基于移动通信网的语音加密透传关键问题研究

作     者：鄂松涛 

作者单位：战略支援部队信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郁滨

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0711[理学-系统科学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 08[工学] 0839[工学-网络空间安全] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：移动语音通信 端到端加密 密钥协商 轻量级 同步解密 

摘      要：基于运营商提供技术支持的语音通信始终是移动通信网中不可缺少的组成部分,随着近年来各种通话窃听事件频发,手机这类移动台和移动通信网中存在的语音数据泄露问题成为讨论热点。在此背景下,端到端加密通话受到广泛关注。然而,受限于移动通信网语音信道的传输速率以及信道质量,语音加密传输终端建立加密通信链路时间较长且语音帧解密出错较多。针对此问题,本文基于端到端移动通信,在建立语音加密透传模型的基础上,设计轻量级认证与密钥协商方案和基于帧ID的同步解密方案,仿真实验结果表明本文方案能够快速建立加密链路,减少帧ID传输错误引起的解密失败问题,并验证了可行性。本文将移动通信网和移动台看作扩展语音信道,在不改动扩展语音信道的前提下,通过深入研究声码器传输特点,建立语音加密透传模型,分析端到端加密通话过程中建立加密通信链路以及语音帧解密时存在的问题,设计语音加密传输终端,在此基础上,实现语音加密透传系统,为语音信道中传输普通数据提供理论依据,为后续方案设计奠定理论基础。针对移动通信网语音加密传输建立加密链路时间较长的问题,基于无证书密码体制,设计一种轻量级认证与密钥协商方案。该方案通过建立e CK安全扩展模型,在确保密钥协商安全的前提下,从减少通信双方交互次数、计算耗时、数据传输量的角度实现了协商方案的轻量化。安全性分析表明,该方案能够抵抗常见的已知攻击,同时具有较低的计算和通信开销。针对会话密钥与语音帧未正确匹配导致整个语音帧解密失败的问题,设计一种基于帧ID的同步解密方案。该方案通过研究波形符号映射的误码特点,结合加密语音帧不允许添加较多冗余数据的要求,设计适合扩展语音信道传输的帧格式。同时,采用语音帧判定算法以及同步解密机制,实现会话密钥和语音帧同步。仿真实验表明,该方案在不同信道条件下能够明显降低解密失败的频次。基于上述研究,设计实现语音加密传输终端,该终端包括加/解密、信道编/解码、波形映射/逆映射三个部分,与扩展语音信道构成一个语音加密透传系统。在不同信噪比条件下进行语音加密传输测试,仿真实验结果表明,该系统能够将加密后的语音数据映射为类语音信号,通过扩展语音信道,实现了加密语音信号的透传。本文研究结果能够为端到端语音加密传输提供技术支撑。