為能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、交易和消費(fèi)領(lǐng)域提供安全、可信的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案，為構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系提供可信數(shù)據(jù)支撐，助力“3060雙碳目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)。

“雙碳”目標(biāo)；NB-IoT；LPWAN；能源物聯(lián)網(wǎng)；安全

0 引言

2030年達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)是我國接下來相當(dāng)長一個(gè)時(shí)期涉及能源、環(huán)境、工業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展導(dǎo)向[1]。能源領(lǐng)域是碳排放的主要來源。2020年，全國能源消費(fèi)產(chǎn)生的碳排放占碳排放總量的85%，約占全部溫室氣體排放的70%[2]。因此，能源領(lǐng)域的節(jié)能減排將是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重中之重。

能源事關(guān)國計(jì)民生，涉及電力、煤炭、供熱、石油等重要行業(yè)?！半p碳”目標(biāo)下，能源的生產(chǎn)、利用、消費(fèi)等環(huán)節(jié)均將呈現(xiàn)出新的特征，數(shù)字化和智能化是確保下一階段能源領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。建設(shè)安全、可信的能源物聯(lián)網(wǎng)，梳理全社會(huì)能源脈絡(luò)，繪制碳足跡，可為能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、交易和消費(fèi)提供大數(shù)據(jù)支撐，為構(gòu)建碳中和基礎(chǔ)理論體系，實(shí)現(xiàn)能源體系Pareto優(yōu)化，促進(jìn)資源配置效率提升，引導(dǎo)能源系統(tǒng)扁平化發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施保障，助力碳排放權(quán)市場化交易，培育創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，最終實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”[3-4]。

能源物聯(lián)網(wǎng)具有數(shù)據(jù)類型多、采集范圍廣、產(chǎn)業(yè)鏈條長、迭代速度快等特征，各類業(yè)務(wù)場景的業(yè)務(wù)規(guī)模、責(zé)任主體、數(shù)據(jù)種類和信息傳播形態(tài)存在差異，為物聯(lián)網(wǎng)安全管理帶來了挑戰(zhàn)。因此，從感控層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和運(yùn)維層構(gòu)建多元能源物聯(lián)網(wǎng)安全體系，對于促進(jìn)能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

圍繞“雙碳”目標(biāo)下NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)，本文首先分析了“雙碳”目標(biāo)下能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出的生產(chǎn)去中心化、利用集約化、消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化等特征。然后在分析能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與“雙碳”目標(biāo)之間的支撐關(guān)系、能源物聯(lián)網(wǎng)基本特性及其需求的基礎(chǔ)上，對NB-IoT LPWAN (Low-Power Wide Area Network) 特性與能源物聯(lián)網(wǎng)需求之間的匹配進(jìn)行歸納，探索了包含NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組和安全服務(wù)平臺(tái)兩個(gè)方面的能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)，為NB-IoT在電力、燃?xì)狻崃?、石油等能源領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端的安全應(yīng)用提供了安全解決方案。具體創(chuàng)新性工作如下：

(1) 從繪制碳足跡、優(yōu)化能源供給、優(yōu)化能源交易和構(gòu)建雙向信息流四個(gè)方面剖析了能源物聯(lián)網(wǎng)對“雙碳”目標(biāo)的支撐作用，總結(jié)了能源物聯(lián)網(wǎng)特性及需求，歸納了以NB-IoT 為代表的LPWAN與能源物聯(lián)網(wǎng)的匹配關(guān)系。

(2) 探索構(gòu)建了包含NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組和安全服務(wù)平臺(tái)的能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架，并重點(diǎn)分析了基于eSIM+ESAM NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)安全模組硬件、基于GlobalPlatform可信框架的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組軟件以及基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理關(guān)鍵技術(shù)。

1 “雙碳”目標(biāo)與能源物聯(lián)網(wǎng)

