nghiên cứu giải pháp bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

LA HỮU PHÚC



NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP
BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI THỜI GIAN THỰC


Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 62 52 02 03



TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT






HÀ NỘI – 2014


2

Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Lê Mỹ Tú
2. PGS.TS. Nguyễn Trần Lý

Phản biện 1: PGS. TS Vũ Thanh Hải.
Học viện Kỹ thuật quân sự
Phản biện 2: PGS. TS Phan Hữu Huân
Ban Cơ yếu Chính Phủ
Phản biện 3: TS. Thái Danh Hậu
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự


Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án
cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi …
ngày … tháng … năm 2014.



Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Viện KH&CN quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt nam


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Việc bảo mật tín hiệu thoại không chỉ c ý nghĩa đặc biệt quan
trọng trong An ninh - Quốc phòng, mà còn có giá trị to lớn trong mọi

mặt của đời sống kinh tế - xã hội. Bảo mật thông tin thoại luôn là vấn đề
được quan tâm. Bảo mật thoại số cho độ mật cao, tuy nhiên thực hiện
phức tạp, yêu cầu truyền trên kênh số. Bảo mật thoại tương tự, với ưu
điểm thuận lợi trong thực hiện, truyền trực tiếp trên kênh thoại nên được
sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo mật mang tính chiến thuật.
Phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có nhiều ưu
điểm so với các phương pháp bảo mật tương tự khác. Tuy nhiên, những
phương pháp này sử dụng biến đổi đầu vào là khối/khối, trực giao, chưa
tận dụng đặc tính giấu lỗi của những biến đổi chồng lấp. Đồng thời tín
hiệu sau khi mã hóa được sử dụng biến đổi ngược của biến đổi đầu vào.
Phương pháp bảo mật biến đổi miền xáo trộn trên tập hệ số của
biến đổi tuyến tính khối các mẫu tiếng nói. Lược đồ xáo trộn này quyết
định đến độ mật của bộ mã hóa. Nhiều lược đồ được đề xuất trong đó
lược đồ Raymond được ưu thích sử dụng, tuy nhiên do cần phải tính toán
và lưu trữ số nguyên lớn nên bất tiện trong thực tế.
Trên cơ sở đó Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải
pháp bảo mật thông tin thoại thời gian thực” nhằm:
 Nghiên cứu đề xuất xử lý tín hiệu đầu vào trên cơ sở biến
đổi chồng lấp.
 Nghiên cứu đề xuất bộ xử lý tín hiệu đã mã không phụ thuộc
vào biến đổi đầu vào.
 Đề xuất cải tiến làm giảm độ phức tạp của lược đồ tạo khóa.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề xuất giải pháp bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại thời gian thực
theo phương pháp tương tự có chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp


2

tiếng nói tốt, không gian khóa lớn.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Phạm vi nghiên cứu của Luận án:
o Tín hiệu thoại, tiếng nói con người.
o Kỹ thuật xử lý tiếng nói.
o Kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại.
 Đối tượng nghiên cứu của Luận án:
o Tiếng nói và đặc điểm của tiếng nói.
o Kỹ thuật bảo mật thoại đầu cuối
4. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp tiếp cận đối tượng theoquan điểm hiện đại kết hợp
với quan điểm lịch sử.
 Phương pháp tiếp cận theo quan điểm hệ thống.
 Phương pháp thực nghiệm, sức mạnh của thao tác phân tích,
thống kê, mô phỏng phân loại cũng sẽ được sử dụng trong luận
án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học: Góp phần hoàn thiện lý thuyết về kỹ thuật mã
hóa tín hiệu thoại tương tự Xây dựng cơ sở toán học biến đổi tín
hiệu đã mã đầu ra.
 Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xác lập các giải pháp thực hiện bảo
mật thoại đáp ứng nhu cầu bảo mật trong các lĩnh vực kinh tế xã
hội và cấp chiến thuật trong an ninh quốc phòng.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm 03 chương cùng với các phần mở đầu, kết luận,
danh mục các công trình, bài báo khoa học đã được công bố của tác giả
và 03 phần phụ lục.


3

CHƯƠNG 1
TIẾNG NÓI VÀ BẢO MẬT TIẾNG NÓI
1.1 Tiếng nói và kỹ thuật xử lý tiếng nói
1.1.1. Đặc điểm của tín hiệu thoại
Tín hiệu thoại, X(t), là một dạng đặc biệt của tín hiệu âm thanh,
do các âm thanh đơn sắc hợp thành, được biểu diễn như sau:
(1.1)
a) Phân loại âm thanh tiếng nói. Tín hiệu tiếng nói phân loại thành âm
hữu thanh và âm vô thanh.
b) Tín hiệu thoại mang tính cấu trúc. Tín hiệu thoại mang nội dung bản
tin thoại, thông tin trong bản tin được thể hiện qua cấu trúc ngôn ngữ.
c) Tín hiệu thoại có cơ chế biểu diễn tin theo tần số.
Những âm tiết trong ngôn ngữ, đặc biệt là nguyên âm, có các
cực đại (địa phương), khi biểu diễn phổ của tín hiệu, nguyên âm chính là
các tần số cộng hưởng (formant). Giá trị của các formant đầu tiên (2
hoặc 3) cho phép chúng ta nhận biết thành công nguyên âm.
d) Tín hiệu thoại có độ dư thừa tín hiệu lớn.
Nếu quan niệm lượng thông tin thực tế mà con người cần trao
đổi là số từ phát ra trong một đơn vị thời gian thì lượng tin này nhỏ hơn
rất nhiều lượng thông tin mà tín hiệu thoại chứa đựng.
e) Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại.
Lời thoại tuân theo cấu trúc ngôn ngữ. Cuộc đàm thoại diễn ra
trong ngữ cảnh nào đó. Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại gắn chặt
với khả năng nhận dạng tiếng nói của con người.
f) Tín hiệu thoại trong truyền thông.
Tín hiệu thoại dải hẹp có dải tần hữu hạn 0,3kHz đến 3,4kHz,
vẫn giữ được tính dễ hiểu, đáp ứng được nhu cầu nghe hiểu.
Kỹ thuật nén tiếng nói trong truyền thông
Gồm 3 bộ mã hóa: dạng sóng, tham số và lai ghép.




