基于改进型AES算法汽车门禁系统的研究

谷聚辉，于惠钧，张学毅，周志伟

(湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007)

随着汽车的普及和人们对汽车要求的提高，其安全性和可操作性显得特别重要.采用机械方式进行车门的开与锁，不仅麻烦而且也不安全，对此，免持式被动无钥匙门禁系统应运而生，它采用低功耗器件通过无线通信的方式进行开锁.

在目前汽车门禁系统中，关于信息加密的KEELOQ加密技术是采用滚动编码技术，不仅需要硬件的参与，而且可扩展性差，容易产生误操作.本文采用滚动的非线性编码技术，即:AES加密算法，结合KEELOQ和AES加密算法的优点，对AES算法进行改进，在加密过程中加入扩展密钥使其参与每一轮的加密.通过对改进后的系统进行研究，表明改进型AES加密算法不仅能够灵活加密，而且很好地降低了信息的可破解性.场，当钥匙进入该磁场时，钥匙中的线圈便会产生感应电动势.此时，钥匙便对该感应电动势进行解调与解码，恢复原来的命令信号，微控制器(MCU)对信号进行验证，若该信息被正确验证并识别，会产生一个加密信号，再通过该模块中的高频(UHF)发射模块向基站发送一条433.92MHz的高频加密信号，基站中的UHF接收模块接收到此高频信号并对其进行解码验证，若其密钥正确，则微控制器驱动相应的执行机构进行车门的打开.此外，还可通过检测钥匙位置来启动汽车发动引擎.整个汽车门禁系统的其工作原理如下图1所示.

1 门禁系统

汽车门禁系统的主要组成模块是车载基站和智能钥匙.当钥匙进入基站射频信号感应范围时，基站中的低频(LF)发射模块便对信号进行编码调制，此时会产生一个电压通过模块中的LC串联谐振电路产生高频电流，该电流通过天线产生强磁

图1 汽车门禁系统的工作原理Fig.1 Car access system works

这里的触发信号是指门把手上的微动开关信号，基站射频信号范围内感应信号，车主钥匙按键信号等.车门打开后，会出现以下两种情况，如果车主进入车内部，系统会继续检测钥匙的位置，一旦检测到钥匙在主驾驶位置时，通过钥匙和基站再一次双向身份验证，确定无误时，此时按下启动按钮便会发动引擎.若车门打开后，一旦车主携带钥匙离开了汽车，当基站在相应区域检测不到触发信号

图3 钥匙结构原理图Fig.3 Diagram of key structure

1.1 车载基站

图2 车载基站控制流程图Fig.2 Diagram of Car base station control

车载基站由 LF发射模块、UHF接收模块、MCU、发动机防盗控制模块及汽车总线(CAN)组成.微控制器采用PIC18F2680芯片，LF发射模块采用电感电容串联方式，UHF接收模块用来接收来自钥匙端发送的高频加密信号.当钥匙进入基站信号检测区域时，基站被触发并通过低频发射模块发射一条125kHz的低频命令信号，车载基站控制流程如下图2所示.时，车门便会自动锁住.同时，还设计了若钥匙在低电量或者电量用尽的情况下，发动机控制模块中的LC天线与钥匙端的LC天线通过电感耦合获得能量也可启动发动机.

1.2 智能钥匙

智能钥匙主要由微控制器、低频接收模块、高频发射模块和按键组成，其结构如图3所示.

该模块的微控制器(MCU)采用PIC16F639芯片.其芯片内部不仅有集成的低频接收模块，而且整个芯片可分为模拟前端(AFE)和数字微控制器.正常情况下，该芯片处于休眠状态，当模拟前端(AFE)接收来自基站发送的125kHz低频信号时，微控制器才会被唤醒.

2 改进型AES算法

信息安全是汽车门禁系统设计的关键，因为无线通信信道环境易变，导致信息在传输过程中容易被他人窃取，因此，很有必要对系统信息进行加密研究.本文在AES加密算法基础上进行了改进，加入了动态循环扩展密钥，采用非对称滚动编码技术，以增加数据长度，减少信息码中固定码的位数，优化功能码的检错能力，使加密方式更加灵活.

AES加密算法中密钥长度为128位，分别是数据排列序号(8位)、序列号(32位)、计数器(32位)、数据位(24位)、保留位(32位)，其信号加密体制如图4所示.

图4 信号加密体制模型Fig.4 Signal encryption system model

在该信号加密过程中，所用的密钥一个用来加密，一个用来解密.明文与密钥采用多轮加密解密方式，而且每轮需要多个密钥参与异或运算，改进后的算法所采用的扩展密钥很好地满足了这一加密要求.该算法模型中密钥的明文采用4×4的矩阵结构，矩阵中的每一个元素代表一个字节，每一列代表一个字，总共四个字(128位).

改进型AES算法加密流程如图5所示，

图5 AES算法加密流程图Fig.5 Flowchart of Improved AES encryption algorithm

设改进型AES加密算法变换轮数为Nr，变换过程分为前(Nr－1)轮和第Nr轮。

(1)前Nr－1轮

首先，将明文信息(Plain Text)和密钥进行分组，使两者的分组数和每组字数保持一致;将每一组明文与密钥进行异或运算(AddRoundKey)，得到一个新的矩阵(分组结构);其次将新的矩阵进行字节代替变换(SubBytes)，具体就是求其中每一个元素乘法的逆，再通过查S－Box得出;将上一步得到的矩阵，对其每一行进行循环移动一定的字节数，这里要求第i行向左循环移动i个字节，以此类推;然后，对分组结构的每一列进行列混合变换(Mix-Column)，形式如Y=AX，这里Y、X分别是列矩阵，X是原分组结构的列矩阵，Y是新变换后的矩阵，其运算规则遵循异或运算(XOR)和模乘运算。上述过程变换需要循环(Nr－1)次，则需要(Nr－1)个扩展密钥(Extended Key)参与异或运算。

(2)第Nr轮变换

将前(Nr－1)轮变换的结果再次进行字节代替变换、行位移变换后，这里再将得到的新的分组结构与扩展密钥进行异或运算，最后便可以得到一个密文，该密文是经过加密后的信号.

