CN103973436A - Gsm语音信道中安全传输数字信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在GSM语音信道中安全可靠地传输数字信息的方法，主要解决数字信息在GSM语音信道中传输速率低，抗干扰能力弱，安全性低的问题。其实现步骤是：1)发送终端A采用SM2加密算法对要安全传输的数字信息加密，并进行(255，179)BCH信道编码；2)对编码后的结果进行OFDM调制，以及FFT插值升采样；3)接收终端B对收到的信号进行数据抽取降采样及OFDM解调；4)对解调后的结果进行(255，179)BCH信道译码，并采用SM2解密算法进行解密，得到密钥明文。本发明可提高数字信息在GSM语音信道中的传输速率，降低其传输误码，并可防止信息泄露，可用于GSM语音信道中的数字信息传输。

Description

GSM语音信道中安全传输数字信息的方法

技术领域

本发明属于通信安全领域，具体涉及一种数字信息传输方法，可用于通信双方在GSM语音信道中的数字信息传输。

背景技术

随着***听、信息泄露的现象日益严重，全球移动通信***GSM端到端的信息安全需求也越来越迫切。在移动终端上对语音信号进行加密可以保证端到端的语音保密通信，这时就必须要考虑到加密密钥在语音信道中的可靠传输问题。通常情况下，密钥是以数字信号的形式进行传输的，然而全球移动通信***GSM语音信道主要是用来传输模拟信号，即话音信号。全球移动通信***GSM传统语音信道上存在一编一解的规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器模块，该模块通过提取输入语音的声音模型参数对语音进行压缩和恢复。然而数字信号与模拟信号特征差别较大，它不具备语音信号的声音模型参数，直接传输时部分信号有可能会被声码器当作噪声丢弃，从而在通过声码器后出现较大的误码，且数字信号在语音信道中传输的传输速率低，抗干扰能力弱。所以，在全球移动通信***GSM传统语音信道上能够可靠地传输数字信息对实现移动端到端语音保密通信具有重要意义。同时，在保证可靠传输的前提下提高数字信息传输的安全性也有助于提升语音通信的保密效果。

在全球移动通信***GSM语音信道传输数字信号的研究最初集中在其实现的可行性上，较少涉及到使数字信号具备类语音特征以及数字信号传输所特有的对传输准确性和安全性的要求。

以此为基础，近年来人们已经提出了一些在全球移动通信***GSM语音信道中端到端传输数字信息的方法，并且进行了仿真验证：

[1].刘芳，季晓勇，GSM语音信道传输实时数据的可行性研究[J]，科学技术与工程，2008，8(17)，5009-5011。该研究对频移键控FSK、四相移相键控QPSK和正交振幅调制QAM这三种调制方式进行了仿真，但是没有考虑误码性能和信息安全性问题；

[2].陈立全，胡爱群，徐青，杨晓辉，一种抗规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器压缩的端到端数据传输方法[J]，中国工程科学，2007，9(12)，81-85。该方法使用正交频分复用OFDM调制来实现语音信道中低误码、低时延的传输，但没有考虑采用适当的OFDM子载波频率范围和信号采样率，故调制后的信号并不具备良好的类语音特征；

[3].Ali Shahbazi,Amir Hossein Rezaie,Abolghasem Sayadiyan,and SaeedMosayyebpour Department of Electrical Engineering，Data Transmission over GSMAdaptive Multi Rate Voice Channel Using Speech-Like Symbols，at2010InternationalConference on Signal Acquisition and Processing，pp.63-67，2010。该方法将数据编码成一种已设计好的类语音符号，然后对这种类语音符号进行相应处理后发送，这种方法会造成一定的数据冗余并提高了对***传输质量的要求；

[4].Gianluigi Biancucci,Andrea Claudi,Aldo Franco Dragoni InformationEngineering Department(DII)，Secure Data and Voice Transmission Over GSM VoiceChannel:Applications for Secure Communications，at20134th InternationalConference on Intelligent Systems,Modelling and Simulation，pp230-233，2013。该方法将语音数字化后直接加密传输，但数字化后的语音会失去大部分的类语音特性，造成信号通过规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后产生较大误码。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全球移动通信***GSM语音信道中安全传输数字信息的方法，以解决数字信号在全球移动通信***GSM语音信道中传输时抗干扰能力弱、传输速率低以及安全性差的问题，从而实现数字信息的安全可靠传输。