N
i
iii
tAtX
1
)sin()(



4

1.2. Bảo mật tín hiệu thoại đầu cuối
1.2.1. Đặc điểm, yêu cầu bảo mật tín hiệu thoại
a) Độ che lấp tiếng nói được hiểu là khả năng không thể hiểu được nội
dung thoại khi không giải mã.
b) Độ rõ còn lại (Residual Intelligibility) hay còn được gọi là tính dễ
hiểu còn lại, là khả năng khôi phục được thông tin từ bản mã.
c) Độ mật. Là khả năng không giải mã được trong một khoảng thời gian,
gọi là thời gian bảo mật. Độ mật còn được đánh giá bằng độ phức tạp để
có thể tìm lại tín hiệu rõ.
d) Chất lượng tiếng nói sau khi giải mã phải đảm bảo người nghe nhận
được thông tin qua đàm thoại, nhận dạng được người nói.
e) Mở rộng băng thông. Tín hiệu thoại sau khi mã hóa đảm bảo không
vượt qua băng thông ban đầu mới truyền qua được kênh băng tần hẹp.
f) Tính thời gian thực. Độ trễ mã hóa là không thể tránh khỏi. Nó bao
gồm thời gian tính toán xử lý và kích thước khung xử lý. Độ trễ này phải
được giới hạn để đảm bảo tính thời gian thực của thông tin thoại.
g) Phân loại các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại. Có hai loại mã hóa

tín hiệu thoại cơ bản: mã hóa tương tự và mã hóa số.
1.2.2. Phương pháp mã hóa tương tự
Sơ đồ khối chung được thể hiện ở hình 1.4.





Hình 1.4. Nguyên lý chung của bộ mã hóa tiếng nói tương tự
a) Kỹ thuật mã biên độ. Là kỹ thuật đơn giản, những mẫu tiếng nói riêng
biệt được sắp xếp lại trật tự.


5

b) Kỹ thuật mã miền tần số. Tín hiệu tiếng nói được bảo mật thông qua
thực hiện xáo trộn trên thành phần tần số của tín hiệu tiếng nói.
c) Kỹ thuật mã miền thời gian. Tín hiệu tiếng nói được chia thành những
đoạn thời gian và thứ tự của những đoạn tín hiệu này được thay đổi đi để
thu được tín hiệu mã.
d) Kỹ thuật mã hai miền. Những bộ mã hóa tiếng nói này thực hiện thao
tác mã trên cả miền thời gian và miền tần số đồng thời.
e) Kỹ thuật mã biến đổi miền. Thông qua một biến đổi, tín hiệu tiếng nói
được chuyển sang biểu diễn ở miền khác. Thao tác bảo mật được thực
hiện trên tập hệ số của biến đổi này. Những biến đổi được dùng là biến
đổi trực giao, đảm bảo không tăng nhiễu khi truyền qua kênh truyền.
1.2.3. Phương pháp mã số.
a) Nguyên lý.
Phương pháp mã hóa số tín hiệu thoại được thực hiện theo sơ đồ
khối hình 1.10.

Hình 1.10. Sơ đồ khối của phương pháp mã số
b) Những thuật toán mã hóa
Mã dòng là một dạng biến đổi loạt, biến đổi tuần tự bản rõ R
thành bản mã M theo bit. Bộ tạo dãy khoá K sinh ra dãy các bit
(k
1
,k
2
, ,k
i
, ) và được cộng modul 2 với dãy các bit bản rõ (r
1
,r
2
, ,r
i
, )
để có kết quả bản mã :
iii
krm 
(1.13)
Mã khối thao tác trên khối bit có độ dài cố định. Nhiều mã khối
)(tx
a
)(' tx

a


k
x
'
u
u


'
k
x


k
y


k
y'


6

được miêu tả như là mạng Feistel, trên cơ sở chia khối dữ liệu thành hai
nửa, trong đó một nửa thao tác trên nửa kia.
1.2.4. Các thước đo cảm quan.
a) Khoảng cách lô-ga-rít phổ
b) Thước đo khoảng cách LPC

