基于GPRS 的混沌加密手机通信*

王智敏，王春雷，杜斌峰

(杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018)

随着手机使用量的增大，通话过程中的保密问题越来越受到人们的重视。随着通信技术的发展和3G 网络的覆盖，3G 技术在人们的生活中起到越来越重要的作用。混沌信号具有非周期性、初值敏感性和不可预测性等特征，使它在保密通信，信息安全等领域受到重视，有良好的应用前景［1－2］。目前，手机在人们的生活和工作中几乎得到了普及性的应用，在涉及商业、科技、军事和个人隐私领域内手机通信的安全性显得愈来愈重要。而现在手机窃听器等高科技产品的粉墨登场，也使得这一问题越来越受到人们的重视。TI 公司的DSP(数字信号处理)微处理器(芯片)具有处理信息速度快、可编程等特点，广泛用于语音信息的处理、图像/图形的处理和军事保密通信中。华为公司的3G WCDMA 通信模块MU103，支持UMTS 2100/900和GSM/GPRS 850/900/1800/1900 频段，支持语音、短信、数据和补充业务，提供了丰富的接口，支持标准AT 指令集和华为扩展AT 指令集。本文提出了一种手机保密通信方案，利用DSP 实现语音的采集、量化、编码，然后用良好的混沌序列对语音信号进行加密，之后通过MU103模块连接到GPRS 网络，通过GPRS 网络的TCP/IP 通道传输到对方，经过解密、解压缩、还原出原始通话内容，实现了手机的混沌保密通信。

1 一种新的混沌数字序列的设计

1.1 新的混沌方程

混沌系统初始值和参数的改变都可以产生不同的混沌序列，很适合加密。要产生良好的混沌序列，就需要一个性能良好的混沌方程。Sprott 方程具有结构简单，易实现性［3］。本文基于Sprott 方程设计了一个新的混沌系统:

当k=0.4 时，在Matlab 仿真中获得了复杂的吸引子相图如图1所示。

图1 混沌吸引子相图

1.2 连续混沌的数字序列及其统计性能测试

混沌信号具有对初始条件敏感性，类噪声、易于产生却难于预测等特点，很适合用在数据加密和通信等领域。

DSP 强大的数据处理能力和高运行速度使它在数字信号处理方面有广泛的应用。本文采用TI公司的TMS320VC5509A 芯片的开发板，结合软件CCS，根据离散化和数字化处理技术，对Sprott 系统作离散化处理后，产生混沌迭代序列。

将微分方程离散化，通常有以下3种方法［4］:(1)差商逼近法;(2)数值积分法;(3)Taylor 展开法。本文采用差商逼近法。差商逼近法，就是用适当差商逼近导数值使式(1)离散化的方法。即:

式中，τ为量化间隔。根据式2，对改进的Sprott 系统进行离散化后得:

混沌数字序列作为保密通信的密钥序列，必须满足一定的随机性条件。实际中，可以用NIST(美国国家技术与标准局)推出的STS 测试软件包测试序列的性能。NIST 推出的统计测试软件包STS［5］(Statistical Test Suite)是当前测试伪随机序列性能的工具中最具权威的一种［6－8］。

本文在Linux 操作系统环境下，随机抽取一亿比特长的序列，每组一千个比特，共分为十万组，对产生的混沌序列进行了测试。测试结果如表1所示。

表1 NIST 测试结果

NIST 提供两种评定依据，分别为P-VALUE值和PROPORTION 通过率。从表1NIST 测试结果可知:

(1)序列的通过率:各项性能都较好的通过;

(2)序列的均匀性:除了Rank(二进制矩阵阶测试)、FFT(快速傅里叶变换)、Universal(通用统计)、和Approximate Entropy(近似熵)这四项，其余项的均匀性都较为良好。总体来讲，序列基本通过测试，可应用于保密通信当中。

2 MU103模块介绍

MU103 是华为公司研发的一款WCDMA/UMTS模块。该模块具有防潮、防尘、防静电的功能，是一款工业级3G模块产品，其可支持的正常工作温度范围广达－30℃～75℃，为世界领先水平［9］。本文采用MU103模块作为手机客户端，利用MU103 的TCP/IP 通道，传输经DSP 处理后的语音信号。

MU103模块的功能特点如下［10］:

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

(2)支持语音、短信、数据、补充业务;

(3)提供丰富的用户信号接口:

(4)提供焊盘和连接器两种天线接口;

(5)支持标准AT 指令集和扩展AT 指令集

(6)符合ROHS 环保认证要求

华为MU103模块实物图如图2所示。华为MU103模块应用框图如图3所示。

图2 华为MU103模块实物图

图3 华为MU103模块应用框图

3 系统具体实现

3.1 DSP 处理语音数据

G.729 语音编码方案是电话带宽的语音信号编码的标准，对输入语音性质的模拟信号用8 kHz 采样，16 bit 线性PCM 量化。G.729A 是ITU 最新推出的语音编码标准G.729 的简化版本。本文采用G.729A 语音编解码标准对语音信号进行编解码。

异或算法是一种对称加密算法。进行两次异或运算便实现解密功能。算法实现具体为以下:

设明文为Mn，密钥为Xn，加密算法为f(Mn，Xn)，得到的密文为Yn。解密算法为f－1(Yn，Xn)，则加密过程可表示为:

解密过程可表示为:

为了保证实时性，本文采用异或加密算法。

DSP 先通过采集、量化、编码将模拟语音信号变成数字的语音信号，然后用混沌数字序列对数字语音信号进行异或加密，将加密后的语音信号通过MU103模块建立的GPRS 链路进行传输，然后用相同的混沌数字序列对语音信号进行解密，再进行解码，将数字信号还原为原始的模拟信号。

DSP 处理语音具体实现框图如图4所示。

图4 DSP 处理语音具体实现框图

3.2 GPRS 通信链路的建立

3.2.1 GPRS 的特点

GPRS 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。以GPRS 网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用，如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等［11］。GPRS 的应用十分广泛，如油田无线监测系统，煤矿瓦斯监控系统、车载终端、自动抄表系统等，它的主要特点:

(1)实时在线;(2)接入速度快;(3)传输速率高，理论值最高可达171·2 kbit/s;(4)计费合理，以流量计费;(5)快捷登录，GPRS 用户开机后，就始终附着在GPRS 网络上，每次使用时只需一个1 s～3 s的激活过程。

3.2.2 MU103模块

MU103 是一种通信模块，支持AT 命令和华为扩展AT 命令。利用AT 命令可以使模块注册到GPRS网络，并得到移动分配的一个局域网IP，具体如下:

(1)AT OK 测试模块是否注册到网络

(2)AT%IPINIT=“CMNET”初始化TCP/UDP的连接，建立GPRS、网络场景，建立一条物理连接。

(3)AT%IPINIT

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

查看移动分配的局域网IP(10.117.245.84)。

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

与远程服务器建立TCP 链接

(5)AT%IPSEND=1，“wefsdfsdfsdf”

将用户数据发送至指定链接(远程服务器)

(6)OK

%IPDATA:1，12，wefsdfsdfsdf 说明远程服务器已收到用户数据。

(7)AT%IPENTRANS 使用TCP 的透明传输功能，当TCP/UDP 链接建立后，在模块串口输入的数据经过TCP/UDP 链路直接传到对端。

(8)AT%IPCLOSE=1，”TCP”关闭TCP 链路

经过以上AT 命令就完成了一次数据的传输。

3.3 服务器的建立

因为模块每次连到GPRS 网络上，系统会分配一个动态的内网IP，所以考虑建立一个具有公网IP的服务器，转发数据。利用C++软件编写一个服务器软件，在具有公网IP 的电脑上运行，达到传输数据的目的。服务器工作流程如图5所示。

图5 服务器工作流程

3.4 系统框图

DSP 处理后的语音信号，利用MU103模块，通过AT 命令，建立TCP/IP 链路，经过GPRS 网络连接到Internet 网络，远程服务器进行来连接，远程服务器监听到端口号时，接受连接请求，转发手机A和手机B 经过处理后的信号，在这个过程中，如果有人截取了信号，由于信号经过了加密，对方不知道密钥，所以得不到通话内容，这样就保证了手机通话过程中的安全性。系统整体框图如图6。

图6 系统整体框图

4 总结

本文通过对改进的Sprott 方程进行Matlab 仿真，利用DSP 对该混沌系统进行离散化，产生性能良好的混沌序列，并对混沌序列进行NIST 测试，结果表明，序列性能良好，可用于保密通信中。提出了一种保密通信方案，将DSP、GPRS和混沌加密技术结合起来，利用高压缩率的G.729A 语音编解码标准，对语音信号进行编解码，利用混沌数字序列对编码好的语音信号进行加密，通过MU103模块建立的GPRS 链路传输语音信号，实现了语音数据的处理和保密传输，保证了手机通话中的安全。

［1］禹思敏，吕金虎.基于文氏电桥的超混沌保密通信及其DSP 实现［C］//2007，第26 届中国控制会议.

［2］Wang G Y，Liu J B，Zheng X.Analysis and Implementation of a New Hyperchaotic System［J］.2007 Chin.Phys.16(8)2278－2284.

［3］Sprott J C.Some Simple Chaotic Flows［J］.PhysicalReview E，1994，50(2):647－650.

［4］卞丽雅，戴青云，李亚.连续Lorenz 混沌系统的DSP 硬件实现［J］.微计算机信息，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.

［6］Vladeanu C，El Assad S，Carlach J C，Quere R.Improved Frey Chaotic Digital Encoder for Trellis-Coded Modulation［J］.Circuits and Systems Ⅱ:Express Briefs，2009:509－513.

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

［8］Soto J，Bassham L.Randomness Testing of the Advanced Encryption Standard Finalist Candidates［S］.NIST Interagency Reports No.6483，March 2000，14.

［9］华为新款工业级3G模块MU103 正式上市，开始批量供货［EB/OL］.www.letswireless.com.cn.2010.

［10］华为MU103 无线模块AT 命令手册(V1.05)［S］.www.huawei.com.2010.

［11］赵欣，满春涛.基于GPRS 的无线数据传输系统的研究［D］.中国优秀硕士学位论文全文数据库，2009.