实现本发明目的的技术方案，包括如下步骤：

(1)发送终端A与接收终端B相互通信，发送终端A采用椭圆曲线公钥密码SM2加密算法对要安全传输的数字信息进行加密；

(2)对加密后的数字信息密文进行BCH信道编码；

(3)对BCH信道编码后的数字信息密文进行四进制相移键控QPSK星座映射方式的正交频分复用OFDM调制，实现抗规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器压缩的端到端数据传输。

(3.1)选取20ms作为一个正交频分复用OFDM符号周期，用一个正交频分复用OFDM符号构成一个正交频分复用OFDM帧，选取***传输速率为2.4kb/s，则一个正交频分复用OFDM符号的数据量为48bit，子载波间隔为50Hz，子载波个数为24个；

(3.2)将一帧长度为48bit的原始串行数据进行串并转换，得到24行2列的数据矩阵；

(3.3)根据点频正弦波通过两次规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，频率响应线性和幅度响应非线性的特性，以2.4kb/s的***传输速率，将步骤(3.2)得到的24行2列数据矩阵中的每行数据进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制，得到24行1列的数据矩阵；

(3.4)根据可通过规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器的调制信号的频率范围，选取350Hz～1550Hz范围内的子载波对步骤(3.3)得到的24行1列数据矩阵中的每行数据进行调制，得到24行1列的数据矩阵；

(3.5)对步骤(3.4)得到的24行1列数据矩阵中的1列数据进行插值操作，在每列数据的起始位置前插6个零，末尾位置后插2个零，以提高快速傅里叶反变换IFFT点数，得到32行1列的数据矩阵；

(3.6)对步骤(3.5)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行32点快速傅里叶反变换IFFT，其结果等效于将每行数据分别乘以对应于该行的子载波，得到32行1列的数据矩阵；

(3.7)取步骤(3.6)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据末尾的1/4长度数据，即8个数据点作为循环前缀加至这8个数据点所在列的起始位置前，得到40行1列的数据矩阵，该数据矩阵即为一个正交频分复用OFDM帧，帧中所包含的40个数据点可等效为40个采样点；

(3.8)对所有原始数据帧进行步骤(3.1)～步骤(3.7)的处理，得到所有的正交频分复用OFDM帧，并用所有的正交频分复用OFDM帧组成正交频分复用OFDM已调信号。

(4)将正交频分复用OFDM已调信号进行快速傅里叶变换FFT插值升采样操作，提高信号的采样率；

(5)接收终端B对收到的信号进行数据抽取降采样，恢复信号原有采样率；

(6)对数据抽取后的信号进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调；

(7)对正交频分复用OFDM解调信号进行BCH信道译码，得到BCH信道译码后的数字信息密文；

(8)对BCH信道译码后的数字信息密文采用椭圆曲线公钥密码SM2解密算法进行解密，得到数字信息。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1)本发明由于使用椭圆曲线公钥密码SM2算法对要传输的数字信息进行了加密，这就使得传输过程中数字信息的安全性得到了很大的提升；

2)本发明由于通过BCH信道编码、正交频分复用OFDM调制、子载波频率范围的选择以及FFT插值升采样操作，减少了数字信息在全球移动通信***GSM语音信道中的传输误码，且运算量较低，实现较简单。

实验仿真结果表明，发送端原始数据量为1158bit，在高斯信道信噪比SNR＝2dB时，通过两次规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，***误码率已低于10^-3。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中点频正弦波信号在语音信道接收端的频谱曲线；

图3是本发明中点频正弦波信号在语音信道接收端的幅度响应曲线；

图4是本发明中某一帧插值升采样后的等效样点图；

图5是利用本发明传输不同数据量大小的数字信息的***性能仿真曲线。

具体实施方式

本发明中使用的数字信息全部为二进制数字信号形式。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，发送终端A对所要安全传输的数字信息进行加密。

因为与RSA等非对称加密算法相比，椭圆曲线公钥密码SM2算法具有安全性更高、运算复杂度更低的优点，并且国家密码管理局推荐在使用公钥密码的***中采用椭圆曲线公钥密码SM2算法，故本发明使用椭圆曲线公钥密码SM2算法对所要安全传输的数字信息进行加密，其具体步骤如下：

1.1)发送终端A和接收终端B均进行椭圆曲线公钥密码SM2算法的***参数初始化，选择密钥长度m＝256bit；

需要初始化的***参数包括：有限域F_P的特征值p，p是m比特长度的素数；有限域F_P中的两个元素a和b，a和b定义了椭圆曲线E(F_P)的方程：y²＝x³+ax+b，其中a、b满足4a³+27b²≠0；基点G＝(x_G,y_G)∈E(Fp)，其中G≠0，O为无穷远点，x_G、y_G分别为基点G的横坐标和纵坐标；基点G的阶n，n是m比特长度的素数。