c) Thước đo khoảng cách phổ.
d) Phổ đoạn tỷ lệ tín trên tạp
Kết luận chương 1
Các kết quả chính mà Chương 1 đạt được bao gồm:
1. Tín hiệu thoại có những đặc điểm riêng, dẫn đến bảo mật tín
hiệu thoại có những đặc trưng riêng. Do nhận biết tiếng nói là chủ quan
con người nên để đánh giá theo giải tích hiệu suất của bảo mật tín hiệu
thoại là bài toán rất khó, ngoài việc nghe thử trực tiếp tín hiệu mã các
nhà nghiên cứu đã dùng các thước đo cảm quan để đánh giá một cách
tương đối những kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại.
2. Nhiều phương pháp bảo mật tín hiệu thoại đã được đề xuất
với mục tiêu tăng độ che lấp tiếng nói, giảm độ rõ còn lại, tăng độ mật
với không gian khóa lớn, độ phức tạp phân tích mã cao; giảm trễ mã hóa
để đảm bảo tính thời gian thực. Tuy nhiên, các kỹ thuật bảo mật thoại
tương tự ít quan tâm đến khả năng che dấu lỗi của biến đổi đầu vào và
biến đổi đầu ra phụ thuộc biến đổi đầu vào (chính là biến đổi ngược của
biến đổi đầu vào), đồng thời để cho không gian khóa lớn cần đòi hỏi độ
phức tạp tính toán lớn.
3. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp biến
đổi đầu vào có khả năng che dấu lỗi, biến đổi đầu ra độc lập với biến đổi
đầu vào và cải tiến lược đồ tạo khóa cho không gia khóa lớn và độ phức
tạp tính toán thấp. Đồng thời, luận án cũng chỉ ra cách thức áp dụng
phương pháp trên vào bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực nhằm tạo ra
chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp tốt và độ mật cao.


7

CHƯƠNG 2
TẠO KHÓA TRONG BẢO MẬT THOẠI TƯƠNG TỰ

2.1. Bài toán chọn khóa
Tạo khóa trong mã hóa thoại tương tự là tạo ra hoán vị xáo trộn
các thành phần của tín hiệu tiếng nói. Không phải tất cả các hoán vị đều
dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có độ che lấp tốt mà chỉ có một tập con
là phù hợp để sử dụng xóa trộn tiếng nói.
Một sắp xếp lại thứ i,
n
qqq ,,,
21
của n phần tử
n
ppp , ,,
21
,
trong tổng số n! cách sắp xếp, được gọi là một hoán vị bậc
n
. Ký hiệu:









n
n
i
qqq

ppp
p
,,,
,,,
21
21
(2.1)
Ma trận hoán vị, P
i
của hoán vị
i
p này là ma trận vuông (nxn) mà mỗi
cột của nó có một giá trị bằng 1, các giá trị khác bằng 0 thỏa mãn:


), ,,( ,,,
2121 nn
qqqppp 
i
P (2.2)
và:


-1
i
P), ,,( ,,,
2121 nn
qqqppp  (2.3)
với P
i

-1
là ma trận nghịch đảo của ma trận P
i
.
Để S biểu diễn tập những khóa hoán vị và S
-1
là tập những khóa
đảo hoán vị. Về lý thuyết S nên thỏa mãn hai điều kiện sau:
 Tất cả những khóa trong S phải tạo ra những tiếng nói không
hiểu được.
 Đối với mỗi khóa, P
i
, trong S tồn tại 1 và chỉ 1 P
-1
i
, trong S
-1
mà
P
-1
có thể sử dụng để giải mã tiếng nói đã được mã hóa bởi P. Sử dụng
những khóa khác phải tạo ra tiếng nói không hiểu được.
Để I biểu diễn ma trận với tất cả những phần tử của nó nằm ở
những vị trí ban đầu. Tính khó hiểu được tạo ra bởi ma trận, P
i
, có thể


8

liên quan đến tham số, D(P
i
,I) đo khoảng cách từ P
i
tới I. Yêu cầu đầu
tiên có thể chuyển đổi thành:


thi
DIPD , (2.4)
D
th
là một giá trị ngưỡng được lựa chọn cho giới hạn khó nghe của tín
hiệu mã tới một mức chấp nhận được.
Đòi hỏi thứ hai yêu cầu hai vấn đề:
1) Ánh xạ hoán vị phải là 1-1, nghĩa là:
NiiiPP , ,2,1,))((
1


(2.5)
N là chiều dài khung hoán vị.
2) Sự so sánh giữa hai khóa. Khoảng cách giữa bất kỳ một cặp
khóa ít nhất là ngưỡng, được hiểu là:


jiDPPD
thji
, (2.6)
Rất khó khăn để thiết lập thuật toán xây dựng lý thuyết tập S từ N! hoán

vị. Thay thế nó, những nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều những tham số
khác nhau để có thể thu được giải tích của một xấp xỉ ảnh hưởng tạo ra
bởi tham số D lý tưởng.
Hai tham số được dùng để đánh giá hoán vị MDP(Mean
Permution Distance) và OD (Order of Displacement). Với mọi hoán vị
bậc
n
, ký hiệu
i
d là vị trí mới của phần tử thứ
i
trong sắp xếp ban đầu.
Bậc thay thế -OD được định nghĩa:
i
ni
dipOD 
1
min)(
(2.8)
Khoảng cách hoán vị trung bình MDP của hoán vị p được định nghĩa:



n
i
i
di
n
pMDP
1

1
)( (2.9)
2.2.1. Thước đo MDP trong hoán vị.
a) MDP lớn nhất.
Định lý 1: MDP lớn nhất trong tất cả các hoán vị bậc n được
tính:


