CN104780173A - 一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法，包括用户发送请求；匿名服务器初始化；生成初始匿名区域；预测用户匿名成功的概率；返回查询结果；该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统包括：无线接入点、移动用户、匿名服务器、LBS服务器。本发明充分利用城市道路网络的特点，提出了活跃用户和非活跃用户的概念，通过分析匿名服务器存储的历史位置数据，预测非活跃用户的分布情况。本发明由于利用非活跃用户来进行位置匿名并且将原始的匿名区域简化为匿名路段，可以在保证用户隐私需求的前提下生成更小的匿名区域，从而保证了服务质量，同时也减少了通信开销。

Description

一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法。

背景技术

随着传感器、无线设备、互联网等技术的发展，基于位置的服务(LBS)和人们的日常生活越来越相关。基于位置的服务本质上是一种服务，是一种与用户提出请求的位置有关的服务。因此LBS提供商要求用户上传自身的位置来获取服务信息。然而用户在享受位置服务的同时，位置隐私安全就会受到威胁，攻击者可以通过位置信息来分析用户的身份信息，通过查询内容推断用户的爱好、生活习惯等。

位置匿名算法是目前位置隐私保护最常用的算法。匿名服务器将用户上传的精确位置用一个包含k个用户的匿名区域代替，LBS提供商根据这个区域返回一个查询结果集，再由匿名服务器根据用户的精确位置从中找出最优结果，返回给用户。匿名区域的大小决定了服务质量的高低和通信开销的大小。在保证位置隐私不泄露的前提下，匿名区域越小越好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法，旨在解决现有技术的位置隐私保护方法需要用户频繁上传位置到匿名服务器，生成的匿名区域较复杂的问题。

本发明是这样实现的，一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法包括步骤如下：

步骤一，用户发送请求：

用户给匿名服务器发送基于位置的服务请求，服务请求包括用户的身份、用户的地理坐标、发送请求的时刻、请求的内容以及用户的隐私需求；隐私需求是指用户对匿名服务器生成的匿名路段中用户个数的要求；

步骤二，匿名服务器初始化；

步骤三，生成初始匿名区域；匿名服务器接收用户请求，生成初始匿名区域，统计当前时刻初始匿名路段中所有请求用户的个数；

步骤四，预测用户匿名成功的概率；

步骤五，返回查询结果，匿名服务器将处理后的用户请求R'，发送给提供位置服务的服务器；匿名服务器从提供位置服务的服务器获取查询结果集合；匿名服务器根据用户的真实位置从查询结果集合中挑选出最适合用户的查询结果，并将结果返回给请求服务的用户。

进一步，步骤二具体包括：

第一步，匿名服务器生成一个文件，存储道路网络中每条道路的中心点的坐标，中心坐标是一个二维坐标，即为中心点的横纵坐标，此处的每条道路定义为在此路段上除了两段的路口外，无其他路口的一段路；

第二步，计算路口概率转移矩阵；概率转移矩阵如下：

其中，M(v)表示道路网络中路口v的概率转移矩阵，下标1到n表示道路网络中含有相同的路口v的道路编号，p_i,j表示处于道路网络中道路j的用户向道路i运动的概率，p_i,j＝N_i,j/N_j，N_i,j表示从道路j向道路i运动的用户数，N_j表示在道路j上的用户数；

第三步，根据存储在匿名服务器中大量的历史数据，通过估计用户速度变化的均值和方差，拟合用户速度变化；拟合用户速度变化的样本至少选取10000个；所述速度变化是指用户在相邻时刻速度的差值。

进一步，步骤四的预测用户匿名成功的概率具体包括：

第一步，匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户的隐私需求，若满足，执行第十步，否则，执行第二步；匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户隐私需求的过程为：匿名服务器根据当前时刻收到的请求，计算所有在初始匿名路段中发送请求的用户个数，若所有请求用户的个数大于用户的隐私需求，则初始匿名路段满足用户的隐私需求，否则，初始匿名路段不满足用户的隐私需求；