1.1 “雙碳”目標(biāo)下能源系統(tǒng)新特征

構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)、能源利用、能源消費(fèi)的全鏈條高效低碳運(yùn)行，是促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保障[5-7]。未來能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下特征。

(1) 能源生產(chǎn)的去中心化

與以煤炭為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)集中式能源系統(tǒng)相比，分布式能源具有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面，可充分利用能源消費(fèi)地的風(fēng)、光、天然氣、地?zé)岬荣Y源稟賦，降低能源遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備設(shè)施的建設(shè)、運(yùn)維、損耗成本，減小對外部能源依賴，提高能源安全保障；另一方面，可通過多聯(lián)供、多能互補(bǔ)、能源梯級(jí)利用等方式實(shí)現(xiàn)能源利用效率的提升，從而大幅降低集中供能帶來的污染物及碳排放。未來分布式能源將朝著以下方向發(fā)展：① 通過對終端用能客戶消費(fèi)習(xí)慣的數(shù)據(jù)采集與分析，實(shí)現(xiàn)對用戶消費(fèi)模式和消費(fèi)特征的深度挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)面向終端的能源優(yōu)化；② 分布式能源之間、分布式能源與集中式能源之間在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上的深度耦合，實(shí)現(xiàn)能源供給的最優(yōu)化。

(2) 能源利用的集約化

貫穿于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全過程的能源集約化利用，將確保能源的高效、低碳消耗，具體包括：① 電力在終端用能中的比重將進(jìn)一步增大，燃煤、燃油等終端能源消費(fèi)形式將逐漸被電能替代；② 能耗限額標(biāo)準(zhǔn)、終端能耗監(jiān)測系統(tǒng)、碳排放統(tǒng)計(jì)核算系統(tǒng)將進(jìn)一步覆蓋行業(yè)、企業(yè)、產(chǎn)品，能效統(tǒng)計(jì)監(jiān)測和計(jì)量體系將進(jìn)一步健全、提升；③ 能源消費(fèi)的分散化、多元化必須依賴精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)支撐，信息流與能量流的高度融合，將進(jìn)一步促進(jìn)對海量用能終端的精準(zhǔn)量測、決策、控制，支撐能源的高效利用。

(3) 能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化

“富煤、貧油、少氣”的資源稟賦造就了我國以煤為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化將重點(diǎn)圍繞：① 推廣煤制油氣、醇類燃料替代，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效清潔利用和高質(zhì)量發(fā)展；② 大力發(fā)展天然氣、核能以及風(fēng)、光等可再生能源，進(jìn)而打造多元化的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)；③ 可再生能源將成能源消費(fèi)增量主體，電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，儲(chǔ)能在高比例新能源電力系統(tǒng)中的作用將進(jìn)一步凸顯，電力系統(tǒng)全面數(shù)字化將推動(dòng)構(gòu)建高效、智慧的調(diào)度運(yùn)行體系，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)深度融合[8]。

(4) 能源新模式新業(yè)態(tài)的不斷涌現(xiàn)

低碳降耗的內(nèi)在要求，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)與能源領(lǐng)域的深度融合將催生新模式和新業(yè)態(tài)，包括：① 傳統(tǒng)單一能源供應(yīng)向多元清潔綜合能源供應(yīng)商轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)“電、熱、冷、氣、水、氫”多能協(xié)同；② 能源服務(wù)向多元化、綜合化發(fā)展，能源消費(fèi)者與供應(yīng)者的關(guān)系從單向供需關(guān)系向雙向互動(dòng)模式轉(zhuǎn)變，逐步參與生產(chǎn)、交易和儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)；③ 物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)將進(jìn)一步挖掘各類能源全生命周期數(shù)據(jù)價(jià)值，成為提升能源系統(tǒng)整體效率的重要支撐[9]。

1.2 能源物聯(lián)網(wǎng)全方位助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)