9











mmn
n
n
mmn
n
MDP
1;12
2
1
2

1;2
2
max
(2.10)
b) MDP trung bình của tất cả các hoán vị
Định lý 3 . MDP trung bình của tất cả các hoán vị bậc n là:


n
n
MDP
av
3
1
2

 (2.16)
2.1.2. Thước đo OD trong hoán vị
a) Không gian khóa của hoán vị tuyệt đối
Định lý 4. Không gian khóa của hoán vị n phần tử mà mỗi hoán
vị đều là hoán vị tuyệt đối là:

















!
1

!2
1
!1
1
!0
1
!
!
1
!
0
n
n
r
nD
n
n
r
r
n

(2.23)
và công thức truy hồi tính D
n
là



21
)1(


nnn
DDnD (2.24)
với 1;0
21
 DD .
b) Giá trị OD lớn nhất
Định lý 5: Giá trị lớn nhất của bậc thay thế OD của hoán vị của n
phần tử là:






mnn
mnn
OD
122/)1(
22/

max
(2.33)
2.2. Lược đồ Raymond.
2.2.1. Ánh xạ một hoán vị tới một chỉ số
2.2.2. Ánh xạ một một số nguyên tới hoán vị
2.2.3. Lược đồ hoán vị Raymond


10

Mục tiêu: Tạo hoán vị có tất cả các phần tử di chuyển khỏi vị trí
ban đầu của nó.
Giải pháp: Tạo bộ số bộ thừa số ], ,,[c
132
g ggg
ccc
nn 
 ,
11;0  njjc
g
j
từ số nguyên
g
, 0 ≤ g≤ (n-1)!:
gggg
n
cccncng
n 123
!1!2 )!3()!2(
2




(2.46)
Ánh xạ sang số nguyên f, 0≤ f≤ n! theo:
0!.1!2!3 )!2()!1(
1232


gggg
cccncnf
nn
(2.47)
thỏa mãn !0 nf  và 11,0  njjc
j
bộ thừa số ]0,, ,,[c
132
g ggg
ccc
nn 
 là
duy nhất với số nguyên f đáp ứng các điều kiện của thuật toán D. Đặt
0;3;
2
2


dvànicd
i
g

i
(2.48)
Phương trình (2.47) trở thành:
!1.!2 )!1()!1.(
231
ddndndf
nn


(2.49)
Áp dụng vào thuật toán P.
Thuật toán D (Lược đồ xáo trộn Raymond) : Cho trước một số
nguyên g, 0≤g≤(n-1)!, một hoán vị của n phần tử (U
1
,U
2
,…,U
n
) được tạo
ra mà tất cả phần tử trong (U
1
,U
2
,…,U
n
) thay đổi vị trí so với vị trí ban
đầu của nó và chỉ có một hoán vị duy nhất với 1 số nguyên g.
1. Khởi tạo (U
1
,U

2
,…,U
n
) theo thứ tự tăng dần.
2. với i=2 tới n
a. Đặt )1(mod  igd
i
1
i
dm ;
 
igg / ;
b. Đổi chỗ U
m
và U
i
Lược đồ hoán vị Raymond có bậc thay thế, OD nhỏ nhất bằng 1
và chưa đặt vấn đề khoảng cách hoán vị trung bình, MPD. Không gian
khóa, K
Raymond
cỡ (n-1)!:
)!1(  nK
Raymond
(2.50)
với n là độ dài khung hoán vị.
2.3. Lược đồ đề xuất
2.3.1. Lược đồ


11

Lược đồ đề xuất: Lược đồ xáo trộn thực hiện với khung xáo
trộn có độ dài N. Bộ tạo số ngẫu nhiên trên cơ sở thanh ghi dịch tuyến
tính phản hồi (LFSR Linear Feedback Shift Register ) với mầm khởi tạo
cho bộ tạo số giả ngẫu nhiên S
0

Bước 1: Khởi tạo bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S
0
.
Bước 2: Với khung thứ j, j=1,…, mẫu ban đầu (I
1
,I
2
,…I
N
).
với i=2,…N
2A. R
ịj
=một số ngẫu nhiên 8 bit từ bộ tạo số giả ngẫu nhiên;
2B. k= R
ij
mod (i-1) +1.
2C. Đổi vị trí giữa I
i
và I
k

Lược đồ được thực hiện trên cơ sở ứng dụng bộ tạo số ngẫu

nhiên LFSR rõ ràng có lợi thế hơn lược đồ của Raymond do không phải
tính toán và lưu trữ số nguyên lớn cỡ (N-1)! mà chỉ cần bộ tạo số ngẫu
nhiên và lưu khởi tạo S
0
, là mầm khóa cho mỗi cuộc liên lạc, được gọi là
khóa phiên. Đồng thời với mỗi mầm khóa S
0
, thì mỗi khung tiếng nói
ban đầu được sử dụng một khóa khác nhau tùy thuộc vào chu kỳ của bộ
tạo giả ngẫu nhiên, trong khi với mỗi khóa là số nguyên lớn cho trước,
trong lược đồ Raymond, các khung tiếng nói rõ đều mã hóa với một
khóa.
2.3.2. Các thuộc tính của lược đồ đề xuất
Định lý 6. Lược đồ đề xuất là lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất
cả các phần tử được dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó.
Chứng minh:
Không làm mất tính tổng quát, giả thiết rằng mẫu ban đầu
(I
1
,I
2
,…,I
N
) là các số nguyên có giá trị từ 1 đến N nghĩa là I
1
=1, I
2
=2, ,
I
N

=N.
Từ bước 2B của lược đồ đề xuất ta có:
ik


0
(2.51)
Bước 2C của lược đồ đề xuất được viết:


