移动通信中手机防窃听语音扰频技术研究

摘要:移动通信网络在提供方便快捷服务的同时,也面临着日趋严重的信息安全问题。为更好地保障移动语音通信和传输的安全,在不改造用户手机终端和移动通信网络前提下,本文提出了一种基于FPGA技术的便携式即插即用语音扰频防窃听装置的设计思路,并就硬件设计架构和语音加解密算法设计进行了描述,实现了移动智能终端之间的端到端加密。

关键词:防窃听;语音扰频;端到端

1引言

随着移动通信及相关业务的迅猛发展,移动智能终端在政治、军事、金融、外交等领域均扮演着重要的角色。移动通信网络给我们带来各种方便快捷服务的同时,也面临着日趋严重的信息安全问题。尤其“棱镜”事件后,手机泄密事件频频见诸报导,各国也更加重视移动设备数据加密、存储和传输的监管。目前,移动通信网络已指定了诸多安全有效的安全框架和加密机制,但移动通信网络的信息加密只是出现在基站和移动终端的无线通信信道这一部分,比如基站和基站之间的信息传递就是以明文进行传输。因此,研究一种加密效果好、解密语音恢复度高、通话延迟小的移动智能终端防窃听技术及设备很有必要[1]。

2手机防窃听语音扰频装置设计思路

本设计目标即是解决移动通信网络的上述缺陷,基于FPGA技术研制便携式即插即用语音扰频装置,实现端到端的安全加密通信。在不改造用户移动终端及移动通信网络的前提下,本设计基于硬件的处理手段和芯片化的设计思想,确定采用信源加密的技术方案[2]。便携式即插即用语音扰频装置定位为类似于手机话务式耳机线控的装置,其对外接口主要有麦克风、耳机接口以及密钥注入接口,可以将人的声音转换成不可解释的模拟噪声并且将被扰频的噪声在不安全的网络电话或互联网发送,只有将其发送到连接同样装置的对端有线电话或者移动电话上,才能还原出发送端的原始语音信号,并且整个加解密过程使用一次性密钥,以增强加密效果。

3硬件设计架构

基于FPGA芯片的语音加密硬件系统是一个基于FPGA的最小系统,其主要包括FPGA处理器模块、PROM模块、电源模块、A/D模块以及时钟模块,通过所增加的一组标准语音输入、输出接口与手机及耳麦连接进行通信[3],其加密硬件模块框图如图1所示。加密过程:语音首先从标准语音输入、输出接口输入,然后经A/D模块变换后送至FPGA处理器模块进行加密处理,再经A/D模块变换后从标准语音输入、输出接口将加密语音送至手机射频输出。解密过程:加密语音经手机接收后,从标准语音输入、输出接口输入,首先经A/D模块变换,再经FPGA处理器模块解密处理,最后经A/D模块变换后,从标准语音输入、输出接口输出至耳机。电源模块主要用于电源管理,为FPGA、A/D转换器等模块供电。考虑到长时间待机和尺寸的要求,电池考虑采用900mah的锂离子电池,充电接口采用通用性强的迷你型USB接口,电压比较电路用于检测电池电量,可用于低电告警。时钟模块通过分频为FPGA芯片、A/D转换芯片提供精确定时脉冲。在A/D转换模块中,考虑采用AD73311模/数模转换器芯片和AMBE-2000语音压缩／解压芯片对输入的语音信号进行编解码,以降低数字信号的比特率、保证通信质量。FPGA处理器模块是系统的核心部件,主要由XilinxSPARTEN3E系列的XC3S500E芯片及基本电路组成,用于运行程序完成加密系统的密钥协商、语音加解密、系统同步等工作。PROM模块用于存储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标准插入式3.5mm语音输入/输出接口和迷你USB充电接口。

4语音加解密算法设计

软件系统一般由密钥协商模块、语音加密模块和同步算法模块三个模块组成,加解密算法模块是核心的技术之一[4]。语音加解密须保证加密算法不影响手机声码器的正常编码,为了快速语音加解密,需要设计出一种安全快速且适用于硬件架构的抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法。本算法主要针对RPE-LTP压缩编解码之特性,对语音信号进行一定的变换处理,使之成为不可懂的声音信号,从而实现语音信号加密;同时,需要保证加密语音信号在通过RPE-LTP编码器后能够被对方解码器恢复,且经过解密后成为可懂的原始语音信号,从而完成全部加解密过程。

5结语

在不改造用户手机终端和移动通信网络前提下,本文提出了一种硬件化、集成化、便携式的端到端语音加密方案,并对加解密外置装置进行了设计,可实现手机端到端语音加密通信,设备即插即用,解密语音可懂度高,通话延迟小,兼容性、拓展性强,可广泛应用于军事、政治、外交等领域,为涉密通信业务提供安全保障,具有巨大的商业和现实应用价值。

作者:寇万里 王喆 林少锋 单位:西安通信学院

参考文献

[1]金堃.移动通信网中的端到端语音加密技术研究[D].华中科技大学硕士论文,2012.

[2]杨于村.基于公众移动通信网的端到端加密语音传输技术研究[D].华南理工大学博士论文,2009.

[3]王经星,孔维祥等.面向移动通信网络的语音安全传输系统[J].技术研究,2013,2.

[4]佟铭,杨立波,槐宇超.基于AES加密算法的语音加密通信的实现[J].科技创新导报,2013,1.