基于公众移动通信网的端到端加密语音传输技术研究

【摘要】： 随着通信技术的发展,移动通信已逐渐成为人们广泛使用的通信手段。业界在不断发展高速空中接口技术的同时,对移动通信的安全问题也越来越重视。如何努力弥补现有移动通信网络存在的安全缺陷,逐渐完善移动通信网的安全机制成为目前研究的热点问题之一。尤其是在现有移动通信网体系架构下研究端到端的高保密语音通信方法,需求迫切,难度很大,是一个很有挑战性的前瞻性研究课题,得到了“十一五”国家“863”计划的资助。 本文主要在阅读掌握国内外大量相关文献的基础上,针对现有公众移动通信网,从语音信号产生模型、信道传输模型及数据波形映射法三个技术层面对端到端高保密语音的传输问题展开了深入研究,主要的工作和创新点如下： (1)通过对现有多种移动通信网结构和语音工作模式的对比分析,总结抽象出移动通信语音服务的一般工作流程,建立了一个具有一般性的通用移动通信语音传输模型,依据该模型将高保密语音的传输问题归结为能有效抵抗声码器有损压缩影响的调制解调算法的设计问题。 (2)结合语音信号产生模型建立了语音合成与调制、语音线性预测分析与解调之间的关联,提出了SA-SVQ (Simulated Algorithm-Split Vector Quantization)矢量量化算法及SCAMDF (Simplified Circular Average Magnitude Difference Function)基音检测算法,设计了用于GSM FR声码器的调制解调算法,能够有效地抵抗声码器波形畸变的影响,仿真结果表明了算法的有效性。 (3)提出了GSM FR级联声码器黑箱信道传输模型。通过引入apFFT算法对信道模型进行频率响应系统识别,解决了经典DFT和FFT算法需要进行复杂频偏校正才能获得正确相位值的问题。给出了GSM FR话音业务信道的等效滤波器模型,根据辨识结果及其等效模型,提出了采用OFDM技术实现调制解调的方法,通过合理设计OFDM参数实现了可靠、有效的数据传输。仿真验证了其可行性。 (4)将“建模-辨识-验证-设计”的方法推广应用到我国现有的其他移动级联声码器信道,仿真结果表明,各类声码器信道能否有效传输传统调制信号(如OFDM、QPSK、FSK等调制信号)与信道对单频余弦信号的传输特性有关。对GSM HR和CDMA2000 EVRC两种声码器业务信道难以有效传输单频余弦信号的原因进行了分析说明。 (5)将OFDM符号生成过程推广为数据到波形集的映射,引入遗传算法作为波形寻优的实现手段,在综合信道对波形频率、相位和幅度畸变影响的基础上,提出了一种改进的波形符号生成方法,有效提高了算法效率和误码性能,并推广应用到GSM FR话音业务信道。 初步的模拟实验表明文中的基本结论具有较好的实践指导价值,可以为下一步原理样机的研制打下坚实的基础。