12

tmp=I
i
; (2C1)
I
i
=I
k
; (2C2)
I
k
=tmp (2C3)
Do điều kiện
ik


0
và giả thiết ban đầu I
i

=i, nên tại bước
2C2 ta luôn có I
k
<I
i
hay I
k
<i.
Giả thiết rằng sau khi hoán vị mẫu ban đầu (I
1
,I
2
,…,I
N
) ta thu
được mẫu hoán vị (U
1
,U
2
,…,U
N
) có một phần tử thứ c không di chuyển
khỏi vị trí ban đầu của nó, nghĩa là:
cU
c
 (2.52)
Khi đó, tại bước 2C2, I
c
=c ( tại thời điểm i=c) hay tại thời điểm i=c thì
I

k
=i, dẫn đến k=i; điều này trái với điều kiện
ik


0
. Do vậy, Lược đồ
đề xuất là lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất cả các mẫu ban đầu được
dịch chuyển khỏi vị trí vị trí của nó. Định lý được chứng minh.
Định lý 7. Lược đồ đề xuất có không gian khóa hay tổng số hoán
vị có thể có là:
)!1(  nK
DX

Chứng minh
Hoán vị tạo ra của lược đồ đề xuất được quyết định bởi các giá
trị k
i
, tương ứng được tạo ra với i =2,…,n, tại bước 2B. Không gian khóa
hay tổng số hoán vị có thể chính là tổng số hoán vị mà tập k
i
có thể tạo
ra. Tập k
i
có thể nhận các giá trị như sau:
Tại vòng thứ nhất: k
2
=1;
Tại vòng thứ hai: k
3

=1,2;
…
Tại vòng thứ n-1: k
n-1
=1,2, , n-2;
Tại vòng thứ n: k
n
=1,2, , n-1;
Do vậy, có (n-1)! cách sắp xếp để tạo thành bộ (k
2
,k
3
,…,k
n-1
).
Định lý được chứng minh.


13

Định lý 8. Giá trị MDP trung bình của lược đồ đề xuất là (n+1)/3.
Chứng minh.
Tương tự định lý 3, tổng số hoán vị mà lược đồ đề xuất tạo ra là
K
DX
=(n-1)!, nếu
i
p là phần tử thứ i của một hoán vị,
i
p =1,2,…i-

1,i+1,…n, mỗi giá trị này xảy ra K
DX
/(n-1) lần trong toàn bộ tổng số
hoán vị có thể và mỗi lần xảy ra thì tổng khoảng cách của nó tới các vị
trí khác là:
3
1
3
)1(
)1(
)(
2







n
D
nn
nn
D
pMDP
DX
DX
P

tổng số hoán vị mà lược đồ đề xuất tạo ra là K

DX
=(n-1)! Do vậy giá trị
trung bình của MDP lược đồ đề xuất là (n+1)/3. Định lý được chứng
minh.
2.3.3 Kết quả thực hiện
Kết quả tính toán trên Matlab 6.0 lược đồ đề xuất, lược đồ
Raymond với OD nhỏ nhất, OD trung bình và MPD trung bình với các
giá trị khác nhau của chiều dài khung hoán vị, n thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng.2.1. Các giá trị thước đo lược đồ Raymond và lược đồ đề xuất.
Lược đồ Raymond Lược đồ đề xuất n
OD
nhỏ
nhất
OD
trung
bình
MPD
trung
bình
OD
nhỏ
nhất
OD
trung
bình
MPD
trung
bình
16 1 1.124 5.8883 1 1.158 5.6628
32 1 1.128 10.892 1 1.155 11.078

48 1 1.141 15.691 1 1.166 16.619
64 1 1.144 20.738 1 1.261 22.04
80 1 1.145 25.483 1 1.152 27.507
96 1 1.165 30.405 1 n 32.951
112 1 1.17 35.467 1 1.176 38.758
128 1 1.178 40.312 1 1.175 44.032
144 1 1.197 44.992 1 1.186 49.769
160 1 1.193 49.906 1 1.18 55.745


14

Bảng.2.2. So sánh lược đồ đề xuất và Raymond
TT

Tham số
Lư
ợc đồ Raymond
Lư
ợc đồ đề xuất
1 Lưu trữ Số nguyên lớn cỡ (n-
1)!
Mầm khóa S
0
c
ỡ
300bit
2 Tính toán Phép tính số nguy
ên
lớn (n-1)!

Phép mod số nguy
ên
<n
3 Mã hóa m
ỗi khung
1 khóa
Khó khăn Thuận lợi
4 Không gian khóa K
Raymond
K
Raymond