第二步，将初始匿名路段，按道路网络中道路相连通的情况扩张成为一个新路段，该新路段与初始匿名路段的差值等于最大速度值的两倍的路段都进行扩张。扩张成新路段的方法：以初始匿名路段的两端路口为起点，分别以最大速度值大小的距离向与其直接相连的道路进行扩张，所有满足上述条件的路段都进行扩张，道路网络中用户的最大速度等于道路网络中道路上的速度上限，在交通规则的约束下，用户的速度值不超过该上限值；

第三步，匿名服务器从大量的历史数据中查找当前时刻无请求，但前一时刻有请求，且位于新路段中的用户，将用户构成备选用户集，由于备选用户集中的用户在当前时刻无请求，匿名服务器无法判断这些用户当前时刻的位置，但备选用户在当前时刻有可能位于初始匿名路段上；

第四步，匿名服务器读取初始匿名路段两端路口和后扩张道路中路口的转移矩阵，算出具体的概率值；概率等于备选用户选择一条路径的概率；

第五步，匿名服务器根据备选用户历史时刻的坐标记录，计算备选用户前一时刻的速度；根据坐标记录，匿名服务器算出用户运动的路程，用路程除以对应的时间便得到用户的速度；

第六步，匿名服务器根据正态分布概率密度函数，计算每个备选用户进入并留在初始匿名路段上的概率；概率密度函数的均值和方差分别等于通过拟合得到的用户速度变化的均值和方差，对每一个备选用户，根据备选用户留在初始匿名路段上的路径和备选用户上一时刻的速度得到一个速度变化范围，每条路径都对应一个速度变化范围，表示备选用户在选择该条路径的前提下，当且仅当当前备选用户速度变化在该范围内，备选用户能进入初始匿名路段；

第七步，匿名服务器计算当前时刻初始匿名路段内，至少含有k-m个备选用户的概率，若概率值大于0.9，则执行第九步，否则，执行第八步，其中，k表示用户隐私需求，m表示初始匿名路段中请求用户的个数；

第八步，匿名服务器根据初始匿名路段在道路网络中的位置，随机选择一条与初始匿名路段直接连通的道路加入初始匿名路段，构成新的匿名路段，匿名服务器将初始匿名路段更新为此新的匿名路段，执行第一步；

第九步，匿名服务器将初始匿名路段等分为两段子路段，取用户所在子路作为新的匿名路段，并判断新匿名路段是否满足用户的需求，若满足，则重复执行第九步直到不满足；若不满足，则执行第十步；如果初始匿名路段没有满足用户隐私需求，而是扩张后的新匿名路段满足了用户的隐私要求，则将新加入的路段等分为两段，选取与上一路段相邻的一段道路，组成新的匿名路段；匿名服务器检查此路段是否满足用户的隐私需求，如果满足，则继续执行初始匿名路段没有满足用户隐私需求中的步骤；如果不满足，则执行第十步；

第十步，匿名服务器将原初始匿名路段作为用户最终的匿名路段；

第十一步，匿名服务器将用户请求R转换为新的请求R'＝(u',c,r)，其中R'表示匿名服务器处理后的用户请求，u'和c分别表示匿名服务器为用户生成的假身份和匿名路段，r表示用户的请求内容。

本发明的另一目的在于提供一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统包括：无线接入点、移动用户、匿名服务器、LBS服务器；

移动用户与匿名服务器通过加密信道通信，匿名服务器与LBS服务器通过普通信道通信，移动用户通过无线网络接入点连接到无线网络。

进一步，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统采用中心服务器模型。

本发明提供的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统及方法，充分利用城市道路网络的特点，提出了活跃用户和非活跃用户的概念，通过分析匿名服务器存储的历史位置数据，预测非活跃用户的分布情况。本发明由于利用非活跃用户来进行位置匿名并且将原始的匿名区域简化为匿名路段，可以在保证用户隐私需求的前提下生成更小的匿名区域，从而保证了服务质量，同时也减少了通信开销。

附图说明

图1是本发明实施例提供的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法流程图；

图2是本发明实施例提供的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统结构示意图；

图中：1、无线接入点；2、移动用户；3、匿名服务器；4、LBS服务器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法包括以下步骤：