***参数的初始化值如下，以下数值均为十六进制：

有限域F_P的特征值p为：8542D69E4C044F18E8B92435BF6FF7DE457283915C45517D722EDB8B08F1DFC3；

有限域F_P中的元素a为：787968B4FA32C3FD2417842E73BBFEFF2F3C848B6831D7E0EC65228B3937E498；

有限域F_P中的元素b为：63E4C6D3B23B0C849CF84241484BFE48F61D59A5B16BA06E6E12D1DA27C5249A；

基点G的横坐标x_G为：421DEBD61B62EAB6746434EB C3CC315E32220B3B ADD50BDC4C4E6C147FEDD43D；

基点G的横坐标y_G为：0680512B CBB42C07D47349D2153B70C4E5D7FDFC BFA36EA1A85841B9E46E09A2；

基点G的阶n为：8542D69E4C044F18E8B92435BF6FF7DD297720630485628D5AE74EE7C32E79B7；

1.2)接收终端B产生私钥P_B，根据私钥P_B产生公钥P_B′，将公钥P_B′发给发送终端A，其中私钥P_B为小于n-1的一个随机的正整数，公钥P_B′为椭圆曲线E(F_P)上的一个非无穷远点且满足P_B′＝P_B·G；

1.3)发送终端A利用收到的公钥P_B'，计算出公钥P_B'所对应的椭圆曲线参数和哈希函数值，然后使用该椭圆曲线点参数和哈希函数值对数字信息进行加密，得到数字信息密文。

步骤2，对加密后的数字信息密文数据进行BCH信道编码。

BCH取自Bose、Ray-Chaudhuri与Hocquenghem三个人名的缩写，BCH码是用于校正多个随机错误模式的多级、循环、变长数字信道编码。

BCH信道编码有多种方法，例如(255,187)BCH信道编码，(255,179)BCH信道编码等，其中(255,179)BCH信道编码的信息位为179bit，冗余位为76bit，编码效率为70.20％，考虑到本发明中发送端需要发送的数据帧信息位为160bit，使用(255,179)BCH信道编码方法时的冗余位较低，且编码效率较高，故本发明采用(255,179)BCH信道编码方法对步骤1所得到的数字信息密文进行BCH信道编码。

步骤3，对BCH信道编码后的数字信息密文进行四进制相移键控QPSK星座映射方式的正交频分复用OFDM调制，实现抗规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器压缩的端到端数据传输。

3.1)选取20ms作为一个正交频分复用OFDM符号周期，用一个正交频分复用OFDM符号构成一个正交频分复用OFDM帧，选取***传输速率为2.4kb/s，则一个正交频分复用OFDM符号的数据量为48bit，子载波间隔为50Hz，子载波个数为24个；

3.2)将一帧长度为48bit的原始串行数据进行串并转换，得到24行2列的数据矩阵；

3.3)由于OFDM调制原理是将1行串行数据转换为n行并行数据，然后将这n行并行数据分别同各行所对应的点频正弦子载波相乘，而点频正弦波在通过两个串接的规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，其频谱曲线在100Hz～1600Hz频率范围内呈现近似线性特性，在1600Hz以上频率范围呈现非线性特性，如图2所示。可见，使用频率调制方式的正交频分复用OFDM调制信号，通过两个串接的脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，其频谱在1600Hz以上频率范围会产生较大失真，因而在正交频分复用OFDM调制过程中不能使用二进制频移键控2FSK等频率调制方式。

并且，由于两个规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器串接可近似等效成带通滤波器，所以点频正弦波在通过两个串接的规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，其幅度响应曲线基本呈现非线性特性，如图3所示。可见，使用幅度调制方式的正交频分复用OFDM调制信号，通过两个串接的脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，在整个频率范围内其幅度相应会产生较大失真，因而在正交频分复用OFDM调制过程中不能使用正交幅度调制QAM等幅度调制方式；

根据以上所述的点频正弦波通过两个串接的规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，频谱曲线部分线性和幅度响应曲线非线性的特性，可以在正交频分复用OFDM调制过程中采用二进制相移键控BPSK、四进制相移键控QPSK等星座映射相位调制方式；

由于四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式满足本发明中***传输速率为2.4kb/s的要求，故本发明将步骤3.2)得到的24行2列数据矩阵中的每行数据进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制，得到24行1列的数据矩阵；

3.4)根据可通过规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器的调制信号的频率范围，选取350Hz～1550Hz范围内的子载波对步骤3.3)得到的24行1列数据矩阵中的每行数据进行调制，得到24行1列的数据矩阵；