5 Giá trị thước đo Tương đương nhau Tương đương nhau
Kết luận chương 2.
Các kết quả cụ thể chương này bao gồm:
(1). Nghiên cứu tổng thể về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự.
Tạo khóa cho mã thoại tương tự thực chất là tạo hoán vị xáo trộn. Do
không phải tất cả các hoán vị đều dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có
mức nghe hiểu còn lại chấp nhận được nên cần thiết phải có những
tham số và ngưỡng để đánh giá hoán vị được lựa chọn. Hai tham số
được sử dụng đánh giá hoán vị là khoảng cách hoán vị trung bình và
bậc thay thế. Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond
(2). Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond. Lược đồ Raymond có nhiều
lợi thế khi cho không gian khóa lớn cỡ (N-1)! và các phần tử sau khi
xáo trộn rời khỏi vị trí ban đầu của nó. Tuy nhiên lược đồ này cần
phải lưu trữ và tính toán số nguyên lớn cỡ (N-1)! với N là độ dài
khung hoán vị, nên gặp nhiều khó khăn trong thực tế
(3). Đề xuất lược đồ cải tiến lược đồ Ray mond. Các kết quả thực hiện
cho thấy lược đồ đề xuất có các thước đo tương đương lược đồ Ray
mond và thuận lợi trong thực tế khi không cần lưu trữ và tính toán số

nguyên lớn cỡ (n-1)!, đồng thời cho phép mã hóa mỗi khung tiếng
nói 1 khóa.
Nội dung của chương này liên quan đến các bài báo số [4] [5] (Danh
mục các công trình khoa học đã công bố của tác giả).


15

CHƯƠNG 3
MỘT GIẢI PHÁP BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI BIẾN
ĐỔI MIỀN
3.1. Đặt vấn đề
Những phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có
những đặc điểm:
 Băng thông tiếng nói rõ /mã: 300Hz-3400Hz.
 Tần số lấy mẫu
s
f <=8000Hz, 8 bit.
 Biến đổi F có biến đổi nghịch đảo F
-1
và xxFF 

))((
1
.
 Biến đổi F có biến đổi nhanh đáp ứng nhu cầu thời gian thực.
 Được xử lý theo khung N mẫu với N =256 hoặc N=512.
 Hoàn vị P và P
-1
đảm bảo 12/, ,1,0))((

1


NiiiPP .
 Kích thước khung đầu vào bằng kích thước khung đầu ra.
 Những biến đổi F đang sử dụng như DFT, DCT, FTH, thực chất là
biến đổi tín hiệu thoại sang miền tần số khối theo khối do vậy tiếng
nói đầu ra mang tính nhân tạo của xử lý khối.
 Hiện tại biến đổi F được áp dụng trực tiếp vào tín hiệu thoại.
 Xử lý đầu ra tín hiệu mã với F
-1
.
Từ những đánh giá trên, luận án đề xuất sử dụng biến đổi chồng
lấp MDCT, kết hợp ITU-G.726 và QAM-256 làm biến đổi đầu vào; Sử
dụng tính đối xứng của IFFT làm biến đổi đầu ra.
3.2. Ứng dụng biến đổi MDCT.
Khối xử lý đầu vào có những yêu cầu:
1. Có biến đổi ngược xxFF 

))((
1
đáp ứng yêu cầu giải mã.
2. Có thuật toán biến đổi nhanh đáp ứng tính thời gian thực.
3. Chuỗi sau khi biến đổi có độ dài không vượt quá khung
tiếng nói ban đầu. Đảm bảo tín hiệu không bị mất.
3.2.1. Biến đổi MDCT.
Biến đổi thuận:


16












12
0
)
2
1
)(
2
1
(cos)()(
2
)(
M
n
ii
M
nk
M
nynh

M
kX

(3.3)
với
i
là chỉ số khối, k=0, 1, , M-1.
Biến đổi ngược:











1
0
)
2
1
)(
2
1
(cos)(
2
)(

ˆ
M
k
ii
M
nk
M
kX
M
ny

(3.4)
với
i
là chỉ số khối, n=0, 1, , 2M-1,và toán tử cộng chồng lấp:


)(
ˆ
)()(
ˆ
)(
ˆ
1
nynhMnyMnhnx
iii


(3.5)
với

i
là chỉ số khối, n=0,1, ,M-1. Cửa sổ hình sin
12, ,0,
22
1
sin)( 


















 Mn
M
nnh

(3.8)
3.2.2. Đặc tính tái tạo hoàn thiện của MDCT

Biến đổi MDCT với cửa sổ hình sin có đặc tính tái tạo hoàn
thiện và lọai bỏ biệt danh miền thời gian.
3.2.3. Thuật toán tính toán nhanh MDCT.
Để tính toán MDCT theo công thức (3.3) độ phức tạp tính toán
là O(M
2
). Thuật toán MDCT4 tính toán nhanh trên cơ sở tính toán nhanh
DFT đưa độ phức tạp tính toán về O(M/2 log(M/2)).
3.3. Ứng dụng G.726 và ánh xạ QAM.
3.3.1. ITU-T G.726.
Thực hiện lập mã tiếng nói trên cơ sở điều chế xung mã sai phân
thích nghi với dự báo và lượng tử hóa thích nghi. Sử dụng thuật toán
LMS và lượng tử hóa thích nghi phản hồi. Sự thích nghi của dự báo và
lượng tử hóa được thực hiện truy hồi. Chuẩn ITU-T G.726 có thể lập mã
tiếng nói với các tốc độ 40kbps, 32kbps, 24kbps và 16kbps.
3.3.2. Ánh xạ QAM.
Ánh xạ một số nguyên trong khoảng [0,M-1] thành số phức
(I
i
,Q
i
). Giá trị nhỏ nhất của (I
i
,Q
i
) là (1,1) và là một thành phần của ma
trận vuông LxL.


