谷聚輝，于惠鈞，張學(xué)毅，周志偉

(湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007)

隨著汽車的普及和人們對汽車要求的提高，其安全性和可操作性顯得特別重要.采用機(jī)械方式進(jìn)行車門的開與鎖，不僅麻煩而且也不安全，對此，免持式被動(dòng)無鑰匙門禁系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它采用低功耗器件通過無線通信的方式進(jìn)行開鎖.

在目前汽車門禁系統(tǒng)中，關(guān)于信息加密的KEELOQ加密技術(shù)是采用滾動(dòng)編碼技術(shù)，不僅需要硬件的參與，而且可擴(kuò)展性差，容易產(chǎn)生誤操作.本文采用滾動(dòng)的非線性編碼技術(shù)，即:AES加密算法，結(jié)合KEELOQ和AES加密算法的優(yōu)點(diǎn)，對AES算法進(jìn)行改進(jìn)，在加密過程中加入擴(kuò)展密鑰使其參與每一輪的加密.通過對改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行研究，表明改進(jìn)型AES加密算法不僅能夠靈活加密，而且很好地降低了信息的可破解性.場，當(dāng)鑰匙進(jìn)入該磁場時(shí)，鑰匙中的線圈便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.此時(shí)，鑰匙便對該感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行解調(diào)與解碼，恢復(fù)原來的命令信號，微控制器(MCU)對信號進(jìn)行驗(yàn)證，若該信息被正確驗(yàn)證并識(shí)別，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加密信號，再通過該模塊中的高頻(UHF)發(fā)射模塊向基站發(fā)送一條433.92MHz的高頻加密信號，基站中的UHF接收模塊接收到此高頻信號并對其進(jìn)行解碼驗(yàn)證，若其密鑰正確，則微控制器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行車門的打開.此外，還可通過檢測鑰匙位置來啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)引擎.整個(gè)汽車門禁系統(tǒng)的其工作原理如下圖1所示.

1 門禁系統(tǒng)

汽車門禁系統(tǒng)的主要組成模塊是車載基站和智能鑰匙.當(dāng)鑰匙進(jìn)入基站射頻信號感應(yīng)范圍時(shí)，基站中的低頻(LF)發(fā)射模塊便對信號進(jìn)行編碼調(diào)制，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓通過模塊中的LC串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生高頻電流，該電流通過天線產(chǎn)生強(qiáng)磁

圖1 汽車門禁系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Car access system works

這里的觸發(fā)信號是指門把手上的微動(dòng)開關(guān)信號，基站射頻信號范圍內(nèi)感應(yīng)信號，車主鑰匙按鍵信號等.車門打開后，會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況，如果車主進(jìn)入車內(nèi)部，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)檢測鑰匙的位置，一旦檢測到鑰匙在主駕駛位置時(shí)，通過鑰匙和基站再一次雙向身份驗(yàn)證，確定無誤時(shí)，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕便會(huì)發(fā)動(dòng)引擎.若車門打開后，一旦車主攜帶鑰匙離開了汽車，當(dāng)基站在相應(yīng)區(qū)域檢測不到觸發(fā)信號

圖3 鑰匙結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Diagram of key structure

1.1 車載基站

圖2 車載基站控制流程圖Fig.2 Diagram of Car base station control

車載基站由 LF發(fā)射模塊、UHF接收模塊、MCU、發(fā)動(dòng)機(jī)防盜控制模塊及汽車總線(CAN)組成.微控制器采用PIC18F2680芯片，LF發(fā)射模塊采用電感電容串聯(lián)方式，UHF接收模塊用來接收來自鑰匙端發(fā)送的高頻加密信號.當(dāng)鑰匙進(jìn)入基站信號檢測區(qū)域時(shí)，基站被觸發(fā)并通過低頻發(fā)射模塊發(fā)射一條125kHz的低頻命令信號，車載基站控制流程如下圖2所示.時(shí)，車門便會(huì)自動(dòng)鎖住.同時(shí)，還設(shè)計(jì)了若鑰匙在低電量或者電量用盡的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊中的LC天線與鑰匙端的LC天線通過電感耦合獲得能量也可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī).

1.2 智能鑰匙

智能鑰匙主要由微控制器、低頻接收模塊、高頻發(fā)射模塊和按鍵組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

該模塊的微控制器(MCU)采用PIC16F639芯片.其芯片內(nèi)部不僅有集成的低頻接收模塊，而且整個(gè)芯片可分為模擬前端(AFE)和數(shù)字微控制器.正常情況下，該芯片處于休眠狀態(tài)，當(dāng)模擬前端(AFE)接收來自基站發(fā)送的125kHz低頻信號時(shí)，微控制器才會(huì)被喚醒.