S101：用户发送请求；

S102：匿名服务器初始化；

S103：生成初始匿名区域；

S104：预测用户匿名成功的概率；

S105：返回查询结果。

本发明实施例的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法具体包括：

(1)用户发送请求：

用户给匿名服务器发送基于位置的服务请求；

(2)匿名服务器初始化：

(2a)匿名服务器生成一个文件，用来存储道路网络中每条道路的中心点的坐标值；

(2b)计算路口概率转移矩阵；

(2c)根据存储在匿名服务器中大量的历史数据，通过估计用户速度变化的均值和方差，拟合用户速度变化；

(3)生成初始匿名区域：

匿名服务器接收用户请求，生成初始匿名区域，即用户所在位置前方和后方的两个路口之间的路段，统计当前时刻初始匿名路段上所有请求用户的个数；

(4)预测用户匿名成功的概率：

(4a)匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户的隐私需求，若满足，执行步骤(4h)，否则，执行步骤(4b)；

(4b)将初始匿名路段，按道路网络中用户的最大速度进行扩展，扩展的路段是与初始匿名路段相连通的该新路段与原路段长度的差值等于最大速度值的所有路段；

(4c)匿名服务器查找当前时刻无请求，但前一时刻有请求，且位于扩展后新路段上的用户，将这些用户构成备选用户集；

(4d)匿名服务器根据备选用户历史时刻的坐标记录，计算备选用户前一时刻的速度；

(4e)匿名服务器根据正态分布概率密度函数和路口的概率转移矩阵，计算每个备选用户进入初始匿名路段的概率；

(4f)匿名服务器计算当前时刻初始匿名路段内，至少含有个备选用户的概率，若概率值大于0.9，则执行步骤(4h)，否则，执行步骤(4g)，其中，表示用户隐私需求，表示初始匿名路段中请求用户的个数；

(4g)匿名服务器任意选择一条与初始匿名路段相连通的路段加入初始匿名路段构成新匿名路段，执行步骤(4a)；

(4h)将满足条件的初始匿名路段等分为两部分，选择用户所在的部分，若此路段上仍然满足用户的隐私需求，则继续将该路段等分成两部分，直到不满足用户隐私需求，并将上一路段作为用户最后的匿名路段。

(4i)匿名服务器将用户请求转换为新的请求，其中表示匿名服务器处理后的用户请求，和分别表示匿名服务器为用户生成的假身份和匿名路段，表示用户的请求内容；

(5)返回查询结果：

(5a)匿名服务器将处理后的用户请求，发送给提供位置服务的服务器；

(5b)匿名服务器从提供位置服务的服务器获取查询结果集合；

(5c)匿名服务器对查询结果集合进行求精处理，将求精处理的结果返回给请求服务的用户。

本发明的具体实施例：

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤一，用户发送请求：

用户给匿名服务器发送基于位置的服务请求，服务请求包括用户的身份、用户的地理坐标、发送请求的时刻、请求的内容以及用户的隐私需求；所述的隐私需求是指用户对匿名服务器生成的匿名路段中用户个数的要求；

步骤二，匿名服务器初始化：

第一步，匿名服务器生成一个文件，存储道路网络中每条道路的中心点的坐标，中心坐标是一个二维坐标，即为中心点的横纵坐标，也可是经纬度，此处的每条道路定义为在此路段上除了两段的路口外，无其他路口的一段路；

第二步，计算路口概率转移矩阵；概率转移矩阵如下：

其中，M(v)表示道路网络中路口v的概率转移矩阵，下标1到n表示道路网络中含有相同的路口v的道路编号，p_i,j表示处于道路网络中道路j的用户向道路i运动的概率，p_i,j＝N_i,j/N_j，N_i,j表示从道路j向道路i运动的用户数，N_j表示在道路j上的用户数；

第三步，根据存储在匿名服务器中大量的历史数据，通过估计用户速度变化的均值和方差，拟合用户速度变化；拟合用户速度变化的样本至少选取10000个；所述速度变化是指用户在相邻时刻速度的差值；

步骤三，生成初始匿名区域：

匿名服务器接收用户请求，生成初始匿名区域，统计当前时刻初始匿名路段中所有请求用户的个数；

步骤四，预测用户匿名成功的概率：

第一步，匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户的隐私需求，若满足，执行第十步，否则，执行第二步；匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户隐私需求的过程为：匿名服务器根据当前时刻收到的请求，计算所有在初始匿名路段中发送请求的用户个数，若所有请求用户的个数大于用户的隐私需求，则初始匿名路段满足用户的隐私需求，否则，初始匿名路段不满足用户的隐私需求；