“雙碳”目標(biāo)下能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出的生產(chǎn)去中心化、利用集約化、消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化等特征，均進(jìn)一步凸顯了物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字化技術(shù)對于促進(jìn)能源體系能效提升的重要性。研究表明，我國能源體系能效需要比目前提升3倍才能實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)[10]。能源物聯(lián)網(wǎng)對提升我國能源體系能效，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的作用主要體現(xiàn)在以下方面。

(1) 繪制碳足跡，構(gòu)建碳中和基礎(chǔ)理論體系

“碳達(dá)峰”“碳中和”是當(dāng)今全世界范圍內(nèi)的熱門話題，但是有關(guān)碳在能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、消費(fèi)、交易、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)中的足跡、能源系統(tǒng)全局優(yōu)化等方面，目前尚未有經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、能源科學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，無法構(gòu)建系統(tǒng)性的分析框架，進(jìn)而無法為探索科學(xué)的碳中和技術(shù)路徑及宏觀政策提供理論支撐[11]。

能源物聯(lián)網(wǎng)是能源系統(tǒng)的“神經(jīng)末梢”，其海量接入特性可為精確繪制碳足跡提供數(shù)據(jù)支撐，在保障能源供應(yīng)安全的前提下，為構(gòu)建碳中和經(jīng)濟(jì)學(xué)范式、社會(huì)學(xué)范式和能源范式，建立符合中國國情的碳中和理論體系奠定基礎(chǔ)。

(2) 優(yōu)化能源供給，實(shí)現(xiàn)能源體系Pareto優(yōu)化

能源物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)和社會(huì)級(jí)兩個(gè)層面的能源供給優(yōu)化。一方面，在智慧園區(qū)、智慧工廠等系統(tǒng)層面，能源物聯(lián)網(wǎng)可構(gòu)建電力、燃?xì)?、熱力等多種能源的能流圖、碳流圖，為實(shí)現(xiàn)能源利用效率、能源供給可靠性等多目標(biāo)的Pareto優(yōu)化提供支撐。另一方面，在區(qū)域能源布局、國家能源戰(zhàn)略等社會(huì)級(jí)層面，能源物聯(lián)網(wǎng)可構(gòu)建能源轉(zhuǎn)換路徑、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境影響之間的映射關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)區(qū)域及全社會(huì)范圍內(nèi)的能源配置、能源安全、生態(tài)安全等多目標(biāo)的Pareto優(yōu)化提供支撐。

(3) 優(yōu)化能源交易，促進(jìn)資源配置效率提升

由于市場不完善和信息不對稱造成的能源要素配置扭曲會(huì)部分抵消技術(shù)進(jìn)步的作用，阻礙經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，并且其再配置效應(yīng)隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[12-14]。能源物聯(lián)網(wǎng)可有效緩解能源產(chǎn)銷、能源供需兩側(cè)的信息不對稱性和時(shí)間不確定性，為能源市場主體提供點(diǎn)對點(diǎn)精準(zhǔn)交易信息保障，降低能源交易過程中的無效損耗，提高能源交易效率和資源配置效率[2]。

(4) 構(gòu)建雙向信息流，引導(dǎo)能源系統(tǒng)扁平化發(fā)展

傳統(tǒng)的能源消費(fèi)、交易環(huán)節(jié)通常為非實(shí)時(shí)單向信息流動(dòng)，系統(tǒng)響應(yīng)速度和用戶參與程度都存在局限性。能源物聯(lián)網(wǎng)為能源供應(yīng)者和消費(fèi)者提供了雙向互動(dòng)的信息基礎(chǔ)設(shè)施，可鼓勵(lì)、引導(dǎo)用戶通過有序用電、有序用氣、V2G(Vehicle-to-Grid)等方式參與調(diào)峰，甚至成為能源的供應(yīng)者。進(jìn)一步地，促進(jìn)了碳交易、碳稅等相關(guān)機(jī)制、制度的建設(shè)和完善，以及多主體、多元化的低碳能源交易市場的建立[2]。

