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摘 要：当前随着移动通信业务的蓬勃发展和广泛应用，其安全问题日益受到人们的关注，移动通信的开放性和易使用性与其安全性要求之间的矛盾显得尤为突出。针对目前语音通信存在的重大安全隐患进行分析，研究一种外置式语音加解密设备，提出了一种抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法，并对算法中的参数进行优化选择，从而实现手机端到端加密通信，确保移动终端语音通信的安全。
关键词：移动通信；语音加密；RPE-LTP
1 引言
手机保密通信是在确保可靠通话质量的前提下，为移动通信网络中的用户提供端到端的信息加密。文献[1-2]提出了一种采用手机软件加密技术实现的方案，该技术无需硬件投入，但若该系统被入侵，其安全性将无法保证；文献[3-4]提出了采用VPN技术解决移动通信保密问题，实现难度大；本文针对以上问题，提出一种外置式语音加解密系统，在保证语音质量的前提下，采用抗RPE-LTP压缩编码的加解密算法[5]，在保证语音质量的前提下，实现较高强度的加密功能。
2 移动终端语音加密系统设计
整个语音加密通信主要由密钥协商模块、语音加密模块和同步算法模块三部分组成。加密时，语音信号经过密钥协商模块，生成语音加密密钥；接着经过语音加密模块，对语音信号按照特定方式进行加密处理；最后经过同步算法模块，将加密后的语音信号加上同步信息后输出。其中，语音加密模块结合了语音信号处理和分组密码加密运算的特点，对移动通信系统的语音压缩编码具有很高的恢复性。解密系统为加密系统的逆过程。总体架构如图1所示：
系统工作流程如下，双方经过密钥协商后，建立加解密通道：（1）加密过程：输入端的语音信号进入麦克风后经过数字模拟转换模块转换，再通过语音加密模块加密，并经过同步模块置入同步信息，进入通信信道传输；通过模拟数字模块转换后输入手机，在经手机的声码器压缩后射频输出。（2）解密过程：由声码器解压后的加密语音信号，通过耳机插口输出到数字模拟转换模块，经过回声抑制进入同步检测模块，判断同步信息后送到解密模块，最后由数字模拟转换模块转换并输出原始语音信号给耳机。
3 抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法
算法根据PRE-LTP压缩编码的原理，利用其主要特性，对通信网络中传输的语音信号进行编码压缩，转变成较难破解的加密声音信息，完成语音加密过程；我们必须保证接收方在收到加密信息时，能够根据RPE-LTP编码原理，通过解码器正确解密，还原为最初的语音信号从而完成整个语音加解密过程，达到语音安全通信的设计要求。
3.1 算法设计思路
主要设计思路如下：（1）首先需要将输入语音信号进行分解切片，分解切片这一操作必须满足RPE-LTP的编解码要求，分解切片的结果是将语音信号转变为单位帧；（2）其次构建符合要求的加密矩阵对切片单位帧依次进行FDMA频分乱序和TDMA时分乱序；（3）最后将乱序后的语音信号重新拼合成语音信号实现加密操作，合成的加密语音信号通过RPE-LTP编码后经过手机发射给相应基站进行传输，接收端在接到加密信号后，通过加解密装置进行逆向解密。
完整的加密操作包括了语音切片分解操作、FDMA频分乱序操作、TDMA时分乱序操作和加密语音合成操作四部分。如图2所示：
与此相对应，解密操作主要由加密语音切片分解、TDMA时分正序解密、FDMA频分正序解密和原始语音合成四部分组成。解密过程是加密过程的逆操作，其中每一个模块的功能都与加密模块相对应。下面介绍本设计中FDMA频分乱序和TDMA时分乱序的算法与参数设计。
3.2 FDMA频分乱序
在进行TDMA时分乱序前先进行FDMA频分乱序，这将极大的提高加密强度，增加破解难度。具体的设计如下：首先对输入语音信号进行N点快速傅立叶变换（FFT），得到一个频谱序列，并找出这个序列中语音频率在300～3400Hz内的符合人声频率的M个点，形成一个M行矩阵X，接着对X进行乱序操作，等同于X乘以一个M行M列的置乱矩阵P，将置乱后的序列为Px，并对Px求快速傅立叶逆变换（IFFT）。
令M为原始语音明文信息，k1、r为算法密钥，那么加密矩阵记为Pk1、r，解密矩阵记为Qk1、r，密文C可表示为：
C=Pk1、r（M）（1） （1）
M=P（C）=Qk1、r（C） （2）
置乱矩阵P必须符合一定的要求：（1）能够确保乱序后的序列进行IFFT后得到实序列；（2）只针对人声频率（300～3400Hz）范围内的语音点进行乱序；（3）乱序后得到的语音的可懂度要尽可能的低。