2 改進(jìn)型AES算法

信息安全是汽車門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)闊o線通信信道環(huán)境易變，導(dǎo)致信息在傳輸過程中容易被他人竊取，因此，很有必要對系統(tǒng)信息進(jìn)行加密研究.本文在AES加密算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，加入了動(dòng)態(tài)循環(huán)擴(kuò)展密鑰，采用非對稱滾動(dòng)編碼技術(shù)，以增加數(shù)據(jù)長度，減少信息碼中固定碼的位數(shù)，優(yōu)化功能碼的檢錯(cuò)能力，使加密方式更加靈活.

AES加密算法中密鑰長度為128位，分別是數(shù)據(jù)排列序號(8位)、序列號(32位)、計(jì)數(shù)器(32位)、數(shù)據(jù)位(24位)、保留位(32位)，其信號加密體制如圖4所示.

圖4 信號加密體制模型Fig.4 Signal encryption system model

在該信號加密過程中，所用的密鑰一個(gè)用來加密，一個(gè)用來解密.明文與密鑰采用多輪加密解密方式，而且每輪需要多個(gè)密鑰參與異或運(yùn)算，改進(jìn)后的算法所采用的擴(kuò)展密鑰很好地滿足了這一加密要求.該算法模型中密鑰的明文采用4×4的矩陣結(jié)構(gòu)，矩陣中的每一個(gè)元素代表一個(gè)字節(jié)，每一列代表一個(gè)字，總共四個(gè)字(128位).

改進(jìn)型AES算法加密流程如圖5所示，

圖5 AES算法加密流程圖Fig.5 Flowchart of Improved AES encryption algorithm

設(shè)改進(jìn)型AES加密算法變換輪數(shù)為Nr，變換過程分為前(Nr－1)輪和第Nr輪。

(1)前Nr－1輪

首先，將明文信息(Plain Text)和密鑰進(jìn)行分組，使兩者的分組數(shù)和每組字?jǐn)?shù)保持一致;將每一組明文與密鑰進(jìn)行異或運(yùn)算(AddRoundKey)，得到一個(gè)新的矩陣(分組結(jié)構(gòu));其次將新的矩陣進(jìn)行字節(jié)代替變換(SubBytes)，具體就是求其中每一個(gè)元素乘法的逆，再通過查S－Box得出;將上一步得到的矩陣，對其每一行進(jìn)行循環(huán)移動(dòng)一定的字節(jié)數(shù)，這里要求第i行向左循環(huán)移動(dòng)i個(gè)字節(jié)，以此類推;然后，對分組結(jié)構(gòu)的每一列進(jìn)行列混合變換(Mix-Column)，形式如Y=AX，這里Y、X分別是列矩陣，X是原分組結(jié)構(gòu)的列矩陣，Y是新變換后的矩陣，其運(yùn)算規(guī)則遵循異或運(yùn)算(XOR)和模乘運(yùn)算。上述過程變換需要循環(huán)(Nr－1)次，則需要(Nr－1)個(gè)擴(kuò)展密鑰(Extended Key)參與異或運(yùn)算。

(2)第Nr輪變換

將前(Nr－1)輪變換的結(jié)果再次進(jìn)行字節(jié)代替變換、行位移變換后，這里再將得到的新的分組結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展密鑰進(jìn)行異或運(yùn)算，最后便可以得到一個(gè)密文，該密文是經(jīng)過加密后的信號.

假設(shè)密鑰為010101020202030303000A0A0A0 B0B0B，共128位，序列號為:1A2B3C4D，計(jì)數(shù)器為0A0B0C0D，數(shù)據(jù)位為010203，保留位為00000000.由密文的組成結(jié)構(gòu)可知，前八位的數(shù)據(jù)排列序號決定了改密文中序列號、計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)位、保留位的排列順序，不同的數(shù)據(jù)排列序號，所生成的密文為表1所示.

表1 不同數(shù)據(jù)排列序號的加密結(jié)果Tab.1 Encrypted result of different data arrangement

從表1可以看出，前兩行僅僅改變數(shù)據(jù)排列序號中的兩位，所生成的密文完全不同，第三行改變了整個(gè)數(shù)據(jù)排列序號，得到的密文也不盡相同.這就說明只要數(shù)據(jù)排列序號發(fā)生變動(dòng)，整個(gè)加密信息就會(huì)發(fā)生很大的改變，因此，只要?jiǎng)討B(tài)的改變每次發(fā)送的數(shù)據(jù)排列序號，那么每次得到密文也就不同，而且加大了破解的難度.

