스마트 홈 네트워크에서 안전하고 에너지 효율적인 전력 기반 클러스터링 및 데이터 퓨전을 이용한 스마트 미터링

Abstract

Advanced metering infrastructure (AMI) of smart grid environments are systems that measure, collect, and analyze energy usage, and communicate with metering device for optimization energy usage. AMI network architecture is composed of home network and neighborhood network. One of the key components in the home network is a smart meter which is an electronic device and enables two-way communication to the utility using wireless communication such as ZigBee, WiFi for monitoring and billing purposes. In this thesis, we propose an integrated transmission mechanism of energy usage to the base station for network efficiency, energy saving, and security including home network and neighborhood network in AMI of smart grid. Firstly, we divide geographically home network into clusters, and each cluster selects a cluster header and sets a communication path based on the position of nodes. When selecting a cluster header, the cluster header is selected based on the energy and the distance to the base station. The communication path between nodes in the cluster forms a tree based on comparison with the distance to the cluster header and the distance to the neighboring nodes. These results set up the data transmission path from remote nodes to the closer nodes with the cluster header. The sending data using this data transmission path efficiently transmits and saves the energy of smart meters by reducing the energy used to transmit and receive the data. We prove the energy saving by showing the increase of survival nodes through increasing the number of rounds. Secondly, we present a secure key set up mechanism using the twin Diffie-Hellman for secure data transmission between the nodes in the cluster. When the setting of clusters is completed, the cluster header and the nodes begin the secret key set up for secure data transmission. The cluster header broadcasts his public key to the nodes in the cluster, and the received nodes from the cluster start the secret key set up with the neighboring nodes in the configured communication path. The nodes calculate secret information with the public key of the cluster header and his private key, and then publicly send and receive the secret information. Each node calculates the secret key using this secret information and his private key. Even if the secret information transmits without encryption, the private key of each node is not exposed. We use subMAC to check an error or modification of transmitted data. Using subMAC, we provide the integrity and the authentication for transmitted messages and prevent man-in-the-middle attack. Additionally, we prevent replay attack using nonce value. Simulation results show that the secret key generation time between nodes is very short and consumed energy is little, hence our approach almost does not affect to the network and the smart meters. Furthermore, we provide the confidentiality and privacy using the secret key resulting of the secret key setup. Lastly, we propose the efficient data fusion mechanism uses both temporal and spatial correlations in proposed clustering environment. When the data is transmitted in, we reduce the amount of transmission data traffic using data fusion and maintain the accuracy of the transmitted data. These results save the energy usage of smart meters by reducing the amount of data traffic and reduce the network traffic load. In order to reduce the amount of transmitting data, each device decides to send the new data after comparing to previous values (temporal correlation) and sends