根据以上的要求，得到的P矩阵有很多，我们选取形式较简单的一组，以方便后续的加解密运算，其形式如下：
（3）
公式（3）中M表示符合人声频率300～3400Hz范围内的人声点数，其数量为N*（3400-300）/fs=3100N/fs。（N表示样本长度，fs表示采样频率），称为有效FFT点数。k1和r都是密钥，k1为小于M并与M互质的自然数，r为小于M的自然数。
我们将满足条件的k1的个数记为K'，那么算法的加密强度可以表示为M*K'。
3.3 TDMA时分乱序
令M为原始语音明文信息，k2为算法密钥，那么加密矩阵记为为Pk2'，解密矩阵记为Qk2'为密文记为C，则：
如果分组长度记为T，则TDMA时分乱序的加密强度应为T！。本算法的整体加密强度可以记为M*K'*T！。
3.4 参数的择优选择
经过一系列的测试，我们发现对加密结果有较大影响的参数是：语音分解切片尺寸和数据分组长度。
实验中发现在语音以20ms进行切片分解时，语音加密解密具有较好的操作性，语音还原的可懂度满足人类声音的识别要求，语音加解密速度较快，解密准确度较高。同时单位帧长度控制在20ms左右能够很好的保持语音信号自身的特性，所以在此算法中，我们将语音切片分解的长度定为20ms。
从公式中可以看到，加密强度与分组长度T有密切的关系，T越大加密强度就会越大，但是随之带来的问题是整个加密解密过程会变得漫长，考虑到语音传输对时效的要求较高，通过仿真测试，决定T取值在20左右可以在兼顾加密强度与语音时效中达到平衡。
结束语
本文针对移动终端语音加密通信中的关键技术展开研究，提出一种抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法。该设计方案不需要改变现有手机硬件设计、网路基站设备和通信网络核心架构，具有声音实效性高，延迟小，语音加密强度大，解密速度快，可懂度高，可信度好等优点。
参考文献
[1]王经星，孔维祥，高一，任其然.面向移动通信网络的语音安全传输系统[J].信息网络安全，2013.
[2]王育民，刘建伟编著.通信网的安全-理论与技术[M].西安电子科技大学出版社.1999
[3]侯雪梅.一种SVM多类分类算法用于抗噪语音识别[J].西安邮电学院学报，2009.
[4]刘翔宇，白瑞.外部中断控制器的设计与实现[J].西安邮电学院学报，2010.
[5]吴菁晶，张振川.GSM系统中的语音编码算法研究及RPE-LTP编码系统的DSP实现[J].东北大学硕士论文，2005.
关键词：移动通信；语音加密；RPE-LTP
1 引言
手机保密通信是在确保可靠通话质量的前提下，为移动通信网络中的用户提供端到端的信息加密。文献[1-2]提出了一种采用手机软件加密技术实现的方案，该技术无需硬件投入，但若该系统被入侵，其安全性将无法保证；文献[3-4]提出了采用VPN技术解决移动通信保密问题，实现难度大；本文针对以上问题，提出一种外置式语音加解密系统，在保证语音质量的前提下，采用抗RPE-LTP压缩编码的加解密算法[5]，在保证语音质量的前提下，实现较高强度的加密功能。
2 移动终端语音加密系统设计
整个语音加密通信主要由密钥协商模块、语音加密模块和同步算法模块三部分组成。加密时，语音信号经过密钥协商模块，生成语音加密密钥；接着经过语音加密模块，对语音信号按照特定方式进行加密处理；最后经过同步算法模块，将加密后的语音信号加上同步信息后输出。其中，语音加密模块结合了语音信号处理和分组密码加密运算的特点，对移动通信系统的语音压缩编码具有很高的恢复性。解密系统为加密系统的逆过程。总体架构如图1所示：
系统工作流程如下，双方经过密钥协商后，建立加解密通道：（1）加密过程：输入端的语音信号进入麦克风后经过数字模拟转换模块转换，再通过语音加密模块加密，并经过同步模块置入同步信息，进入通信信道传输；通过模拟数字模块转换后输入手机，在经手机的声码器压缩后射频输出。（2）解密过程：由声码器解压后的加密语音信号，通过耳机插口输出到数字模拟转换模块，经过回声抑制进入同步检测模块，判断同步信息后送到解密模块，最后由数字模拟转换模块转换并输出原始语音信号给耳机。
3 抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法
算法根据PRE-LTP压缩编码的原理，利用其主要特性，对通信网络中传输的语音信号进行编码压缩，转变成较难破解的加密声音信息，完成语音加密过程；我们必须保证接收方在收到加密信息时，能够根据RPE-LTP编码原理，通过解码器正确解密，还原为最初的语音信号从而完成整个语音加解密过程，达到语音安全通信的设计要求。