3.5)对步骤3.4)得到的24行1列数据矩阵中的1列数据进行插零操作，在每列数据的起始位置前插6个零，末尾位置后插2个零，以提高快速傅里叶反变换IFFT点数，得到32行1列的数据矩阵；

3.6)对步骤3.5)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行32点快速傅里叶反变换IFFT，根据其结果等效于将每行数据分别乘以对应于该行的子载波，得到32行1列的数据矩阵；

3.7)取步骤3.6)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据末尾的1/4长度数据，即8个数据点作为循环前缀加至这8个数据点所在列的起始位置前，得到40行1列的数据矩阵，该数据矩阵即为一个正交频分复用OFDM帧，帧中所包含的40个数据点可等效为40个采样点；

3.8)对所有原始数据帧进行步骤3.1)～步骤3.7)的处理，得到所有的正交频分复用OFDM帧，并用所有的正交频分复用OFDM帧组成正交频分复用OFDM已调信号。

步骤4，将正交频分复用OFDM已调信号进行快速傅里叶变换FFT插值升采样操作，提高信号的采样率。

数字信息密文经正交频分复用OFDM调制后，一帧传输信号的等效采样点数为40个，采样率为2000Hz，为了降低传输误码率，需要使传输信号采样率同规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器采样率8000Hz相匹配，即要对传输信号进行插值升采样，使每帧传输信号的等效采样点数达到160个，采样率达到8000Hz；

插值升采样方法包含利用插值公式插值升采样，传统快速傅里叶变换FFT插值升采样，加窗快速傅里叶变换FFT插值升采样等多种方法，由于传统快速傅里叶变换FFT插值运算量小，插值速度快，故本发明使用传统快速傅里叶变化FFT插值升采样的方法对正交频分复用OFDM已调信号进行插值升采样，具体步骤如下：

4.1)将一个长度为N的正交频分复用OFDM已调信号时域数据序列进行快速傅里叶变换FFT，得到原始频域数据序列X_N(k)，其中N＝40，k＝0,1,…,N-1；

4.2)对原始频域数据序列X_N(k)进行插值操作，得到长度M＝160的新频域插值数据序列X_M(k)：

$X_M\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}L\×X_N\left(k\right)& k\∈[0,N/2-1]\\ 0.5\×L\×X_N\left(k\right)& k=N/2\\ 0& k\∈[N/2+1,M-N/2-1],\\ 0.5\×L\×X_N(N/2)& k=M-N/2\\ L\×X_N(k-M+N)& k\∈[M-N/2+1,M-1]\end{array}\right.$ 其中L＝MN；

4.3)对新频域插值数据序列X_M(k)进行快速傅里叶反变换IFFT，得到插值后的一个正交频分复用OFDM已调信号新时域数据序列；

4.4)对所有正交频分复用OFDM已调信号时域数据序列进行步骤4.1)～步骤4.3)的处理，得到所有快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM新时域数据序列，如图4所示。从图4可见，一个正交频分复用OFDM已调信号原始时域数据序列经快速傅里叶变换FFT插值升采样后，其等效采样点数为160个；

4.5)用所有快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM新时域数据序列，组成快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM已调信号。

步骤5，接收终端B对收到的信号进行数据抽取降采样，恢复信号原有采样率。

5.1)将一个长度为M的已接收的信号时域数据序列进行快速傅里叶变换FFT，得到频域数据序列X_M(k)′，其中M＝160，k＝0,1,…,N-1，N＝40；

5.2)对步骤5.1)得到的频域数据序列X_M(k)′进行数据抽取，得到长度为N的新频域抽取数据序列X_N(k)′：

$X_N{\left(k\right)}^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_M{\left(k\right)}^{\′}/L& k\∈[0,N/2-1]\\ X_M{\left(k\right)}^{\′}\×2/L& k=N/2\\ X_M{(k+M-N)}^{\′}/L& k\∈[N/2+1,N-1]\end{array}\right.,$ 其中L＝MN；

5.3)对步骤5.2)得到的新频域抽取数据序列X_N(k)′进行快速傅里叶反变换IFFT，得到一个数据抽取后的时域数据序列；

5.4)对所有已接收信号时域序列进行步骤5.1)～步骤5.3)的处理，得到所有数据抽取降采样后的的已接收信号时域数据序列，所有数据抽取降采样后的的已接收信号时域数据序列组成数据抽取后的信号，此时，数据抽取后的信号采样率为2000Hz，一帧数据抽取后的信号的数据点数为40个。