the difference value if the difference is greater than the threshold. In order to accurate the transmitting data, each device sends with sum value including the own difference value (spatial correlation). When the cluster header is received the values, it proves the accuracy by comparing the sum with the total received values. We use real data which measured the power usage of mixed-use residential building during the most power-intensive week. Simulation results show that the amount of data transmission is reduced according to increase in the threshold and hence the energy consumption of the smart meter decreases. Moreover, we show the exposure of the transmitting data is minimized without encryption. As a result, we prove our proposed mechanism satisfies the main purpose of smart grid that is network efficiency, energy saving, security using our power zone routing mechanism, data fusion, and secure key set up.;스마트 그리드 환경의 지능형전력계량인프라(Advanced Metering Infrastructure; AMI)는 사용자와 전력회사 간의 양방향 데이터 통신을 유무선의 통신기술을 기반으로 원격검침, 실시간 전력 사용의 제어를 통해 에너지 사용을 최적화하는 기술이다. 지능형 전력계량인프라의 통신 구조는 홈 네트워크와 이웃 네트워크로 나뉠 수 있으며, 구성요소 중 핵심 장치는 스마트 미터로 전자식 전력량계와 통신 네트워크 단말기 기능을 하며 가전기기의 전력사용량을 ZigBee, WiFi 등의 근거리 무선 통신을 통해 모니터링 할 수 있도록 하며, 홈 네트워크에 위치해 있다. 이번 연구에서는 스마트 그리드의 지능형전력계량인프라에서 홈 네트워크와 이웃 네트워크 영역을 포함해 베이스 스테이션으로의 전력 사용량 전달을 에너지를 절감하며 효율적으로 통신함과 동시에 보안성을 보장할 수 있도록 다음과 같은 방안들을 제안한다. 첫째, 홈 네트워크를 지역적으로 나누어 클러스터링을 구성하고, 각 클러스터 영역에서 위치를 기반으로 해서 클러스터 헤더 선정 및 통신 경로 설정을 하는 클러스터 구성 방안을 제시한다. 클러스터 헤더 선정 시 클러스터 헤더를 에너지와 베이스 스테이션과의 거리를 기반으로 선택하고, 클러스터 내부 노드들 간에도 위치를 기반으로 경로 설정을 위해 클러스터 헤더와의 거리와 이웃 노드와의 거리를 비교해서 트리 형식으로 구성하며, 이 결과 클러스터 헤더에서 먼 노드들부터 가까이 있는 노드들로 데이터 전송 경로를 설정하게 되고, 이런 전송 경로를 이용해 데이터를 전송함으로써 전송 데이터를 효율적으로 전송하고 데이터 송신 및 수신에 사용되는 에너지를 감소시켜 스마트 미터기의 에너지 사용 절감의 효과를 부가시키도록 한다. 제안한 구성 방식을 이용해서 실제 클러스터 헤더 선정 및 노드들의 경로 설정이 효율적임을 노드들의 생존 라운드가 상당히 길어졌음을 통해 사용되는 에너지가 감소했음을 입증할 수 있었다. 둘째, 정기적으로 전송되는 전력 사용량 데이터는 공격자에게 노출되기 쉽고 이러한 취약점을 악용해서 공격자는 다양한 공격 기법을 통해 정보를 취득해서 사용량 조작을 통한 과금 조작, 개인 정보 이용, 또는 시스템 장애 등 경제적•사회적 물의를 일으킬 수 있다. 따라서 스마트 미터들이 클러스터 내에서 헤더를 포함한 미터들 간의 안전한 키 생성을 하고 생성한 비밀키를 이용해 안전한 데이터 전송을 할 수 있도록 twin Diffie-Hellman을 활용한 키 설정 메커니즘을 제안한다. 클러스터 설정이 완료되면, 클러스터 헤더와 클러스터 내부 노드들은 안전한 데이터 전송을 위해 비밀키 설정 과정을 시작한다. 클러스터 헤더는 자신의 공개키를 클러스터 내부 노드들에게 브로드캐스트하고, 공개키를 전송 받은 노드들은 자신에게 설정된 데이터 전송 경로의 이웃 노드들과 비밀키 설정 과정을 시작한다. 이때 클러스터 헤더의 공개키 정보를 포함해서 자신의 개인키를 이용해 비밀키를 생성하기 위한 정보를 생성해서 보내고 이를 전송 받은 노드는 메시지 무결성을 검증하고 이상이 없으면 전송 받은 정보에 자신의 개인키 정보를 계산에 포함해서 두 노드 간의 비밀키를 생성한다. 계산값을 암호화하지 않고 키 생성을 위한 정보를 전송하더라도 두 노드들의 개인키 값은 노출되지 않으며, 전송하는 값의 변경이나 오류 체크를 위해 subMAC을 이용해서 전송 데이터의 무결성 및 메시지 인증을 보장하였다. 또한, 재생 공격을 방지하기 위해 넌스값을 함께 전송하였다. 결과적으로 두 노드 간의 키 생성 시간이 매우 짧게 걸리고 사용되는 에너지 또한 작아서, 이에 따른 네트워크 부하에 대한 영향이 거의 없고 에너지 소모도 미미해서 전체적으로 영향을 끼치지 않음을 알 수 있었다. 아울러 안전한 키 생성을 통해 기밀성, 메시지 무결성 및 인증, 프라이버시 보호와 중간자 공격, 재생 공격의 방지 효과를 더불어 입증할 수 있었다. 셋째, 제안한 클러스터링 환경에서 데이터 전송 시, 전송하는 데이터 전송량을 줄임으로써 네트워크 부하를 감소시켜 효율성을 도모하고 이에 따른 스마트 미터기의 에너지 사용량도 줄이는 효과를 볼 수 있도록 시간•공간적 연관성을 동시에 고려하여 데이터를 퓨전해서 전송함으로써 전송량을 줄이고 정확성은 유지할 수 있는 데이터 퓨전 기법을 제안한다. 사용자의 전력 사용량 데이터를 전송 시 기존 방식은 일정 시간 정해진 주기마다 전기 사용량을 전송하도록 되어 있지만, 시간적인 연관성을 고려해서 새로운 데이터를 전송 시 이전 전송 데이터와 비교해서 정해진 임계치보다 작으면 전송을 하지 않고 임계치보다 크게 되면 데이터를 전송한다. 이때 전기 사용량을 전송하는 것이 아니라 이전 전송한 값과의 차이값을 전송한다. 클러스터링 내에서 이웃 노드들 간의 공간적 연관성을 고려하여 전송되는 데이터들의 합을 구해서 전송되는 데이터와 더불어 같이 전송하고 클러스터 헤더는 전송 받은 모든 데이터값과 전송 받은 합계값을 비교하여 데이터의 정확성을 검증한다. 실측 전기 사용량 데이터를 사용하여, 임계치가 커질수록 전송하는 데이터의 양이 줄어들고 이에 따른 미터기들의 에너지 사용량이 감소하며 아울러 전송 데이터를 암호화해서 전송하지 않더라도 데이터의 노출을 최소화할 수 있음을 보였다. 이번 연구 결과를 통해 스마트 그리드의 주요 목적들 중 중요한 세 가지, 네트워크 효율성, 에너지 절감 효과, 보안성을 만족하는 네트워크 라우팅 메커니즘, 데이터 퓨전 전송 및 안전한 키 생성 방안을 제안하고 효과성을 검증할 수 있었다.