用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，解决了动态调整时延以及语音帧缺失时引起的加密语音通话质量出现下降的问题。通过接收方的基站(或系统)与移动台之间的协同配合，区分出不同的异常场景，并分别有针对性的进行了补偿处理，消除了收发双方由于加解密失步导致语音解密失败的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法
本专利技术涉及通信
，具体涉及一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法。
技术介绍
PDT数字集群系统是一种新的基于TDMA技术的专用移动通信系统，12.5kHz的信道被划分为两个时隙，每个时隙具有30ms的持续时间，传输速率为9.6kbps。PDT系统中的声码器选用码率为2.4kbps的算法，其编码是基于60ms语音进行的，编码后数据长度为144bits。PDT系统间互联是采用扩展的RTP协议实现语音数据的实时传输。由于RTP协议是基于UDP传输的，为保证其实时的通话质量，需要考虑网络抖动、丢包等带来的问题。当网络发生拥塞时，排队延迟将影响端到端的时延，进而导致通过同一连接传输的RTP分组时延各不相同。网络抖动就是用来描述时延变化的程度。如果不消除RTP分组的时延差异，可能会导致实时通话出现断续的情况。通常可以采用抖动缓存区(jitterbuffers)，并配合适当的方法以消除网络的抖动。其实质是以在接收端额外增加延时为代价，消除网络侧的抖动，引入延时的大小决定了去除网络抖动的能力。因为到达的RTP数据包的时延大于规定的时延时，接收端将主动当做丢包处理，所以额外增加的时延越大，可以按时到达的RTP数据包将越多，发生主动丢包的情况越少，通话质量也越好。不过，对于PDT系统而言，端到端的语音时延越短越好，以保证通信的及时性，这要求额外增加的时延应尽可能短。因此，为了达到较好的通话质量，需要根据网络状况动态持续调整额外增加的时延。RTP标准头结构定义如图1所示；其中：a)版本号(V)：2比特，用来标志使用的RTP版本，PDT集群系统使用固定版本号2。b)填充位(P)：1比特，如果该位置位，则该RTP包的尾部就包含附加的填充字节。c)扩展位(X)：1比特，如果该位置位的话，RTP固定头部后面就跟有一个扩展头部。d)CSRC计数器(CC)：4比特，含有固定头部后面跟着的CSRC的数目。e)标记位(M)：1比特，标志的解释由具体协议规定。它用来允许在比特流中标记重要的事件，如帧边界。f)载荷类型(PT)：7比特，标识了RTP载荷的类型。g)序列号(Sequencenumber)：16比特，发送方在每发送完一个RTP包后就将该域的值增加1，接收方可以由该域检测包的丢失及恢复包序列。序列号的初始值是随机的。h)时间戳(Timestamp)：32比特，记录了该包中数据的第一个字节的采样时刻。在一次会话开始时，时间戳初始化成一个初始值。即使在没有信号发送时，时间戳的数值也要随时间而不断地增加。时间戳与序列号一起用于消除抖动和实现同步。现有的RTP抖动消除措施可以很好地应用于PDT的明文语音通信，语音质量基本不会受到太大的影响。然而，当PDT启用端到端加密时，则可能会出现问题。PDT端到端语音加密的主要思想是：语音在发送端加密，在接收端解密，从而保证语音在主被叫双方之间的设备节点中不以明文形式存在。由于流密码算法具有无误码扩散以及可进行预计算的优点，对实时性要求较高的PDT端到端语音加密采用了该类算法。流密码算法在使用过程中要求主被叫双方必须同步才能正确地实现加解密，即主被叫双方从相同的位置开始使用相同的密钥流加密或解密。如果语音在传输过程中出现丢帧或多帧的情况，可能导致主被叫双方间的密钥流出现失步的情况，导致接收方解密语音失败。在启用PDT端到端加密功能时，需要挪用语音帧中对话音质量影响不大的一些非重要比特，以携带语音帧序列号，用于密钥流的产生和同步。