步骤6，对数据抽取后的信号进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调。

本步骤与步骤3使用的四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM调制方法相对应：

6.1)将数据抽取后的一帧长度为40bit的串行信号数据进行串并转换，得到40行1列的数据矩阵；

6.2)将步骤6.1)得到的40行1列数据矩阵中1列数据的前8个数据点删除，得到32行1列的数据矩阵；

6.3)选取350Hz～1550Hz范围内的相位共轭子载波对步骤6.2)得到的32行1列数据矩阵中的每行数据进行解调，得到32行1列的数据矩阵；

6.4)对步骤6.3)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行32点快速傅里叶变换FFT，根据其结果等效于将每行数据分别乘以该行所对应的相位共轭子载波，得到32行1列的数据矩阵；

6.5)对步骤6.4)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行去零操作，删除每列数据的前6个数据点和后2个数据点，得到24行1列的数据矩阵；

6.6)将步骤6.5)得到的24行1列数据矩阵中的每行数据进行四进制相移键控QPSK星座逆映射相位解调，得到24行2列的数据矩阵；

6.7)对步骤6.6)得到的24行2列数据矩阵进行并串转换，得到1行48列的数据矩阵，该数据矩阵即为一个正交频分复用OFDM解调帧；

6.8)对所有数据抽取后的信号进行步骤6.1)～步骤6.7)的处理，得到所有的正交频分复用OFDM解调帧，所有的正交频分复用OFDM解调帧组成正交频分复用OFDM解调信号。

步骤7，对正交频分复用OFDM解调信号进行BCH信道译码，得到BCH信道译码后的数字信息密文。

本实例采用与步骤2使用的(255,179)BCH信道编码方法相对应的(255,179)BCH信道译码方法进行，其中信息位为179bit，冗余位为76bit，得到BCH信道译码后的数字信息密文。

步骤8，对BCH信道译码后的数字信息密文采用椭圆曲线公钥密码SM2解密算法进行解密，得到数字信息。

该解密方法与步骤1椭圆曲线公钥密码SM2加密算法相对应，具体步骤如下：

8.1)接收终端B利用在步骤1生成的存储在其存储空间里的私钥P_B，计算出发送终端A在进行密钥数字信息加密时所使用的椭圆曲线参数和哈希函数值；

8.2)根据步骤8.1)得到的椭圆曲线参数和哈希函数值对(255,179)BCH信道译码后的数字信息密文进行解密，得到数字信息，至此，本发明实现过程结束。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1)仿真环境与条件

1.1)信号模型：二进制数字信号；

1.2)信道模型：全球通信***GSM语音信道；

1.3)仿真软件：Matlab7.1；

1.4)仿真过程中所使用的参数设置如下：

1.4a)***传输速率为2.4kb/s；

1.4b)在进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM调制操作时，以一个正交频分复用OFDM符号的48bit数据为操作单位；令一个正交频分复用OFDM帧中包含一个正交频分复用OFDM符号，一个正交频分复用OFDM符号的符号周期为20ms；正交频分复用OFDM调制使用的子载波间隔为50Hz，子载波个数为24个，子载波频率范围为350Hz～1550Hz，调制在每个子载波上的数据量为2bit；正交频分复用OFDM调制过程中使用的快速傅里叶反变换IFFT的点数为32点，使用的循环前缀长度为8点；正交频分复用OFDM已调信号的频带范围为350Hz～1550Hz；

1.4c)对正交频分复用OFDM已调信号进行传统快速傅里叶变换FFT插值升采样的插值倍数为4倍，传统快速傅里叶变换FFT插值升采样后，一个正交频分复用OFDM帧中的等效采样点数为160个，***采样率为8000Hz。

1.4d)对接收到的信号进行数据抽取降采样的数据抽取倍数为4倍，数据抽取后一帧信号中的等效采样点数为40个，***采样率为2000Hz；

1.4e)在进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调操作时，以一个正交频分复用OFDM符号的48bit数据为操作单位；令一个正交频分复用OFDM帧中包含一个正交频分复用OFDM符号，一个正交频分复用OFDM符号的符号周期为20ms；正交频分复用OFDM解调使用的子载波间隔为50Hz，子载波个数为24个，子载波频率范围为350Hz～1550Hz；正交频分复用OFDM解调过程中使用的快速傅里叶变换FFT的点数为32点。

2)仿真内容

2.1)为了验证本发明所述的在全球通信***GSM语音信道中安全可靠地传输数字的方法的有效性，本发明对三种数据量大小的数字信息进行仿真验证，这三种数据量大小的数字信息分别为，数字信息signal1，数据量为1158bit，数字信息signal2，数据量为2948bit，数字信息signal3，数据量为4738bit，具体仿真内容如下：

