一种基于GSM的低码率语音信息隐秘传输方法

1 引言
随着数字技术、网络及无线通信的发展，人们之间的信息交换越来越方便和快捷，但随之而来的信息安全问题越来越重要。信息隐藏，机密信息的隐秘传输方法的研究成为信息安全研究领域的重要课题之一。
通常可在多媒体信息中，提取对人眼或人耳不敏感的比特，组成可修改矢量，将数据隐藏在人眼(耳)不易觉察的部位。2002年，Yu―Chee Tseng等人给出了一种最多只修改2比特，就可在长为n比特可修改宿主数据流中嵌入[log2(n+1)]比特数据的方法。
2003年，F．Galand指出了最多只修改1比特，就可在n比特可修改数据中嵌入[log2(n+1)]比特数据，但没有给出具体的方法。2004年，田源等给出了一种最多只修改1比特，就可在n比特可修改数据中嵌入[log2(n+1)]比特数据的简便快速方法。但这些方法，每嵌入m比特数据，需(2m一1)比特宿主可修改数据，数据嵌入率不够高，常不能满足流媒体信息隐藏的要求。
国内陈亮等人给出了一种基于语音参数模型的语音隐藏算法。该方法主要通过修改对应的DFT系数来隐藏保密语音信息，但该方法在信息提取时需要宿主原始语音信息。
奇偶调制法是一种数据嵌入率较高的方法，可在n比特宿主可修改信息中嵌入n比特数据，但该方法最多要修改n比特宿主数据。
本文描述了一种可将一路低码率2．4kb／s混合激励线性预测(MELP)编码语音信息，隐藏在另一路13kb／s的GSM编码语音中，通过公共信道隐秘传输的方法。文中给出了一种新的数据嵌入方法，该方法以一个单位增广矩阵为基础，可在(2L+1)比特可修改信息中嵌入2L比特数据信息，而最多只需修改￡比特宿主信息，有较高的数据嵌入率，算法计算复杂度较低，较易于硬件实现，且对宿主信息的影响也较少。
该方法已经在计算机局域网，及微型计算机上进行了模拟，获得了较好的结果，可用于机密信息的隐秘传输。

2 系统概述
首先从GSM编码的数字语音信息，提取对人耳不很敏感的比特，组成宿主可修改矢量，当其部分或全部改变时，人耳很难觉察。图1给出了该系统信息处理的主要框图。

为了保证隐秘传输低码率语音信息的安全性，可先对低码率语音信息加密，然后用密钥2、宿主可修改矢量及需隐秘传输的低码率语音信息，计算出GSM语音编码需修改(取反)比特的位置信息。
依据求得的须修改的位置信息，将GSM编码的宿主语音信息中相对应的比特取反，即可获得藏有另一路低码率语音信息的GSM语音编码，该编码送到公共信道传输。
接收端的信息处理是发送端处理的逆过程，从公共信道接收到藏有低码率语音信息的GSM编码后，用密钥2，求得隐藏在GSM编码中的低码率语音信息，经密钥l解密就可得到低码率音频信息，从而可实现一路低码率语音信息，隐藏在另一路GSM编码的语音信息中传输，嵌入前后对GSM编码的宿主语音信息的影响很难察觉。

3 GSM语音编码的码流分析
GSM语音采用RPE-LTP编码，每帧20ms语音信息由260比特组成。主要包括反射系数和4个子帧。8个反射系数共36比特，每一子帧由9比特LPT参数及47比特RPE参数组成。
欧洲电讯管理局对GSM编码语音信息每帧260比特，对人听觉影响程度进行了研究，并按对人类听觉影响程度的大小将这260比特分成6类，其中第一类对人类听觉影响最大。第六类影响最小，该类比特数据改变引起的失真，人耳很难分辨，可忽略。
表l给出了属于第一、二类及第六类的比特。表l中，LAR是对数面积比，Blockamplitude是4个子帧中每子帧块幅度，RPE pulses是子帧中的RPE脉冲。

由表l知，人耳不敏感的数位共有69比特，主要为各对数面积比的最低位，4个子帧中块幅度的最低位及RPE脉冲的最低位。
对于2_4kb／s混合激励线性预测(MELP)语音编码，每20ms有48比特语音信息，从本文给出的嵌入算法可知，只需选上述第六类比特作为宿主可修改矢量，最多修改其中的24比特，就可嵌入48比特数据。对于更低码率的语音信息，需选作为可修改矢量的比特位更少。采用该算法在第六类比特中嵌入低码率语音，低码率语音的最大码率可达3.4kb／s。

4 单位增广矩阵
n阶单位矩阵，再增加一列全“l”列矢量，作为第(n+1)列，就可以生成一个单位增广矩阵，可称为n阶二值单位增广矩阵。如果把其列矢量所对应的十进制数，称为该列矢量的值，则n阶单位增广矩阵第一列到第(n+1)列的值依次为：2n-1，2n-2…，21，20，2n一l。
4．1 4阶单位增广矩阵
式(1)为一4阶单位增广矩阵，其每一列都不相同，且列矢量的值依次为：8，4，2，1，15。

从式(1)知，4阶单位增广矩阵，对任一l至(24一1)整数的值所对应的4维二值列矢量，都可由矩阵中不超过二个列矢量，通过异或运算产生。
4．2 2L阶单位增广矩阵