Joint source-cryptographic-channel coding for real-time secure voice communications on voice channels - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Joint source-cryptographic-channel coding for real-time secure voice communications on voice channels

Codage conjoint source-chiffrement-canal pour les canaux de communication vocaux sécurisés en temps réel

Résumé

The growing risk of privacy violation and espionage associated with the rapid spread of mobile communications renewed interest in the original concept of sending encrypted voice as audio signal over arbitrary voice channels. The usual methods used for encrypted data transmission over analog telephony turned out to be inadequate for modern vocal links (cellular networks, VoIP) equipped with voice compression, voice activity detection, and adaptive noise suppression algorithms. The limited available bandwidth, nonlinear channel distortion, and signal fadings motivate the investigation of a dedicated, joint approach for speech encodingand encryption adapted to modern noisy voice channels.This thesis aims to develop, analyze, and validate secure and efficient schemes for real-time speech encryption and transmission via modern voice channels. In addition to speech encryption, this study covers the security and operational aspects of the whole voice communication system, as this is relevant from an industrial perspective.The thesis introduces a joint speech encryption scheme with lossy encoding, which randomly scrambles the vocal parameters of some speech representation (loudness, pitch, timbre) and outputs an encrypted pseudo-voice signal robust against channel noise. The enciphering technique is based on random translations and random rotations using lattices and spherical codes on flat tori. Against transmission errors, the scheme decrypts the vocal parameters approximately and reconstructs a perceptually analogous speech signal with the help of a trained neural-based voice synthesizer. The experimental setup was validated by sending encrypted pseudo-voice over a real voice channel, and the decrypted speech was tested using subjective quality assessment by a group of about 40 participants.Furthermore, the thesis describes a new technique for sending data over voice channels that relies on short harmonic waveforms representing quaternary codewords. This technique achieves a variable bitrate up to 6.4 kbps and has been successfully tested over various real voice channels. Finally, the work considers a dedicated cryptographic key exchange protocol over voice channels authenticated by signatures and a vocal verification. The protocol security has been verified in a symbolic model using Tamarin Prover.The study concludes that secure voice communication over real digital voice channels is technically viable when the voice channels used for communication are stable and introduce distortion in a predictable manner.stabintroduce distortion in a predictable manner.
Les risques croissants de violation de la vie privée et d’espionnage associés à la forte croissance des communications mobiles ont ravivé l’intérêt du concept originel de chiffrement de la parole sous forme de signaux audio transmis sur des canaux vocaux non spécifiques. Les méthodes habituelles utilisées pour la transmission de données cryptées par téléphonie analogique se sont révélées inadaptées pour les communications vocales modernes (réseaux cellulaires, VoIP) avec leurs algorithmes de compression de la voix, de détection d’activité vocale et de suppression adaptative du bruit. La faible bande passante disponible, les distorsions non linéaires des canaux et les phénomènes d’évanouissements du signal motivent l’introduction d’une approche conjointe du codage et du chiffrement de la parole adaptée aux canaux vocauxbruités modernes.Dans cette thèse sont développés, analysés et validés divers schémas sûrs et efficaces pour le chiffrement et la transmission de la parole en temps réel pour les canaux vocaux modernes. En plus du chiffrement de la parole, cette étude couvre les aspects sécurité et algorithmique de l’ensemble du système de communication vocale - aspects critiques d’un point de vue industriel. La thèse détaille un système de chiffrement de la parole associé à un codage avec perte, par brouillage aléatoire des paramètres vocaux (volume, hauteur, timbre) de certaines représentations de la parole. En résulte un pseudo-signal vocal chiffré robuste aux erreurs ajoutées par les canaux de transmission modernes. La technique de chiffrement repose sur l’introduction de translations et rotations aléatoires sur des maillages de tores plats associés à des codes sphériques. Face aux erreurs de transmission, le schéma déchiffre approximativement les paramètres vocaux et reconstruit, grâce à un synthétiseur vocal utilisant un réseau de neurones par apprentissage, un signal de parole perceptuellement très proche du signal d’origine. Le dispositif expérimental a été validé par la transmission de signaux de type pseudo-voix chiffrés sur un canal vocal réel. Les signaux de parole déchiffrés ont été favorablement notés lors d’une évaluation subjective de qualité incluant environ 40 participants.La thèse décrit également une nouvelle technique de transmission de données sur canaux vocaux en utilisant un dictionnaire d’ondes harmoniques courtes représentant les mots d’un code quaternaire. La technique fournit un débit binaire variable allant jusqu’à 6.4 kbps et a été testée avec succès sur différents canaux vocaux réels. Enfin, est présenté aussi un protocole d’échange de clés cryptographiques dédié pour les canaux vocaux authentifiés par signatures et vérification vocale. La sécurité du protocole a été vérifiée sous forme d’un modèle symbolique par l’assistant de preuve formelle Tamarin.L’étude conclut qu’une communication vocale sécurisée sur des canaux vocaux numériques réels est techniquement et de fait viable lorsque les canaux vocaux utilisés pour la communication sont stables et ne présentent que des distorsions prévisibles.
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2021COAZ4029.pdf (19.37 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03370542 , version 1 (08-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03370542 , version 1

Citer

Piotr Krasnowski. Joint source-cryptographic-channel coding for real-time secure voice communications on voice channels. Cryptography and Security [cs.CR]. Université Côte d'Azur, 2021. English. ⟨NNT : 2021COAZ4029⟩. ⟨tel-03370542⟩
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