王智敏，王春雷，杜斌峰

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018)

隨著手機使用量的增大，通話過程中的保密問題越來越受到人們的重視。隨著通信技術(shù)的發(fā)展和3G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，3G 技術(shù)在人們的生活中起到越來越重要的作用?；煦缧盘柧哂蟹侵芷谛?、初值敏感性和不可預測性等特征，使它在保密通信，信息安全等領(lǐng)域受到重視，有良好的應(yīng)用前景［1－2］。目前，手機在人們的生活和工作中幾乎得到了普及性的應(yīng)用，在涉及商業(yè)、科技、軍事和個人隱私領(lǐng)域內(nèi)手機通信的安全性顯得愈來愈重要。而現(xiàn)在手機竊聽器等高科技產(chǎn)品的粉墨登場，也使得這一問題越來越受到人們的重視。TI 公司的DSP(數(shù)字信號處理)微處理器(芯片)具有處理信息速度快、可編程等特點，廣泛用于語音信息的處理、圖像/圖形的處理和軍事保密通信中。華為公司的3G WCDMA 通信模塊MU103，支持UMTS 2100/900和GSM/GPRS 850/900/1800/1900 頻段，支持語音、短信、數(shù)據(jù)和補充業(yè)務(wù)，提供了豐富的接口，支持標準AT 指令集和華為擴展AT 指令集。本文提出了一種手機保密通信方案，利用DSP 實現(xiàn)語音的采集、量化、編碼，然后用良好的混沌序列對語音信號進行加密，之后通過MU103模塊連接到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP 通道傳輸?shù)綄Ψ?，?jīng)過解密、解壓縮、還原出原始通話內(nèi)容，實現(xiàn)了手機的混沌保密通信。

1 一種新的混沌數(shù)字序列的設(shè)計

1.1 新的混沌方程

混沌系統(tǒng)初始值和參數(shù)的改變都可以產(chǎn)生不同的混沌序列，很適合加密。要產(chǎn)生良好的混沌序列，就需要一個性能良好的混沌方程。Sprott 方程具有結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)性［3］。本文基于Sprott 方程設(shè)計了一個新的混沌系統(tǒng):

當k=0.4 時，在Matlab 仿真中獲得了復雜的吸引子相圖如圖1所示。

圖1 混沌吸引子相圖

1.2 連續(xù)混沌的數(shù)字序列及其統(tǒng)計性能測試

混沌信號具有對初始條件敏感性，類噪聲、易于產(chǎn)生卻難于預測等特點，很適合用在數(shù)據(jù)加密和通信等領(lǐng)域。

DSP 強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度使它在數(shù)字信號處理方面有廣泛的應(yīng)用。本文采用TI公司的TMS320VC5509A 芯片的開發(fā)板，結(jié)合軟件CCS，根據(jù)離散化和數(shù)字化處理技術(shù)，對Sprott 系統(tǒng)作離散化處理后，產(chǎn)生混沌迭代序列。

將微分方程離散化，通常有以下3種方法［4］:(1)差商逼近法;(2)數(shù)值積分法;(3)Taylor 展開法。本文采用差商逼近法。差商逼近法，就是用適當差商逼近導數(shù)值使式(1)離散化的方法。即:

式中，τ為量化間隔。根據(jù)式2，對改進的Sprott 系統(tǒng)進行離散化后得:

混沌數(shù)字序列作為保密通信的密鑰序列，必須滿足一定的隨機性條件。實際中，可以用NIST(美國國家技術(shù)與標準局)推出的STS 測試軟件包測試序列的性能。NIST 推出的統(tǒng)計測試軟件包STS［5］(Statistical Test Suite)是當前測試偽隨機序列性能的工具中最具權(quán)威的一種［6－8］。

本文在Linux 操作系統(tǒng)環(huán)境下，隨機抽取一億比特長的序列，每組一千個比特，共分為十萬組，對產(chǎn)生的混沌序列進行了測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 NIST 測試結(jié)果

NIST 提供兩種評定依據(jù)，分別為P-VALUE值和PROPORTION 通過率。從表1NIST 測試結(jié)果可知:

(1)序列的通過率:各項性能都較好的通過;

(2)序列的均勻性:除了Rank(二進制矩陣階測試)、FFT(快速傅里葉變換)、Universal(通用統(tǒng)計)、和Approximate Entropy(近似熵)這四項，其余項的均勻性都較為良好?？傮w來講，序列基本通過測試，可應(yīng)用于保密通信當中。

2 MU103模塊介紹

MU103 是華為公司研發(fā)的一款WCDMA/UMTS模塊。該模塊具有防潮、防塵、防靜電的功能，是一款工業(yè)級3G模塊產(chǎn)品，其可支持的正常工作溫度范圍廣達－30℃～75℃，為世界領(lǐng)先水平［9］。本文采用MU103模塊作為手機客戶端，利用MU103 的TCP/IP 通道，傳輸經(jīng)DSP 處理后的語音信號。

MU103模塊的功能特點如下［10］:

(1)支持UMTS2100/900和GSM/GPRS 850/900/1800/1900 頻段;

(2)支持語音、短信、數(shù)據(jù)、補充業(yè)務(wù);

(3)提供豐富的用戶信號接口:

(4)提供焊盤和連接器兩種天線接口;