3.1 算法设计思路
主要设计思路如下：（1）首先需要将输入语音信号进行分解切片，分解切片这一操作必须满足RPE-LTP的编解码要求，分解切片的结果是将语音信号转变为单位帧；（2）其次构建符合要求的加密矩阵对切片单位帧依次进行FDMA频分乱序和TDMA时分乱序；（3）最后将乱序后的语音信号重新拼合成语音信号实现加密操作，合成的加密语音信号通过RPE-LTP编码后经过手机发射给相应基站进行传输，接收端在接到加密信号后，通过加解密装置进行逆向解密。
完整的加密操作包括了语音切片分解操作、FDMA频分乱序操作、TDMA时分乱序操作和加密语音合成操作四部分。如图2所示：
与此相对应，解密操作主要由加密语音切片分解、TDMA时分正序解密、FDMA频分正序解密和原始语音合成四部分组成。解密过程是加密过程的逆操作，其中每一个模块的功能都与加密模块相对应。下面介绍本设计中FDMA频分乱序和TDMA时分乱序的算法与参数设计。
3.2 FDMA频分乱序
在进行TDMA时分乱序前先进行FDMA频分乱序，这将极大的提高加密强度，增加破解难度。具体的设计如下：首先对输入语音信号进行N点快速傅立叶变换（FFT），得到一个频谱序列，并找出这个序列中语音频率在300～3400Hz内的符合人声频率的M个点，形成一个M行矩阵X，接着对X进行乱序操作，等同于X乘以一个M行M列的置乱矩阵P，将置乱后的序列为Px，并对Px求快速傅立叶逆变换（IFFT）。
令M为原始语音明文信息，k1、r为算法密钥，那么加密矩阵记为Pk1、r，解密矩阵记为Qk1、r，密文C可表示为：
C=Pk1、r（M）（1） （1）
M=P（C）=Qk1、r（C） （2）
置乱矩阵P必须符合一定的要求：（1）能够确保乱序后的序列进行IFFT后得到实序列；（2）只针对人声频率（300～3400Hz）范围内的语音点进行乱序；（3）乱序后得到的语音的可懂度要尽可能的低。
根据以上的要求，得到的P矩阵有很多，我们选取形式较简单的一组，以方便后续的加解密运算，其形式如下：
（3）
公式（3）中M表示符合人声频率300～3400Hz范围内的人声点数，其数量为N*（3400-300）/fs=3100N/fs。（N表示样本长度，fs表示采样频率），称为有效FFT点数。k1和r都是密钥，k1为小于M并与M互质的自然数，r为小于M的自然数。
我们将满足条件的k1的个数记为K'，那么算法的加密强度可以表示为M*K'。
3.3 TDMA时分乱序
令M为原始语音明文信息，k2为算法密钥，那么加密矩阵记为为Pk2'，解密矩阵记为Qk2'为密文记为C，则：
如果分组长度记为T，则TDMA时分乱序的加密强度应为T！。本算法的整体加密强度可以记为M*K'*T！。
3.4 参数的择优选择
经过一系列的测试，我们发现对加密结果有较大影响的参数是：语音分解切片尺寸和数据分组长度。
实验中发现在语音以20ms进行切片分解时，语音加密解密具有较好的操作性，语音还原的可懂度满足人类声音的识别要求，语音加解密速度较快，解密准确度较高。同时单位帧长度控制在20ms左右能够很好的保持语音信号自身的特性，所以在此算法中，我们将语音切片分解的长度定为20ms。
从公式中可以看到，加密强度与分组长度T有密切的关系，T越大加密强度就会越大，但是随之带来的问题是整个加密解密过程会变得漫长，考虑到语音传输对时效的要求较高，通过仿真测试，决定T取值在20左右可以在兼顾加密强度与语音时效中达到平衡。
结束语
本文针对移动终端语音加密通信中的关键技术展开研究，提出一种抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法。该设计方案不需要改变现有手机硬件设计、网路基站设备和通信网络核心架构，具有声音实效性高，延迟小，语音加密强度大，解密速度快，可懂度高，可信度好等优点。
参考文献
[1]王经星，孔维祥，高一，任其然.面向移动通信网络的语音安全传输系统[J].信息网络安全，2013.
[2]王育民，刘建伟编著.通信网的安全-理论与技术[M].西安电子科技大学出版社.1999
[3]侯雪梅.一种SVM多类分类算法用于抗噪语音识别[J].西安邮电学院学报，2009.
[4]刘翔宇，白瑞.外部中断控制器的设计与实现[J].西安邮电学院学报，2010.
[5]吴菁晶，张振川.GSM系统中的语音编码算法研究及RPE-LTP编码系统的DSP实现[J].东北大学硕士论文，2005.