17

với : , 3,2,1,4,  nMML
n

3.4. Đề xuất xử lý đầu ra
3.4.1. Yêu cầu của bộ xử lý tín hiệu đầu ra
Để đảm bảo đầu thu nhận tín hiệu mã, sau khi giải mã thu được tiếng nói
nghe hiểu bộ xử lý này phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
1. Đầu ra phải là tín hiệu thực, hay các thành phần ảo bằng không.
2. Biến đổi đầu ra là trực giao.
3. Tín hiệu đầu ra có băng tần tiếng nói 300-3400Hz.
4. Kích thước khung đầu ra không vượt quá khung đầu vào.
5. Thuật toán biến đổi này có phép biến đổi nhanh.
Với biến đổi IFFT, khung độ dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy
mẫu 8000Hz, thỏa mãn các yêu cầu trên.
3.4.2. Bộ xử lý đầu ra đề xuất
Với khung có chiều dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy mẫu
8000Hz, lựa chọn tần số thấp nhất
s
.
Thủ tục xử lý tín hiệu đầu ra: XLDR
Bước 1. Điền khung
vs
chiều dài NFFT=256 toàn ‘0’;
Bước 2. Chèn khung
v

, độ dài NP vào
vs
từ vị trí
s
đến
1 NPs .
Bước 3. Thêm vào phần đối xứng:
12/, 2,1)(()(  NFFTiivsconjiNFFTvs (3.50)
Bước 4.Tính tín hiệu ra thông qua IFFT:
)256,(vsIFFTy  (3.51)
3.5. Bộ mã hóa đề xuất 1
3.5.1. Nguyên lý.
 























)1,1( )1,3(),1,1(
)3,1( ,3,3()3,1(
)1,1( )1,3(1,1
,
LLLLLL
LLLLLL
LLLLLL
QI
ii


18

Bộ mã hóa tín hiệu thoại tương tự đề xuất với mục tiêu áp dụng
trong bảo mật cấp chiến thuật chỉ bảo mật bán song công có sơ đồ khối
chi tiết theo như hình 3.3 và tham số như Bảng 3.1.





Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ mã hóa xáo trộn tiếng nói giải pháp 1
Bảng.3.1. Tham số của bộ mã hóa đề xuất 1
TT Tham số Khoảng giá tri
1 Cấp bảo mật Chiến thuật

2 Loại truyền thông Bán song công
3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz
4 Độ rộng băng thông tín hiệu tiếng nói đầu vào 2,9kHz:300-
3200Hz
5 Tần số lấy mẫu đầu vào 6500Hz
6 Độ dài khung tín hiệu tiếng nói đầu vào (xử lý
tín hiệu MDCT)
2x208
7 Độ dài khung FFT (đầu ra kênh truyền) 256
8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào tiếng nói đã mã 8000
9 Số thành phần tần số xáo trộn 104
3.5.2. Thủ tục mã hóa giải mã
Tín hiệu tiếng nói đầu vào )(tx
a
được số hóa thành PCM 8 bit,
sin
f Hz, được chia thành các khung con với chiều dài 2*M, mỗi lần xử lý
1 khung với độ chồng lấp 50% thời gian mỗi khung mst
Fin
32 . Mỗi lần
xử lý biến đổi MDCT cho ta chuỗi phức
u
có độ dài M/2 hay M hệ số
biến đổi MDCT. Chuỗi phức này được hoán vị thủ tục tạo hóa HV tạo
hoán vị thành chuỗi phức
v
. Chuỗi
v
này qua thủ tục XLDR tạo thành
chuỗi y qua DA truyền lên kênh.

19

3.6. Bộ mã hóa đề xuất 2
Bộ mã hóa tín hiệu thoại đề xuất có sơ đồ khối chi tiết theo sơ đồ
khối hình 3.4 và tham số ở bảng 3.2.





Hình 3.4. Sơ đồ khối bộ mã hóa đề xuất 2
Bảng 3.2. Tham số của bộ mã hóa xáo trộn đề xuất 2
TT Tham số Khoảng giá tri
1 Cấp bảo mật Chiến thuật
2 Loại truyền thông Bán song công
3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz
4 Độ rộng băng thông của tiếng nói đầu vào 300-3400Hz
5 Tần số lấy mẫu đầu vào 8000Hz
6 Tham số QAM 256
7 Độ dài khung FFT 256
8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào 8000
9 Số thành phần xáo trộn 96
3.7. Kết quả thực hiện và thảo luận.
Mô phỏng thực hiện trên Matlab 6.0 với mô hình như hình 3.5.

Hình3.5. Mô hình thực hiện đánh giá


20

3.6.1. Độ mật
Khóa mã hóa tạo ra trong thủ tục đề xuất với số phần tử hoán vị
n đạt không gian khóa cỡ (n-1)! với bộ mã hóa đề xuất 1 không gian
khóa là 103! với bộ mã hóa đề xuất thứ 2 đạt cỡ 95!. Đây là không gian
khóa đủ lớn.
Vị trí của mẫu tiếng nói trong khung hoán vị được quyết định
bởi đầu ra bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR có tính phân bố đều, xét duyệt
toàn bộ những giá trị của bộ tạo số ngẫu nhiên này là không thể, do vậy
độ phức tạp phân tích mã lớn.
Mỗi khung tiếng nói được mã hóa với một khóa hoán vị khác
nhau, dẫn đến tránh hiện tượng trùng khóa, nâng cao độ mật.
3.6.2. Độ che lấp.
Hình 3.7, 3.8 là tần số của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa và
ảnh phổ của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa, giải mã giải pháp 1. Phổ
tín hiệu mã hoàn toàn khác so với tín hiệu đầu vào hay cấu trúc của tiếng
nói đã bị phá vỡ.