(5)支持標準AT 指令集和擴展AT 指令集

(6)符合ROHS 環(huán)保認證要求

華為MU103模塊實物圖如圖2所示。華為MU103模塊應(yīng)用框圖如圖3所示。

圖2 華為MU103模塊實物圖

圖3 華為MU103模塊應(yīng)用框圖

3 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

3.1 DSP 處理語音數(shù)據(jù)

G.729 語音編碼方案是電話帶寬的語音信號編碼的標準，對輸入語音性質(zhì)的模擬信號用8 kHz 采樣，16 bit 線性PCM 量化。G.729A 是ITU 最新推出的語音編碼標準G.729 的簡化版本。本文采用G.729A 語音編解碼標準對語音信號進行編解碼。

異或算法是一種對稱加密算法。進行兩次異或運算便實現(xiàn)解密功能。算法實現(xiàn)具體為以下:

設(shè)明文為Mn，密鑰為Xn，加密算法為f(Mn，Xn)，得到的密文為Yn。解密算法為f－1(Yn，Xn)，則加密過程可表示為:

解密過程可表示為:

為了保證實時性，本文采用異或加密算法。

DSP 先通過采集、量化、編碼將模擬語音信號變成數(shù)字的語音信號，然后用混沌數(shù)字序列對數(shù)字語音信號進行異或加密，將加密后的語音信號通過MU103模塊建立的GPRS 鏈路進行傳輸，然后用相同的混沌數(shù)字序列對語音信號進行解密，再進行解碼，將數(shù)字信號還原為原始的模擬信號。

DSP 處理語音具體實現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 DSP 處理語音具體實現(xiàn)框圖

3.2 GPRS 通信鏈路的建立

3.2.1 GPRS 的特點

GPRS 特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。以GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用，如無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠程檢測和控制等［11］。GPRS 的應(yīng)用十分廣泛，如油田無線監(jiān)測系統(tǒng)，煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、車載終端、自動抄表系統(tǒng)等，它的主要特點:

(1)實時在線;(2)接入速度快;(3)傳輸速率高，理論值最高可達171·2 kbit/s;(4)計費合理，以流量計費;(5)快捷登錄，GPRS 用戶開機后，就始終附著在GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，每次使用時只需一個1 s～3 s的激活過程。

3.2.2 MU103模塊

MU103 是一種通信模塊，支持AT 命令和華為擴展AT 命令。利用AT 命令可以使模塊注冊到GPRS網(wǎng)絡(luò)，并得到移動分配的一個局域網(wǎng)IP，具體如下:

(1)AT OK 測試模塊是否注冊到網(wǎng)絡(luò)

(2)AT%IPINIT=“CMNET”初始化TCP/UDP的連接，建立GPRS、網(wǎng)絡(luò)場景，建立一條物理連接。

(3)AT%IPINIT

%IPINIT:1，10.117.245.84，cmnet，211.136.17.108，211.136.20.204

查看移動分配的局域網(wǎng)IP(10.117.245.84)。

(4)AT% IPOPEN=1，“TCP”，“116.231.65.197”，5100

與遠程服務(wù)器建立TCP 鏈接

(5)AT%IPSEND=1，“wefsdfsdfsdf”

將用戶數(shù)據(jù)發(fā)送至指定鏈接(遠程服務(wù)器)

(6)OK

%IPDATA:1，12，wefsdfsdfsdf 說明遠程服務(wù)器已收到用戶數(shù)據(jù)。

(7)AT%IPENTRANS 使用TCP 的透明傳輸功能，當TCP/UDP 鏈接建立后，在模塊串口輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/UDP 鏈路直接傳到對端。

(8)AT%IPCLOSE=1，”TCP”關(guān)閉TCP 鏈路

經(jīng)過以上AT 命令就完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 服務(wù)器的建立

因為模塊每次連到GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，系統(tǒng)會分配一個動態(tài)的內(nèi)網(wǎng)IP，所以考慮建立一個具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。利用C++軟件編寫一個服務(wù)器軟件，在具有公網(wǎng)IP 的電腦上運行，達到傳輸數(shù)據(jù)的目的。服務(wù)器工作流程如圖5所示。

圖5 服務(wù)器工作流程

3.4 系統(tǒng)框圖

DSP 處理后的語音信號，利用MU103模塊，通過AT 命令，建立TCP/IP 鏈路，經(jīng)過GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接到Internet 網(wǎng)絡(luò)，遠程服務(wù)器進行來連接，遠程服務(wù)器監(jiān)聽到端口號時，接受連接請求，轉(zhuǎn)發(fā)手機A和手機B 經(jīng)過處理后的信號，在這個過程中，如果有人截取了信號，由于信號經(jīng)過了加密，對方不知道密鑰，所以得不到通話內(nèi)容，這樣就保證了手機通話過程中的安全性。系統(tǒng)整體框圖如圖6。

圖6 系統(tǒng)整體框圖

4 總結(jié)

本文通過對改進的Sprott 方程進行Matlab 仿真，利用DSP 對該混沌系統(tǒng)進行離散化，產(chǎn)生性能良好的混沌序列，并對混沌序列進行NIST 測試，結(jié)果表明，序列性能良好，可用于保密通信中。提出了一種保密通信方案，將DSP、GPRS和混沌加密技術(shù)結(jié)合起來，利用高壓縮率的G.729A 語音編解碼標準，對語音信號進行編解碼，利用混沌數(shù)字序列對編碼好的語音信號進行加密，通過MU103模塊建立的GPRS 鏈路傳輸語音信號，實現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)的處理和保密傳輸，保證了手機通話中的安全。

［1］禹思敏，呂金虎.基于文氏電橋的超混沌保密通信及其DSP 實現(xiàn)［C］//2007，第26 屆中國控制會議.

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