发送方的声码器首先将60ms明文语音编码为一个语音帧；接着，与密钥流进行异或；然后，挪用语音帧中的信息位承载12比特的语音帧序列号后，输出密文语音帧。接收方的声码器在收到密文语音帧后，首先从中提取出12比特的语音帧序列号；然后，与密钥流进行异或，解密后还原为明文语音。移动台与安全模块的交互如图2所示。端到端语音加密同步机制如图3所示。在PDT端到端语音加密方案中，发送方与接收方的端到端语音加密同步流程具体为：发送方流程：1)根据密钥索引(KI)、组呼/单呼标识(G/I)、TMSI和SMSI确定通信使用的密钥TEK；2)语音呼叫开始时，由随机数发生器产生新的初始向量(IV)；3)计算端到端加密控制帧密码校验和CCSUM；4)构造端到端加密控制帧并发送；5)利用密钥衍生算法，产生密钥CK；6)由语音帧计数器产生语音帧序列号(FN)，每加密一帧语音，计数器自动递增；7)利用密钥流生成算法，计算密钥流KS；8)KS与一帧明文语音数据进行异或后得到密文语音数据；9)在密文语音数据中挪用信息位承载FN，组成密文语音帧后发送。接收方流程：1)从GRANT/Grp_V_ch_Usr/UU_V_Ch_Usr等信令获得G/I、TMSI、SMSI等信息；2)从收到的端到端加密控制帧提取KI；3)根据KI、G/I、TMSI和SMSI确定通信使用的TEK；4)验证CCSUM的正确性后，提取IV；5)利用密钥衍生算法，产生密钥CK；6)从密文语音帧中提取FN；7)利用密钥流生成算法，计算密钥流KS；8)KS与对应的密文语音异或得到明文语音。图4描述了端到端加密的组呼流程，其中MS1——发起端到端加密语音呼叫的移动台，MS2——通话过程中迟后进入呼叫的移动台，GROUP——通话开始前就已经在网的通话组成员。现有的端到端语音加密技术在以下两种情况，可能导致通话质量出现下降：(1)在接收方基站侧，一帧加密语音帧出现了丢包情况时，由于基站空口下行数据必须连续发送，将补发一帧明文的静音帧，以替换缺失的密文语音帧。(2)在接收方基站侧，语音通信持续过程中，如果网络抖动时延超过了一定的时间，系统会把相应的语音帧当做丢包处理。为缓解此类原因导致的连续多帧语音丢包的问题，系统将根据网络抖动时延变化，临时性加大接收时延。为保证基站空口下行数据连续发送，将补发一帧或多帧明文的静音帧，以填补加大延时后带来的数据空窗期。在上述两种情况下，无线接收终端会将接收到的数据当成密文语音，解密后将得到一帧随机的语音数据，播放出来后将成为一帧爆音(声音较大的噪音)。这会极大地降低语音通话质量。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，解决动态调整时延以及语音帧缺失时引起的加密语音通话质量出现下降的问题，让接收方MS可以区分空口传输的语音是出现了丢帧还是增加了额外的语音帧，以便根据不同的情况进行相应的补偿处理，以达到改善加密语音通话质量的目的。一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，包括如下步骤：步骤S1、发送方MS发起语音通话，发送方TS向接收方TS发送RTP包；接收方TS接收到来自发送方TS的RTP包，先按发送方TS产生的顺序对RTP包进行排序，然后丢弃重复包和迟后到达的过期RTP包，最后将排序后的RTP包放入接收缓存队列；步骤S2、接收方TS按空口的语音帧发送时间间隔定时从接收缓存队列取走指定的RTP包，如果获取成功，则直接发送RTP包中的语音帧；如果获取失败，确定是否需要引入额外的时延，若需要，则空口发送明文附加帧并继续等待本次欲获取的RTP包，若不需要，则空口发送明文静音帧并跳过本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、发送方MS发起语音通话，发送方TS向接收方TS发送RTP包；接收方TS接收到来自发送方TS的RTP包