移動通信中手機防竊聽語音擾頻技術研究

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摘要:移動通信網絡在提供方便快捷服務的同時,也面臨著日趨嚴重的信息安全問題。為更好地保障移動語音通信和傳輸的安全,在不改造用戶手機終端和移動通信網絡前提下,本文提出了一種基于FPGA技術的便攜式即插即用語音擾頻防竊聽裝置的設計思路,并就硬件設計架構和語音加解密算法設計進行了描述,實現了移動智能終端之間的端到端加密。

關鍵詞:防竊聽;語音擾頻;端到端

1引言

隨著移動通信及相關業務的迅猛發展,移動智能終端在政治、軍事、金融、外交等領域均扮演著重要的角色。移動通信網絡給我們帶來各種方便快捷服務的同時,也面臨著日趨嚴重的信息安全問題。尤其“棱鏡”事件后,手機泄密事件頻頻見諸報導,各國也更加重視移動設備數據加密、存儲和傳輸的監管。目前,移動通信網絡已指定了諸多安全有效的安全框架和加密機制,但移動通信網絡的信息加密只是出現在基站和移動終端的無線通信信道這一部分,比如基站和基站之間的信息傳遞就是以明文進行傳輸。因此,研究一種加密效果好、解密語音恢復度高、通話延遲小的移動智能終端防竊聽技術及設備很有必要[1]。

2手機防竊聽語音擾頻裝置設計思路

本設計目標即是解決移動通信網絡的上述缺陷,基于FPGA技術研制便攜式即插即用語音擾頻裝置,實現端到端的安全加密通信。在不改造用戶移動終端及移動通信網絡的前提下,本設計基于硬件的處理手段和芯片化的設計思想,確定采用信源加密的技術方案[2]。便攜式即插即用語音擾頻裝置定位為類似于手機話務式耳機線控的裝置,其對外接口主要有麥克風、耳機接口以及密鑰注入接口,可以將人的聲音轉換成不可解釋的模擬噪聲并且將被擾頻的噪聲在不安全的網絡電話或互聯網發送,只有將其發送到連接同樣裝置的對端有線電話或者移動電話上,才能還原出發送端的原始語音信號,并且整個加解密過程使用一次性密鑰,以增強加密效果。

3硬件設計架構

基于FPGA芯片的語音加密硬件系統是一個基于FPGA的最小系統,其主要包括FPGA處理器模塊、PROM模塊、電源模塊、A/D模塊以及時鐘模塊,通過所增加的一組標準語音輸入、輸出接口與手機及耳麥連接進行通信[3],其加密硬件模塊框圖如圖1所示。加密過程:語音首先從標準語音輸入、輸出接口輸入,然后經A/D模塊變換后送至FPGA處理器模塊進行加密處理,再經A/D模塊變換后從標準語音輸入、輸出接口將加密語音送至手機射頻輸出。解密過程:加密語音經手機接收后,從標準語音輸入、輸出接口輸入,首先經A/D模塊變換,再經FPGA處理器模塊解密處理,最后經A/D模塊變換后,從標準語音輸入、輸出接口輸出至耳機。電源模塊主要用于電源管理,為FPGA、A/D轉換器等模塊供電。考慮到長時間待機和尺寸的要求,電池考慮采用900mah的鋰離子電池,充電接口采用通用性強的迷你型USB接口,電壓比較電路用于檢測電池電量,可用于低電告警。時鐘模塊通過分頻為FPGA芯片、A/D轉換芯片提供精確定時脈沖。在A/D轉換模塊中,考慮采用AD73311模/數模轉換器芯片和AMBE-2000語音壓縮／解壓芯片對輸入的語音信號進行編解碼,以降低數字信號的比特率、保證通信質量。FPGA處理器模塊是系統的核心部件,主要由XilinxSPARTEN3E系列的XC3S500E芯片及外圍基本電路組成,用于運行程序完成加密系統的密鑰協商、語音加解密、系統同步等工作。PROM模塊用于存儲FPGA的程序,配置芯片采用的是XCF04系列PROM串行配置芯片。硬件接口上需要提供標準插入式3.5mm語音輸入/輸出接口和迷你USB充電接口。

4語音加解密算法設計

軟件系統一般由密鑰協商模塊、語音加密模塊和同步算法模塊三個模塊組成,加解密算法模塊是核心的技術之一[4]。語音加解密須保證加密算法不影響手機聲碼器的正常編碼,為了快速語音加解密,需要設計出一種安全快速且適用于硬件架構的抗RPE-LTP壓縮編碼的語音加解密算法。本算法主要針對RPE-LTP壓縮編解碼之特性,對語音信號進行一定的變換處理,使之成為不可懂的聲音信號,從而實現語音信號加密;同時,需要保證加密語音信號在通過RPE-LTP編碼器后能夠被對方解碼器恢復,且經過解密后成為可懂的原始語音信號,從而完成全部加解密過程。

5結語

在不改造用戶手機終端和移動通信網絡前提下,本文提出了一種硬件化、集成化、便攜式的端到端語音加密方案,并對加解密外置裝置進行了設計,可實現手機端到端語音加密通信,設備即插即用,解密語音可懂度高,通話延遲小,兼容性、拓展性強,可廣泛應用于軍事、政治、外交等領域,為涉密通信業務提供安全保障,具有巨大的商業和現實應用價值。

作者:寇萬里 王喆 林少鋒 單位:西安通信學院

參考文獻

[1]金堃.移動通信網中的端到端語音加密技術研究[D].華中科技大學碩士論文,2012.

[2]楊于村.基于公眾移動通信網的端到端加密語音傳輸技術研究[D].華南理工大學博士論文,2009.

[3]王經星,孔維祥等.面向移動通信網絡的語音安全傳輸系統[J].技術研究,2013,2.

[4]佟銘,楊立波,槐宇超.基于AES加密算法的語音加密通信的實現[J].科技創新導報,2013,1.