Hình 3.7. Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã đề xuất 1


-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
500
1000
1500
Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu
Thêi gian f[Hz]
§é lín
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
20
40
60
80
100
120
Phæ biªn ®é tiÕng nãi m·
Thêi gian f[Hz]
§é lín


21

Hình 3.8. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa và giải mã giải pháp 1.








Hình 3.10.Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã giải pháp 2










Hình 3.11. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa , giải mã theo giải pháp 2
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000

0
500
1000
1500
2000
Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu
Thêi gian f[Hz]
§é lín
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
200
400
600
800
Phæ biªn ®é tiÕng nãi m·
Thêi gian f[Hz]
§é lín


22

Tính toán các thước đo cảm quan đối với tiếng nói đã mã và
tiếng nói khôi phục lại sau khi giải mã được thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Thước đo cảm quan tiếng nói mã và giải mã.
MDCT G.726
QAM
FFT DCT TT
M T M T M T M T
LogSpectralDistance
8.9 0.14 12.8 0.42

LPCDistance
2.4 0.1 2.6 0.36

2.56 0.25

3.1 0.3

CepDistance
4.7 -74 5.75 -0.5 4.28 -2.8 4.6 -
17
Segmental SSNN
0.02

30 0.05 33 -1.8 31 -37 29
(M: tiếng nói mã, T: tiếng nói tái tạo)
Từ những kết quả trên cho thấy độ che lấp tiếng nói tốt.
3.6.3. Khả năng chống nhiễu và chất lượng tiếng nói
Sau khi giải mã chất lượng tiếng nói tốt, nghe hiểu được nội dung, nhận
dạng được người nói. Với giải pháp 1, cho khả năng che giấu lỗi của
lược đồ mã hóa đề xuất, cho độ lợi chống nhiễu cỡ 1dB
3.6.4. Tính thời gian thực
Với giải pháp 1, độ phức tạp tính toán:
O(M/2 log(M/2))+ NP( phép gán+ mod+ Đổi vị trí). + O(N
log(N)). Với độ phức tạp này hoàn toàn có thể thực hiện trong hệ thống
thời gian thực. Độ dài khung mã hóa 32ms, với hai khung chồng lấp độ
trễ của bộ mã hóa đề xuất 1 cỡ 64ms+ thời gian tính toán
Kết quả thực hiện bộ mã hóa đề xuất 1 với Kit DSK5416, trên
mô hình mã hóa, giải mã tại chỗ cho thấy tiếng nói sau khi giải mã đáp

ứng được tính thời gian thực.
Kết luận chương 3
Trong chương 3 đã thực hiện các vấn đề:


23

1.Luận án đề xuất ứng dụng biến đổi MDCT làm biến đổi đầu
vào cho mã hóa thoại tương tự cấp chiến thuật. Với lợi thế của biến đổi
MDCT, chất lượng tiếng nói cảm quan được cải thiện đáng kể, tăng khả
năng che dấu lỗi đạt cỡ 1dB. Đồng thời, với thuật toán tính nhanh trên cơ
sở FFT, đáp ứng được tính thời gian thực.
2. Bộ mã thoại tương tự biến đổi miền xử lý trực tiếp trên tín
hiệu thoại số đầu vào, chưa tận dụng đặc tính giảm độ dư thừa ngôn ngữ
của các thuật toán nén tiếng nói. Do vậy, luận án sử dụng chuẩn nén
ITU-T G.726 kết hợp ánh xạ QAM cho xử lý tín hiệu đầu vào, cho tiếng
nói đã mã có độ che lấp tốt hầu như loại bỏ hoàn toàn độ rõ còn lại.
3. Biến đổi đầu ra đã mã hóa thường được sử dụng là biến đổi
nghịch đảo của biến đổi đầu vào. Luận án đề xuất sử dụng biến đổi IFFT
trong xử lý tín hiệu đã mã để chủ động trong việc điều khiển băng thông,
nhằm đảm bảo tín hiệu đã mã hóa không vượt quá băng thông tín hiệu
thoại, giúp định dạng tín hiệu đã mã hóa phá vỡ cầu trúc tiếng nói
4. Kết quả thực hiện hai bộ mã hóa do luận án đề xuất với lược
đồ mã hóa đề xuất chương 2 cho độ che lấp tốt, không gian khóa lớn,
chất lượng tiếng nói tái tạo đầu ra đảm bảo hoàn toàn đạt được yêu cầu
bảo mật tín hiệu thoại. Bộ mã hóa 1 mà luận án đề xuất có độ phức tạp
tính toán thấp đảm bảo bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực.

KẾT LUẬN
Luận án đạt được những kết quả:

Nghiên cứu tổng quan về bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại, phân
tích đặc trưng của tiếng nói cho thấy bảo mật tín hiệu thoại ngoài việc
đáp ứng độ mật, còn phải đáp ứng yêu cầu về độ che lấp tiếng nói, độ rõ
còn lại, tính thời gian thực và yêu cầu về băng thông.
Nghiên cứu về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự, nhiều
khóa hoán vị cho tiếng nói đã mã có độ che lấp thấp, do vậy cần có
những tham số và ngưỡng lựa chọn để đánh giá khóa tạo ra. Với thước
đo và ngưỡng được lựa chọn này, cần có những đánh giá lại về không
gian khóa có thể tạo ra. Hai thước đo được lựa chọn sử dụng là bậc thay
thế và khoảng cách hoán vị trung bình.