2.1a)在发送终端A，对所要传输的数字信息signal1，数字信息signal2，数字信息signal3分别进行处理，得到要进行发送的3种不同数据量大小的信号，对每种数据量大小的数字信息的具体处理步骤如下：

首先，使用椭圆曲线公钥密码SM2加密算法对所要安全传输的数字信息进行加密，得到加密后的数字信息密文；

其次，使用(255,179)BCH信道编码方法对加密后的数字信息密文进行BCH信道编码，得到BCH信道编码后的数字信息密文；

再次，对BCH信道编码后的数字信息密文进行四进制相移键控QPSK星座映射方式的正交频分复用OFDM调制，得到正交频分复用OFDM已调信号；

最后，对正交频分复用OFDM已调信号进行快速傅里叶变换FFT升采样，得到快速傅里叶变换FFT升采样后的正交频分复用OFDM已调信号，即要进行发送的3种不同数据量大小的信号；

2.1b)将经过发送终端A处理后，将要进行发送的3种不同数据量大小的信号通过不同信噪比大小的全球移动通信GSM语音信道，其中，全球移动通信GSM语音信道的信噪比SNR的变化范围为0dB～5dB，每次变化的步长为0.5dB；

2.1c)在接收终端B，对接收到的3种不同数据量大小的信号分别进行与发送终端A相对应的逆处理，得到最终可以直接使用的3种不同数据量大小的数字信息，对每种数据量大小的数字信息的具体处理步骤如下：

首先，对接收到的信号进行进行数据抽取降采样，得到数据抽取后的信号；

其次，对数据抽取后的信号进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调，得到正交频分复用OFDM解调信号；

再次，使用(255,179)BCH信道译码方法对正交频分复用OFDM解调信号进行BCH信道译码，得到BCH信道译码后的数字信息密文；

最后，使用椭圆曲线公钥密码SM2解密算法对BCH信道译码后的数字信息密文进行解密，得到解密后的数字信息，即最终可以直接使用的3种不同数据量大小的数字信息；

2.1d)在接收终端B，将最终可以直接使用的3种不同数据量大小的数字信息，与在发送终端A处理前的3种不同数据量大小的数字信息分别进行对比，计算最终可以直接使用的3种不同数据量大小的数字信息，通过不同信噪比大小的全球移动通信GSM语音信道后产生的***传输误码率；

2.1e)在同一幅图中，绘制最终可以直接使用的3种不同数据量大小的数字信息所对应的3条***传输误码率曲线，结果如图5所示。

3)仿真结果分析

从图5可以看出，当全球通信***GSM语音信道的信噪比SNR达到2dB时，数字信息signal1所对应的***传输误码率曲线上的***传输误码率Pe趋于0；当全球通信***GSM语音信道的信噪比SNR达到3.5dB时，数字信息signal2所对应的***传输误码率曲线上的***传输误码率Pe趋于0；当全球通信***GSM语音信道的信噪比SNR达到5dB时，数字信息signal3所对应的***传输误码率曲线上的***传输误码率Pe趋于0；

对上述现象分析可知，对于这三种不同数据量大小的数字信息，当全球通信***GSM语音信道的信噪比SNR达到一定的dB值时，这三种不同数据量大小的数字信息所对应的***传输误码率曲线上的***传输误码率Pe就会趋于0，即本发明方法对于不同数据量大小的数字信息，在适当提高全球通信***GSM语音信道的信噪比SNR的情况下，可使其通过全球移动通信***GSM语音信道后的***传输误码率Pe趋于0，降低了数字信息在全球通信***GSM语音信道传输的误码率，提高了数字信息在全球通信***GSM语音信道传输的可靠性；

并且，这三种不同数据大小的数字信息在全球移动通信***GSM语音信道传输的***传输速率为2.4kb/s，即提高了数字信息在全球移动通信***GSM语音信道传输的***传输速率；

同时，经椭圆曲线公钥密码SM2加密算法加密后的数字信息密文的加密强度可以达到256bit，即使数字信息密文在传输的过程中被恶意截获，信息截获方也无法对其进行解密，提高了数字信息传输的安全性；

综上所述，本发明所提供的方法可以实现数字信息在GSM语音信道的安全可靠传输。

术语说明:

GSM： 全球移动通信***

RPE-LTP： 规则脉冲激励长期预测

SM2： 椭圆曲线公钥密码

RSA： 为Ron Rivest、Adi Shamir与Leonard Adleman三个人姓氏的缩写

BCH： 为Bose、Ray-Chaudhuri与Hocquenghem三个人名的缩写

OFDM： 正交频分复用

QAM： 正交幅度调制

BPSK： 二进制相移键控

QPSK： 四进制相移键控

FFT： 快速傅里叶变换

IFFT： 快速傅里叶反变换

SNR： 信噪比

Pe： 误码率。

Claims (8)

1.一种GSM语音信道中安全传输数字信息的方法，包括以下步骤：

(1)发送终端A与接收终端B相互通信，发送终端A采用椭圆曲线公钥密码SM2加密算法对要安全传输的数字信息进行加密；

(2)对加密后的数字信息密文进行BCH信道编码；

(3)对BCH信道编码后的数字信息密文进行四进制相移键控QPSK星座映射方式的正交频分复用OFDM调制，实现抗规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器压缩的端到端数据传输：

(3.1)选取20ms作为一个正交频分复用OFDM符号周期，用一个正交频分复用OFDM符号构成一个正交频分复用OFDM帧，选取***传输速率为2.4kb/s，则一个正交频分复用OFDM符号的数据量为48bit，子载波间隔为50Hz，子载波个数为24个；

(3.2)将一帧长度为48bit的原始串行数据进行串并转换，得到24行2列的数据矩阵；

(3.3)根据点频正弦波通过两次规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器后，频谱曲线线性和幅度响应曲线非线性的特性，以2.4kb/s的***传输速率，将步骤(3.2)得到的24行2列数据矩阵中的每行数据进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制，得到24行1列的数据矩阵；

(3.4)根据可通过规则脉冲激励长期预测RPE-LTP声码器的调制信号的频率范围，选取350Hz～1550Hz范围内的子载波对步骤(3.3)得到的24行1列数据矩阵中的每行数据进行调制，得到24行1列的数据矩阵；

(3.5)对步骤(3.4)得到的24行1列数据矩阵中的1列数据进行插值操作，在该列数据的起始位置前插6个零，末尾位置后插2个零，以提高快速傅里叶反变换IFFT点数，得到32行1列的数据矩阵；

(3.6)对步骤(3.5)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行32点快速傅里叶反变换IFFT，其结果等效于将每行数据分别乘以对应于该行的子载波，得到32行1列的数据矩阵；

(3.7)取步骤(3.6)得到的32行1列数据矩阵中1列数据末尾的1/4长度数据，即8个数据点作为循环前缀加至这8个数据点所在列的起始位置前，得到40行1列的数据矩阵，该数据矩阵即为一个正交频分复用OFDM帧，帧中所包含的40个数据点可等效为40个采样点；

(3.8)对所有原始数据帧进行步骤(3.1)～步骤(3.7)的处理，得到所有的正交频分复用OFDM帧，并用所有的正交频分复用OFDM帧组成正交频分复用OFDM已调信号。

(4)将正交频分复用OFDM已调信号进行快速傅里叶变换FFT插值升采样操作，提高信号的采样率；

(5)接收终端B对收到的信号进行数据抽取降采样，恢复信号原有采样率；

(6)对数据抽取后的信号进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调；

(7)对正交频分复用OFDM解调信号进行BCH信道译码，得到BCH信道译码后的数字信息密文；

(8)对BCH信道译码后的数字信息密文采用椭圆曲线公钥密码SM2解密算法进行解密，得到数字信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的发送终端A采用椭圆曲线公钥密码SM2加密算法对要安全传输的数字信息进行加密，包括以下步骤：

(2.1)发送终端A和接收终端B均进行椭圆曲线公钥密码SM2的参数初始化，选择的密钥长度为256bit；

(2.2)接收终端B先产生私钥P_B，再根据私钥P_B产生公钥P_B'，最后将公钥P_B'以明文方式发给发送终端A；

(2.3)发送终端A利用收到的公钥P_B'，计算出公钥P_B'所对应的椭圆曲线参数和哈希函数值，然后使用该椭圆曲线点参数和哈希函数值对数字信息进行加密，得到数字信息密文。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述的对加密后的数字信息密文进行BCH信道编码，采用(255,179)BCH信道编码方法，其中信息位为179bit，冗余位为76bit，编码效率为70.20％。

4.根据权利要求1所述的方法，步骤(4)所述的对正交频分复用OFDM已调信号进行快速傅里叶变换FFT插值升采样操作，包含以下子步骤：

(4.1)将一个长度为N的正交频分复用OFDM已调信号时域数据序列进行快速傅里叶变换FFT，得到原始频域数据序列X_N(k)，其中N＝40，k＝0,1,…,N-1；