能源物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源領(lǐng)域的延伸。我國政府高度重視物聯(lián)網(wǎng)及其安全建設(shè)對能源體系效能提升的基礎(chǔ)性支撐作用，表1所示為近年來我國相關(guān)部門發(fā)布的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相關(guān)政策。

1.3 能源物聯(lián)網(wǎng)特性及需求分析

除具有對象廣、范圍大、智能化程度高、連接復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)基本特征之外，能源生產(chǎn)的去中心化、能源消費(fèi)的分散化/多元化、能源服務(wù)的綜合化，賦予了能源物聯(lián)網(wǎng)以下特征。

(1) 數(shù)據(jù)類型多，采集范圍廣，安全保護(hù)難度大

能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集類型多，包含電壓、電流、有功功率、無功功率等電參數(shù)，溫度、壓力、質(zhì)量、流量、頻率等物理參數(shù)，酸堿度、濃度等化學(xué)參數(shù)。

海量異構(gòu)數(shù)據(jù)將涵蓋各能源生產(chǎn)主體的全方位信息，并且成為其重要的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，在采集、傳輸、存儲(chǔ)的各個(gè)階段均有被泄漏安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 產(chǎn)業(yè)鏈條長，安全責(zé)任界限模糊

以燃煤火電的生產(chǎn)和消費(fèi)為例，其產(chǎn)業(yè)鏈條縱向直接涵蓋煤礦開采企業(yè)、運(yùn)輸企業(yè)、火電廠、電網(wǎng)企業(yè)、終端用戶等主體，間接涵蓋煤礦開采設(shè)備企業(yè)、火力發(fā)電及控制設(shè)備企業(yè)、煙氣處理設(shè)備、電力設(shè)備企業(yè)。橫向涵蓋設(shè)備制造商、運(yùn)營商、用戶等多方利益主體，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)安全泄漏問題，安全責(zé)任難理清。

(3) 迭代速度快，安全升級(jí)風(fēng)險(xiǎn)凸顯

當(dāng)前，能源物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架尚未統(tǒng)一，商業(yè)模式與盈利模式尚未明確，各能源市場主體之間的通信規(guī)約尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。再加上行業(yè)發(fā)展迅速，新事物、新模式層出不窮，能源物聯(lián)網(wǎng)終端必須具有便捷的軟件迭代速度，以適應(yīng)新模式、新需求。因此，能源物聯(lián)網(wǎng)終端必須具有高安全度的升級(jí)管理功能。

鑒于能源物聯(lián)網(wǎng)的上述特性，結(jié)合能源物聯(lián)網(wǎng)的基本屬性，其應(yīng)具備以下屬性。

(1) 具備低功耗海量連接特性，以便于區(qū)域內(nèi)的多節(jié)點(diǎn)部署，以電池供電場景下的長期可靠工作。

表1 物聯(lián)網(wǎng)及NB-IoT發(fā)展相關(guān)的國家政策

(2) 具有完整的物理數(shù)據(jù)安全、可信服務(wù)管理、安全升級(jí)管理和密鑰升級(jí)管理等感知層安全功能。

(3) 具有完善的網(wǎng)絡(luò)層安全解決方案，采用統(tǒng)一通信制式，以便于實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的統(tǒng)一部署，且具有完善的物聯(lián)網(wǎng)卡安全管理鏈條。

(4) 具有AS(Access Stratum)和NAS(Non Access Stratum)網(wǎng)絡(luò)層安全特性。

2 NB-IoT LPWAN及其特性分析

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是 3GPP R13在LTE 技術(shù)基礎(chǔ)上提出的精簡物聯(lián)網(wǎng)新型終端通信技術(shù)，是為實(shí)現(xiàn)大連接、廣覆蓋、低功耗等要求而設(shè)計(jì)的專門用于物聯(lián)網(wǎng)的窄帶無線蜂窩通信技術(shù)，已成為5G時(shí)代的核心LPWAN技術(shù)。從基本特性、網(wǎng)絡(luò)層安全特性、能源領(lǐng)域應(yīng)用情況等方面來看，NB-IoT高度匹配能源物聯(lián)網(wǎng)需求。