假设密钥为010101020202030303000A0A0A0 B0B0B，共128位，序列号为:1A2B3C4D，计数器为0A0B0C0D，数据位为010203，保留位为00000000.由密文的组成结构可知，前八位的数据排列序号决定了改密文中序列号、计数器、数据位、保留位的排列顺序，不同的数据排列序号，所生成的密文为表1所示.

表1 不同数据排列序号的加密结果Tab.1 Encrypted result of different data arrangement

从表1可以看出，前两行仅仅改变数据排列序号中的两位，所生成的密文完全不同，第三行改变了整个数据排列序号，得到的密文也不尽相同.这就说明只要数据排列序号发生变动，整个加密信息就会发生很大的改变，因此，只要动态的改变每次发送的数据排列序号，那么每次得到密文也就不同，而且加大了破解的难度.

3 信号仿真分析

由于无线通信存在随机性，信号的传输容易受到噪声和电磁干扰等影响，可能会产生信息丢失和乱码，导致系统不能正常工作，而对信号的分析也很难用一个完整的计算公式表达.鉴于此，本节对整个无线通信系统进行建模仿真，并在信道中加入噪声和干扰，使仿真信道可以更好地接近真实物理信道.

这里，系统发射的低频信号和高频信号均采用曼彻斯特编码，该编码是一个基于同步时钟的编码，通过频率是数据信号2倍的时钟信号与数据信号进行异或运算得到，由于在发送信息的每一位都发生了跳变，很好的解决了低频和高频信号传输不同步的问题.对于信号的调制，本文采用幅度键控调制(ASK)，则ASK信号产生的表达式为

其中，Sd(t)为数字基带信号，Acosω0t为调制的载波信号，数字基带信号可写为

式中，T为码元宽度;g(t)是宽度为T，高度为1的矩形脉冲;an为二进制码元，且 an=，其中p为二进制码元0或1发生的概率.低频数据位发射速率设定为3.9 kbit/s，高频的数据比特率为2 kbit/s，2ASK带宽为B=2fT，式中fT=1/T，为码元速率，由此式可计算出信号的带宽，便于对所建系统仿真模型中的参数进行设置.

短距离的无线通信系统，其通信信道相当于一个小尺度衰落的信号模型.由于无线信道的传输是通过散射来实现的，运用概率统计学，可知无线信道中的低通信道的冲击响应为一个零均值复高斯随机过程，其幅度服从瑞利分布，其瑞利衰减的概率密度函数为

图6中，横坐标是系统的信噪比(SNR)，纵坐标是信号误码率(BER).分析该图可以得出，当信噪比在0dB～4dB之间误码率比较高，随着信噪比的增大，当信噪比在11dB左右时误码率较小，符合通信系统对信号误码率的要求.

当信噪比为11dB时，对整个系统进行分析计算，选择合适的信号发射功率和噪声，使该门禁系统信号能够以最优方式进行传输，更好地保持发送

在信号发送过程中，信号所产生的衰减会影响到接收信号的幅度，由于信号的幅度参数r服从瑞利分布.这里将无线通信信道建模为瑞利衰减信道，并对传输信号进行仿真分析，求出信号发射的最优解.

图6 系统信号的误码率曲线Fig.6 Curve of System signal transmission error

通过上述分析，对所建模型进行仿真，并得出信号传输误码率如图6所示，信号和接收信号的一致.因此，选择合理的信号发射模型和信道模型，并引入相应的噪声，对整个系统的仿真和数据分析起到了至关重要的作用.

4 结束语

改进型AES算法的汽车门禁系统通过无线通信进行车门的开锁及发动机的启动，符合人们对智能汽车的要求.对改进型AES加密算法进行研究，不仅加大了密码的破解难度，而且有效地保护了用户的财产安全.本设计还采用了低功耗器件对电路进行优化，延长了钥匙中电池的使用寿命，当钥匙电量几乎耗尽时，车门和发动机照样可以打开和启动，由于其成本低，使用方便，安全可靠，未来在普通汽车上的应用前景将更加广阔.

[1] Issam Hammad，Kamal El－ sankary.High －Speed AES Encryptor with Effcient Merging Techniques[J].IEEE Embedded Systems Letters，2010，2(3):67-71.

[2] 昂志敏，孙述鹏，韦 康，刘正琼.汽车智能无钥匙门控系统的设计与应用[J].电子技术应用，2007，(8):48-51.

[3] Becker.J.Passive Keyless Entry and Drive System[J].Auto Technology，2002，(2):56-58.

[4] 杨 毅，刘志强.基于对称分组加密算法的汽车门禁控制系统[J].仪表技术，2011，(10):56-57.

[5] 雷 欣.基于MATLAB的2ASK数字调制与解调的系统仿真[J].电脑知识与技术，2010，6(24):6 283-6 285.