(4.2)对原始频域数据序列X_N(k)进行插值操作，得到长度M＝160的新频域插值数据序列X_M(k)：

$X_M\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}L\×X_N\left(k\right)& k\∈[0,N/2-1]\\ 0.5\×L\×X_N\left(k\right)& k=N/2\\ 0& k\∈[N/2+1,M-N/2-1],\\ 0.5\×L\×X_N(N/2)& k=M-N/2\\ L\×X_N(k-M+N)& k\∈[M-N/2+1,M-1]\end{array}\right.$ 其中L＝MN；

(4.3)对新频域插值数据序列X_M(k)进行快速傅里叶反变换IFFT，得到插值后的一个正交频分复用OFDM已调信号新时域数据序列；

(4.4)对所有正交频分复用OFDM已调信号时域数据序列进行步骤(4.1)～步骤(4.3)的处理，得到所有快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM新时域数据序列；

(4.5)用所有快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM新时域数据序列，组成快速傅里叶变化FFT插值升采样后的正交频分复用OFDM已调信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)所述的接收终端B对已接收的信号进行数据抽取降采样，包含以下子步骤：

(5.1)将一个长度为M的已接收的信号时域数据序列进行快速傅里叶变换FFT，得到频域数据序列X_M(k)′，其中M＝160，k＝0,1,…,N-1，N＝40；

(5.2)对步骤(5.1)得到的频域数据序列X_M(k)′进行数据抽取，得到长度为N的新频域抽取数据序列X_N(k)′：

$X_N{\left(k\right)}^{\′}=\left\{\begin{array}{cc}{X}_M{\left(k\right)}^{\′}/L& k\∈[0,N/2-1]\\ X_M{\left(k\right)}^{\′}\×2/L& k=N/2\\ X_M{(k+M-N)}^{\′}/L& k\∈[N/2+1,N-1]\end{array}\right.,$ 其中L＝MN；

(5.3)对步骤(5.2)得到的新频域抽取数据序列X_N(k)′进行快速傅里叶反变换IFFT，得到一个数据抽取后的时域数据序列；

(5.4)对所有已接收信号时域序列进行步骤(5.1)～步骤(5.3)的处理，得到所有数据抽取降采样后的的已接收信号时域数据序列，所有数据抽取降采样后的的已接收信号时域数据序列组成数据抽取后的信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(6)所述的对数据抽取后的信号进行四进制相移键控QPSK星座映射相位调制方式的正交频分复用OFDM解调，包含以下子步骤：

(6.1)将数据抽取后的一帧长度为40bit的串行信号数据进行串并转换，得到40行1列的数据矩阵；

(6.2)将步骤(6.1)得到的40行1列数据矩阵中1列数据的前8个数据点删除，得到32行1列的数据矩阵；

(6.3)选取350Hz～1550Hz范围内的相位共轭子载波对步骤(6.2)得到的32行1列数据矩阵中的每行数据进行解调，得到32行1列的数据矩阵；

(6.4)对步骤(6.3)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行32点快速傅里叶变换FFT，其结果等效于将每行数据分别乘以该行所对应的相位共轭子载波，得到32行1列的数据矩阵；

(6.5)对步骤(6.4)得到的32行1列数据矩阵中的1列数据进行去零操作，删除该列数据的前6个数据点和后2个数据点，得到24行1列的数据矩阵；

(6.6)将步骤(6.5)得到的24行1列数据矩阵中的每行数据进行四进制相移键控QPSK星座逆映射相位解调，得到24行2列的数据矩阵；

(6.7)对步骤(6.6)得到的24行2列数据矩阵进行并串转换，得到1行48列的数据矩阵，该数据矩阵即为一个正交频分复用OFDM解调帧；

(6.8)对所有数据抽取后的信号进行步骤(6.1)～步骤(6.7)的处理，得到所有的正交频分复用OFDM解调帧，所有的正交频分复用OFDM解调帧组成正交频分复用OFDM解调信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(7)所述的对正交频分复用OFDM解调信号进行BCH信道译码，采用(255,179)BCH信道译码方法，其中信息位为179bit，冗余位为76bit，得到BCH信道译码后的数字信息密文。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(8)所述的对BCH信道译码后的数字信息密文采用椭圆曲线公钥密码SM2解密算法进行解密，包含以下子步骤：

(8.1)接收终端B利用自己的私钥P_B，计算出发送终端A在进行数字信息加密时所使用的椭圆曲线参数和哈希函数值；

(8.2)根据步骤(8.1)得到的椭圆曲线参数和哈希函数值对(255,179)BCH信道译码后的数字信息密文进行解密，得到数字信息。