2.1 NB-IoT基本特性

(1) 深度覆蓋：下行Stand alone模式為43 dBm/ 180 kHz，功率譜密度比LED增強(qiáng)17 dB，In band模式35 dBm/180 kHz，功率譜密度比LTE增強(qiáng)9 dB。上行23 dBm/15 kHz，Single tone模式，功率譜密度比LTE增強(qiáng)10.8 dB。采用多次重傳提升HARQ增益，以更低速率換取覆蓋增益。下行最大重傳2 048次，上行最大重傳128次?？傮w上，NB-IoT的覆蓋半徑約為GSM/LTE的4倍[15-16]。

(2) 超低功耗：設(shè)計(jì)有PSM模式和eDRX模式，大幅降低了模組功耗。PSM模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達(dá)，從而使終端更長時(shí)間駐留在深度睡眠狀態(tài)，以達(dá)到省電的目的。eDRX增大了空閑模式下巡護(hù)信道偵聽周期，空閑模式不連續(xù)接收周期由秒級(jí)至小時(shí)級(jí)，連接模式不連續(xù)接收周期支持5.12 s和10.24 s，大幅提升了低功耗運(yùn)行時(shí)的下行可達(dá)性。極低功耗可確保電池供電NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)裝置長達(dá)10年的使用壽命(視具體應(yīng)用情況而定)[17-18]。

(3) 超低成本：通過簡化協(xié)議棧、簡化射頻電路、簡化基帶處理復(fù)雜度，NB-IoT不支持MIMO、無需雙工器、降低了帶外及阻塞指標(biāo)，基帶復(fù)雜度和射頻電路分別降低了10%和65%[19-21]。目前(2021年6月)NB-IoT模組成本已降至15元以下。

(4) 海量連接：采用窄帶技術(shù)，上下等效功率提升，進(jìn)而大幅提升了信道容量。通過減小空口信令開銷，提升了頻譜密度。通過基站和核心網(wǎng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的準(zhǔn)入擁塞控制、下行數(shù)據(jù)緩存和終端上下文存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)5萬連接數(shù)/小區(qū)[22-23]。

2.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)層安全特性

(1) 對于同時(shí)支持控制面優(yōu)化傳輸方案和用戶面優(yōu)化傳輸方案的終端，NB-IoT采用AS和NAS兩層安全機(jī)制，前者確保了接入網(wǎng)中的RRC(Radio Resource Control)安全和用戶面安全，后者確保了EPC(Evolved Packet Core)中的NAS安全。

(2) 通過定義ASME(Access Safe Management Entity)，實(shí)現(xiàn)了接入網(wǎng)從HSS(Home Subscriber Server)接收最高級(jí)密鑰。此外，NB-IoT構(gòu)建了包含終端和HSS間共享的密鑰、終端和ASME間共享的密鑰、終端和MME(Mobility Management Entity)間共享的密鑰、終端和基站間共享的密鑰四層密鑰構(gòu)架。

(3) 通過SMC(Security Mode Control)來完成接入層和非接入層的安全性激活，并且可以通過RRC連接重建立過程和RRC連接恢復(fù)過程重新激活接入層安全。

(4) 通過使用完整性保護(hù)密鑰和完整性校驗(yàn)碼(由計(jì)數(shù)值、承載識(shí)別、上下行方向指示、數(shù)據(jù)內(nèi)容構(gòu)成)構(gòu)建了數(shù)據(jù)完整性保護(hù)機(jī)制，確保了數(shù)據(jù)完整性[24]。