3 信號仿真分析

由于無線通信存在隨機(jī)性，信號的傳輸容易受到噪聲和電磁干擾等影響，可能會(huì)產(chǎn)生信息丟失和亂碼，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，而對信號的分析也很難用一個(gè)完整的計(jì)算公式表達(dá).鑒于此，本節(jié)對整個(gè)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并在信道中加入噪聲和干擾，使仿真信道可以更好地接近真實(shí)物理信道.

這里，系統(tǒng)發(fā)射的低頻信號和高頻信號均采用曼徹斯特編碼，該編碼是一個(gè)基于同步時(shí)鐘的編碼，通過頻率是數(shù)據(jù)信號2倍的時(shí)鐘信號與數(shù)據(jù)信號進(jìn)行異或運(yùn)算得到，由于在發(fā)送信息的每一位都發(fā)生了跳變，很好的解決了低頻和高頻信號傳輸不同步的問題.對于信號的調(diào)制，本文采用幅度鍵控調(diào)制(ASK)，則ASK信號產(chǎn)生的表達(dá)式為

其中，Sd(t)為數(shù)字基帶信號，Acosω0t為調(diào)制的載波信號，數(shù)字基帶信號可寫為

式中，T為碼元寬度;g(t)是寬度為T，高度為1的矩形脈沖;an為二進(jìn)制碼元，且 an=，其中p為二進(jìn)制碼元0或1發(fā)生的概率.低頻數(shù)據(jù)位發(fā)射速率設(shè)定為3.9 kbit/s，高頻的數(shù)據(jù)比特率為2 kbit/s，2ASK帶寬為B=2fT，式中fT=1/T，為碼元速率，由此式可計(jì)算出信號的帶寬，便于對所建系統(tǒng)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.

短距離的無線通信系統(tǒng)，其通信信道相當(dāng)于一個(gè)小尺度衰落的信號模型.由于無線信道的傳輸是通過散射來實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)，可知無線信道中的低通信道的沖擊響應(yīng)為一個(gè)零均值復(fù)高斯隨機(jī)過程，其幅度服從瑞利分布，其瑞利衰減的概率密度函數(shù)為

圖6中，橫坐標(biāo)是系統(tǒng)的信噪比(SNR)，縱坐標(biāo)是信號誤碼率(BER).分析該圖可以得出，當(dāng)信噪比在0dB～4dB之間誤碼率比較高，隨著信噪比的增大，當(dāng)信噪比在11dB左右時(shí)誤碼率較小，符合通信系統(tǒng)對信號誤碼率的要求.

當(dāng)信噪比為11dB時(shí)，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，選擇合適的信號發(fā)射功率和噪聲，使該門禁系統(tǒng)信號能夠以最優(yōu)方式進(jìn)行傳輸，更好地保持發(fā)送

在信號發(fā)送過程中，信號所產(chǎn)生的衰減會(huì)影響到接收信號的幅度，由于信號的幅度參數(shù)r服從瑞利分布.這里將無線通信信道建模為瑞利衰減信道，并對傳輸信號進(jìn)行仿真分析，求出信號發(fā)射的最優(yōu)解.

圖6 系統(tǒng)信號的誤碼率曲線Fig.6 Curve of System signal transmission error

通過上述分析，對所建模型進(jìn)行仿真，并得出信號傳輸誤碼率如圖6所示，信號和接收信號的一致.因此，選擇合理的信號發(fā)射模型和信道模型，并引入相應(yīng)的噪聲，對整個(gè)系統(tǒng)的仿真和數(shù)據(jù)分析起到了至關(guān)重要的作用.

4 結(jié)束語

改進(jìn)型AES算法的汽車門禁系統(tǒng)通過無線通信進(jìn)行車門的開鎖及發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，符合人們對智能汽車的要求.對改進(jìn)型AES加密算法進(jìn)行研究，不僅加大了密碼的破解難度，而且有效地保護(hù)了用戶的財(cái)產(chǎn)安全.本設(shè)計(jì)還采用了低功耗器件對電路進(jìn)行優(yōu)化，延長了鑰匙中電池的使用壽命，當(dāng)鑰匙電量幾乎耗盡時(shí)，車門和發(fā)動(dòng)機(jī)照樣可以打開和啟動(dòng)，由于其成本低，使用方便，安全可靠，未來在普通汽車上的應(yīng)用前景將更加廣闊.

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