，先按发送方TS产生的顺序对RTP包进行排序，然后丢弃重复包和迟后到达的过期RTP包，最后将排序后的RTP包放入接收缓存队列；步骤S2、接收方TS按空口的语音帧发送时间间隔定时从接收缓存队列取走指定的RTP包，如果获取成功，则直接发送RTP包中的语音帧；如果获取失败，确定是否需要引入额外的时延，若需要，则空口发送明文附加帧并继续等待本次欲获取的RTP包，若不需要，则空口发送明文静音帧并跳过本次欲获取的RTP包；步骤S3、接收方MS定时接收从接收方TS发送的语音帧，根据获得的语音帧的类型进行如下处理：如为密文语音帧则直接解密并播放，如为明文附加帧则播放舒适背景噪声或者静音，如为无效语音帧或明文静音帧，则播放舒适背景噪声或者静音并跳过一帧解密密钥流。

【技术特征摘要】
1.一种用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、发送方MS发起语音通话，发送方TS向接收方TS发送RTP包；接收方TS接收到来自发送方TS的RTP包，先按发送方TS产生的顺序对RTP包进行排序，然后丢弃重复包和迟后到达的过期RTP包，最后将排序后的RTP包放入接收缓存队列；步骤S2、接收方TS按空口的语音帧发送时间间隔定时从接收缓存队列取走指定的RTP包，如果获取成功，则直接发送RTP包中的语音帧；如果获取失败，确定是否需要引入额外的时延，若需要，则空口发送明文附加帧并继续等待本次欲获取的RTP包，若不需要，则空口发送明文静音帧并跳过本次欲获取的RTP包；步骤S3、接收方MS定时接收从接收方TS发送的语音帧，根据获得的语音帧的类型进行如下处理：如为密文语音帧则直接解密并播放，如为明文附加帧则播放舒适背景噪声或者静音，如为无效语音帧或明文静音帧，则播放舒适背景噪声或者静音并跳过一帧解密密钥流。2.根据权利要求1所述的用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：S1.1、接收方TS设置一个空的接收缓存队列以及丢包队列，将接收到的第一个RTP包放入接收缓存队列，包括对应的序列号，并保存第一个RTP包的序列号以及时间戳；设置SNNext＝第一个RTP包的序列号，然后并行启动步骤S2；S1.2、接收方TS接收下一个RTP包，根据本次接收的RTP包中的序列号和时间戳以及上一个RTP包的序列号以及时间戳，计算扩展序列号，判断本次接收的RTP包的扩展序列号是否小于SNNext，如果是，即本次接收的RTP包已经过期，此时执行步骤S1.3，否则跳到步骤S1.5；S1.3、判断本次接收的RTP包对应的扩展序列号是否出现在丢包队列中，如果是，则计算该包的过期时延，并记录到丢包队列中；S1.4、丢弃本次接收的过期的RTP包，跳到步骤S1.6；S1.5、根据本次接收的RTP包的扩展序列号，剔除重复包后，将本次接收的RTP包插入到接收缓存队列中，包括其扩展序列号；S1.6、判断通话是否已结束，如已结束则执行步骤S1.7，否则跳到步骤S1.2；S1.7、通知步骤S2对应的发送流程通话已结束，并结束步骤S1。3.根据权利要求2所述的用于改善无线数字通信系统接收方密文语音质量的方法，其特征在于，在所述步骤S1.2中，通过如下方法计算扩展序列号：S1.2.1、计算utdelta＝本次接收的RTP包中的时间戳-TSbase；TSbase为上一次接收的RTP包的时间戳；如果utdelta大于MAX_TS_MISORDER，设置utdelta＝4294967296-utdelta；MAX_TS_MISORDER为参数；S1.2.2、计算得到扩展序列...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱振荣，张莹，符东昇，史胜伟，
申请(专利权)人：公安部第一研究所，北京迅安网络系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11