2.3 NB-IoT在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，NB-IoT已經(jīng)在能源領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。文獻(xiàn)[25]通過抽象化泛在物聯(lián)網(wǎng)的信息論表述，量化比較了包含NB-IoT技術(shù)在內(nèi)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸容量上的優(yōu)勢，綜合估算了智能感知網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，探討了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)邊緣算法的可分解性與下沉系數(shù)，定義了描述邊緣算法可分解程度的范式。文獻(xiàn)[26]以典型電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為例，分析了電力物聯(lián)網(wǎng)的通信需求，從包含NB-IoT在內(nèi)的面向電力物聯(lián)網(wǎng)新業(yè)務(wù)的電力通信網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用和電力通信網(wǎng)發(fā)展趨勢兩個(gè)方面對電力通信網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了探索。此外，市場上已經(jīng)初步涌現(xiàn)出一批圍繞電力、熱力、燃?xì)獾饶茉搭I(lǐng)域的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)解決方案，相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了NB-IoT數(shù)據(jù)采集終端、NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)等相關(guān)產(chǎn)品，民用能源表計(jì)是(燃?xì)獗?、熱力表、電表? NB-IoT的最大應(yīng)用場景，年新增接入數(shù)已超過兩千萬。

NB-IoT的基本特性、網(wǎng)絡(luò)層安全特性以及在能源領(lǐng)域的應(yīng)用表明，其具備承載能源物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模部署的能力。但是能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)類型多、采集范圍廣、產(chǎn)業(yè)鏈條長、迭代速度快等基本特征也對其模組硬件、模組軟件以及物聯(lián)網(wǎng)卡管理提出了嚴(yán)格的安全需求。

3 NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景安全構(gòu)架

3.1 “雙碳”目標(biāo)下能源物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

“雙碳”目標(biāo)下，NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)的核心功能是在能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、交易和消費(fèi)全生命周期內(nèi)，為生產(chǎn)經(jīng)營者、消費(fèi)者和管理部門提供可信數(shù)據(jù)支撐。

電力物聯(lián)網(wǎng)是能源物聯(lián)網(wǎng)的核心，在發(fā)電廠、變電站、輸電線路、配電站、儲(chǔ)能，以及工業(yè)、民用、電動(dòng)汽車等各類用電場景，電壓、電流、有功功率、無功功率、斷路器位置、刀閘位置、設(shè)備溫度等各類信息的傳輸均由電力物聯(lián)網(wǎng)完成[23]。

在燃?xì)忸I(lǐng)域，能源物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于井場、集氣站、液化天然氣接收站、儲(chǔ)氣設(shè)施、液化設(shè)施、壓縮設(shè)施、各類高壓/中壓/低壓管道和燃?xì)庥脩舻葓龊现辛髁?、壓力、溫度、泄漏濃度等運(yùn)行參數(shù)的傳輸，以及閥門開度、壓力等控制變量的傳輸。

在熱力領(lǐng)域，能源物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于熱源廠、供熱管網(wǎng)、中繼泵站、隔壓換熱站和用戶等場合中熱量、溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)的傳輸，各類泵、閥門的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，以及閥門開度、運(yùn)行狀態(tài)等控制變量的傳輸。

在石油領(lǐng)域，能源物聯(lián)網(wǎng)主要用于油井、石化廠、輸油管路和加油站等場合中流量、溫度、壓力等運(yùn)行參數(shù)的傳輸，各類泵、閥門的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，以及流速、運(yùn)行狀態(tài)等控制變量的傳輸。

各類溫度、壓力等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)將為能源的可靠生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和消費(fèi)提供參考，同時(shí)電量、流量、熱量等運(yùn)行參數(shù)將直接服務(wù)碳排放量的在線檢測核算，為碳排放量控制、碳排放配額設(shè)計(jì)及碳排放交易提供可信數(shù)據(jù)支撐。

