基于GPRS 的混沌加密手機通信*

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。隨著通信技術的發展和3G 網絡的覆蓋，3G 技術在人們的生活中起到越來越重要的作用。混沌信號具有非周期性、初值敏感性和不可預測性等特征，使它在保密通信，信息安全等領域受到重視，有良好的應用前景［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用，在涉及商業、科技、軍事和個人隱私領域內手機通信的安全性顯得愈來愈重要。而現在手機竊聽器等高科技產品的粉墨登場，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、數據和補充業務，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 網絡，通過GPRS 網絡的TCP/IP 通道傳輸到對方，經過解密、解壓縮、還原出原始通話內容，實現了手機的混沌保密通信。

1 一種新的混沌數字序列的設計

1.1 新的混沌方程

混沌系統初始值和參數的改變都可以產生不同的混沌序列，很適合加密。要產生良好的混沌序列，就需要一個性能良好的混沌方程。Sprott 方程具有結構簡單，易實現性［3］。本文基于Sprott 方程設計了一個新的混沌系統:

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 連續混沌的數字序列及其統計性能測試

混沌信號具有對初始條件敏感性，類噪聲、易于產生卻難于預測等特點，很適合用在數據加密和通信等領域。

DSP 強大的數據處理能力和高運行速度使它在數字信號處理方面有廣泛的應用。本文采用TI公司的TMS320VC5509A 芯片的開發板，結合軟件CCS，根據離散化和數字化處理技術，對Sprott 系統作離散化處理后，產生混沌迭代序列。

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值使式(1)離散化的方法。即:

式中，τ為量化間隔。根據式2，對改進的Sprott 系統進行離散化后得:

混沌數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威的一種［6－8］。

本文在Linux 操作系統環境下，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，對產生的混沌序列進行了測試。測試結果如表1所示。

表1 NIST 測試結果

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

(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(通用統計)、和Approximate Entropy(近似熵)這四項，其余項的均勻性都較為良好。總體來講，序列基本通過測試，可應用于保密通信當中。

2 MU103模塊介紹

MU103 是華為公司研發的一款WCDMA/UMTS模塊。該模塊具有防潮、防塵、防靜電的功能，是一款工業級3G模塊產品，其可支持的正常工作溫度范圍廣達－30℃～75℃，為世界領先水平［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、數據、補充業務;

(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 環保認證要求

華為MU103模塊實物圖如圖2所示。華為MU103模塊應用框圖如圖3所示。

圖2 華為MU103模塊實物圖

圖3 華為MU103模塊應用框圖

3 系統具體實現

3.1 DSP 處理語音數據

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解密功能。算法實現具體為以下:

設明文為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字的語音信號，然后用混沌數字序列對數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字序列對語音信號進行解密，再進行解碼，將數字信號還原為原始的模擬信號。

DSP 處理語音具體實現框圖如圖4所示。

圖4 DSP 處理語音具體實現框圖

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、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。以GPRS 網絡作為數據無線傳輸網絡，可以開發出多種前景極其樂觀的各類應用，如無線數據的雙向傳送、無線遠程檢測和控制等［11］。GPRS 的應用十分廣泛，如油田無線監測系統，煤礦瓦斯監控系統、車載終端、自動抄表系統等，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 網絡上，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網絡，并得到移動分配的一個局域網IP，具體如下:

(1)AT OK 測試模塊是否注冊到網絡

(2)AT%IPINIT=“CMNET”初始化TCP/UDP的連接，建立GPRS、網絡場景，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IP(10.117.245.84)。

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

與遠程服務器建立TCP 鏈接

(5)AT%IPSEND=1，“wefsdfsdfsdf”

將用戶數據發送至指定鏈接(遠程服務器)

(6)OK

%IPDATA:1，12，wefsdfsdfsdf 說明遠程服務器已收到用戶數據。

(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據經過TCP/UDP 鏈路直接傳到對端。

(8)AT%IPCLOSE=1，”TCP”關閉TCP 鏈路

經過以上AT 命令就完成了一次數據的傳輸。

3.3 服務器的建立

因為模塊每次連到GPRS 網絡上，系統會分配一個動態的內網IP，所以考慮建立一個具有公網IP的服務器，轉發數據。利用C++軟件編寫一個服務器軟件，在具有公網IP 的電腦上運行，達到傳輸數據的目的。服務器工作流程如圖5所示。

圖5 服務器工作流程

3.4 系統框圖

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，經過GPRS 網絡連接到Internet 網絡，遠程服務器進行來連接，遠程服務器監聽到端口號時，接受連接請求，轉發手機A和手機B 經過處理后的信號，在這個過程中，如果有人截取了信號，由于信號經過了加密，對方不知道密鑰，所以得不到通話內容，這樣就保證了手機通話過程中的安全性。系統整體框圖如圖6。

圖6 系統整體框圖

4 總結

本文通過對改進的Sprott 方程進行Matlab 仿真，利用DSP 對該混沌系統進行離散化，產生性能良好的混沌序列，并對混沌序列進行NIST 測試，結果表明，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和混沌加密技術結合起來，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，實現了語音數據的處理和保密傳輸，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［C］//2007，第26 屆中國控制會議.

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［4］卞麗雅，戴青云，李亞.連續Lorenz 混沌系統的DSP 硬件實現［J］.微計算機信息，2007，23(8):1－2.

［5］A R，J S，J N.A Statistical Test Suit for Random and Pseudorandom Number Generator for Cryptographic Applications［S］.NIST Special Publication，2001:800－822.

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［7］Soto J.Randomness Testing of the Advanced Encryption Standard Candidate Algorithms［S］.NIST Interagency Reports No.6390，September 1999，9.

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［9］華為新款工業級3G模塊MU103 正式上市，開始批量供貨［EB/OL］.www.letswireless.com.cn.2010.

［10］華為MU103 無線模塊AT 命令手冊(V1.05)［S］.www.huawei.com.2010.

［11］趙欣，滿春濤.基于GPRS 的無線數據傳輸系統的研究［D］.中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2009.