3.2 NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架

圍繞“雙碳”目標(biāo)下NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)的安全需求，所構(gòu)建的包含安全模組和安全服務(wù)平臺(tái)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架如圖1所示。

(1) NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組硬件

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組的軟硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件上，由支持NB-IoT R13/R14或更高版本的高集成度SoC、支持AES/3DES和SM1-SM4的ESAM(Embedded Secure Access Modules)和eSIM構(gòu)成，也可采用ESAM和eSIM的集成方式實(shí)現(xiàn)，例如中國移動(dòng)推出的SE-SIM解決方案CS18S。

(2) NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組軟件

軟件功能上，包括NB-IoT SoC SDK軟件、RTOS軟件、加密算法、eSIM應(yīng)用軟件和eSIM OS等部分構(gòu)成。加密算法包括TDES/AES/SSF33/ SM1/SM4等對稱加密算法，SM9/SM2/ECC/RSA等非對稱算法，以及SHA1/SHA224/SHA256/SM3摘要算法[27]。

軟件結(jié)構(gòu)上，基于GlobalPlatform，由包含運(yùn)行于富執(zhí)行環(huán)境(Rich Execution Environment, REE)的RTOS及驅(qū)動(dòng)、REE應(yīng)用程序，以及運(yùn)行于可信執(zhí)行環(huán)境(Trusted Execution Environment, TEE)的可信OS及可信APP構(gòu)成，如圖2所示。GlobalPlatform可信框架示意圖如圖3所示[28]。

圖1 “雙碳”目標(biāo)下NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全構(gòu)架

圖2 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組軟硬件結(jié)構(gòu)

圖3 GlobalPlatform可信框架

(3) 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理機(jī)制

作為典型的低功耗廣域網(wǎng)(Low-Power Wide-Area Network, LPWAN)，NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)卡eSIM的安全可信是確保終端滿足接入安全要求的源頭保障[29-31]，也是增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)生安全的重要環(huán)節(jié)。

采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)單元、數(shù)字簽名和共識(shí)算法機(jī)制的區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有以下顯著特征：① 去中心化：系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)均為對等節(jié)點(diǎn)，平等地發(fā)送、接收、存儲(chǔ)、維護(hù)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)；② 不可篡改：由于所有節(jié)點(diǎn)均參與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和維護(hù)，數(shù)據(jù)一經(jīng)驗(yàn)證達(dá)成共識(shí)被寫入?yún)^(qū)塊后，區(qū)塊鏈系統(tǒng)利用哈希函數(shù)的單向性、數(shù)字簽名的防偽認(rèn)證功能和分布式共識(shí)的容錯(cuò)能力，任何節(jié)點(diǎn)無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改；③ 可追溯性：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的時(shí)間戳以及鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，為數(shù)據(jù)提供了時(shí)間維度，便于檢索數(shù)據(jù)庫從源頭到最新狀態(tài)之間的完整變更過程；④ 可靠性：系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均對等地維護(hù)數(shù)據(jù)并參與到整個(gè)系統(tǒng)的共識(shí)中，單一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障不會(huì)對系統(tǒng)的運(yùn)行造成任何影響[32-34]。

eSIM交易流轉(zhuǎn)具有以下特征：(1) 多主體性：運(yùn)營商、制造商、銷售商和消費(fèi)者屬于多邊利益主體，傳統(tǒng)中心化管理平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)多邊利益均衡；(2) 虛擬交易：eSIM無物理載體，其交易屬于完全虛擬交易流轉(zhuǎn)；(3) 高可信性：eSIM的安全交易流轉(zhuǎn)是能源物聯(lián)網(wǎng)安全的源頭，只有當(dāng)各主體間存在高度互信環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)才能協(xié)調(diào)工作。

基于區(qū)塊鏈和eSIM交易流轉(zhuǎn)的上述特征，區(qū)塊鏈天然適用于開展物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理。由運(yùn)營商、制造商、銷售商和消費(fèi)者參與的區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理機(jī)制如圖4所示[35-36]。通過將緩存于REST服務(wù)器的交易信息分布記賬于多個(gè)區(qū)塊，可確保不依賴于第三方的去中心化管理，實(shí)現(xiàn)端到端透明化和高可信性，實(shí)現(xiàn)了依托于智能合約的eSIM分布式管理。

圖4 區(qū)塊鏈物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理機(jī)制[35]

4 結(jié)語

作為提高國家自主貢獻(xiàn)力度的重要舉措，“3060雙碳目標(biāo)”是我國接下來相當(dāng)長一個(gè)時(shí)期內(nèi)，能源領(lǐng)域發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)[37-39]。NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的基本特性、網(wǎng)絡(luò)層安全特性、能源領(lǐng)域應(yīng)用情況以及國家的政策支持均表明，其高度適合電力、燃?xì)?、熱力、石油等能源領(lǐng)域大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸需求，其具備承載能源物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模部署的能力。

本文提出的eSIM+ESAM NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組硬件、基于GlobalPlatform可信框架的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)安全模組軟件，以及基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)卡全鏈條安全管理關(guān)鍵技術(shù)可為NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)安全支撐，確保能源物聯(lián)網(wǎng)的安全運(yùn)行。

未來，伴隨著3GPP R15、R16及更高版本的逐步商業(yè)化部署，NB-IoT的終端功耗將進(jìn)一步降低、頻譜效率將進(jìn)一步增強(qiáng)。同時(shí)，NB-IoT和NR共存、PRACH覆蓋增強(qiáng)、接入5G核心網(wǎng)等新功能將擴(kuò)展其在能源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域更廣闊的應(yīng)用空間。持續(xù)構(gòu)建NB-IoT能源物聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)防御體系，實(shí)現(xiàn)NB-IoT全業(yè)務(wù)、全流程、端到端的安全可控，是確保能源物聯(lián)網(wǎng)支撐“3060雙碳目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)的重要保障。

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Framework and key technologies for NB-IoT energy internet of things to achieve carbon peak and neutrality goals

WANG Yanfeng1, SHEN Yongpeng1, TANG Yaohua2, ZHONG Jianying3, ZHANG Youpeng3

(1.College of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China;2.Rundian Energy Science Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450000, China;3.Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan 467001, China)

Focusing on the security architecture and key technologies of the NB-IoT Energy IoT, this paper first analyzes the new characteristics of the energy system under the "dual carbon" goal and the supporting role of the energy IoT to the "dual carbon" goal from four aspects: mapping carbon footprint, optimizing energy supply, optimizing energy trading, and building a two-way information flow.Then, it summarizes the characteristics and requirements of the energy IoT, and summarizes the matching relationship between NB-IoT LPWAN and the energy IoT.It explores the energy IoT security architecture including the NB-IoT security module and security service platform, and focuses on the analysis of eSIM+ESAM NB-IoT security module hardware, NB-IoT security module software based on the GlobalPlatform trusted framework, and key technologies for security management of the IoT cards based on blockchain.It can provide safe and credible LPWAN IoT solutions for energy production, transmission, storage, transaction and consumption.It also supplies credible data support for the construction of a clean, low-carbon, safe and efficient energy system, and helps achieve the "3060 dual carbon target".

carbon peak and neutrality goals; NB-IoT; LPWAN; energy internet of things; safety

10.19783/j.cnki.pspc.211302

2021-09-23；

2022-03-06

王延峰(1973—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)通信、信息化電器與智能計(jì)算；E-mail: wangyanfeng@ zzuli.edu.cn

張友鵬(1982—)，男，通信作者，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏弘娖?。E-mail: 39100445@qq.com

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No.61803345, No.51807013, and No.52177068).

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61803345，51807013，52177068)

(編輯 張愛琴)