第二步，将初始匿名路段，按道路网络中道路相连通的情况扩张成为一个新路段，该新路段与初始匿名路段的差值等于最大速度值的两倍的路段都进行扩张。扩张成新路段的方法：以初始匿名路段的两端路口为起点，分别以最大速度值大小的距离向与其直接相连的道路进行扩张，所有满足上述条件的路段都进行扩张。道路网络中用户的最大速度等于道路网络中道路上的速度上限，在交通规则的约束下，用户的速度值不超过该上限值；

第三步，匿名服务器从大量的历史数据中查找当前时刻无请求，但前一时刻有请求，且位于新路段中的用户，将这些用户构成备选用户集。由于备选用户集中的用户在当前时刻无请求，匿名服务器无法判断这些用户当前时刻的位置，但备选用户在当前时刻有可能位于初始匿名路段上；

第四步，匿名服务器读取初始匿名路段两端路口和后扩张道路中路口的转移矩阵，算出具体的概率值；该概率等于备选用户选择一条路径的概率；

第五步，匿名服务器根据备选用户历史时刻的坐标记录，计算备选用户前一时刻的速度；根据坐标记录，匿名服务器可以算出用户运动的路程，用路程除以对应的时间便得到用户的速度；

第六步，匿名服务器根据正态分布概率密度函数，计算每个备选用户进入并留在初始匿名路段上的概率；概率密度函数的均值和方差分别等于通过拟合得到的用户速度变化的均值和方差，对每一个备选用户，根据备选用户留在初始匿名路段上的路径和备选用户上一时刻的速度得到一个速度变化范围，每条路径都对应一个速度变化范围，表示备选用户在选择该条路径的前提下，当且仅当当前备选用户速度变化在该范围内，备选用户能进入初始匿名路段；

第七步，匿名服务器计算当前时刻初始匿名路段内，至少含有k-m个备选用户的概率，若概率值大于0.9，则执行第九步，否则，执行第八步，其中，k表示用户隐私需求，m表示初始匿名路段中请求用户的个数；

第八步，匿名服务器根据初始匿名路段在道路网络中的位置，随机选择一条与初始匿名路段直接连通的道路加入初始匿名路段，构成新的匿名路段，匿名服务器将初始匿名路段更新为此新的匿名路段，执行第一步；

第九步，匿名服务器将初始匿名路段等分为两段子路段，取用户所在子路作为新的匿名路段，并判断新匿名路段是否满足用户的需求，若满足，则重复执行第九步直到不满足；若不满足，则执行第十步；如果初始匿名路段没有满足用户隐私需求，而是扩张后的新匿名路段满足了用户的隐私要求，则将新加入的路段等分为两段，选取与上一路段相邻的一段道路，组成新的匿名路段；匿名服务器检查此路段是否满足用户的隐私需求，如果满足，则继续执行初始匿名路段没有满足用户隐私需求中的步骤；如果不满足，则执行第十步；

第十步，匿名服务器将原初始匿名路段作为用户最终的匿名路段；

第十一步，匿名服务器将用户请求R转换为新的请求R'＝(u',c,r)，其中R'表示匿名服务器处理后的用户请求，u'和c分别表示匿名服务器为用户生成的假身份和匿名路段，r表示用户的请求内容；

步骤五，返回查询结果：

匿名服务器将处理后的用户请求R'，发送给提供位置服务的服务器；匿名服务器从提供位置服务的服务器获取查询结果集合；匿名服务器根据用户的真实位置从查询结果集合中挑选出最适合用户的查询结果，并将结果返回给请求服务的用户。

如图2所示，本发明实施例的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统主要包括：无线接入点1、移动用户2、匿名服务器3、LBS服务器4；

移动用户2与匿名服务器3通过加密信道通信，匿名服务器3与LBS服务器4通过普通信道通信，移动用,2通过无线网络接入点1连接到无线网络；

本发明采用中心服务器模型，该中心服务器模型由四部分构成：无线网络接入点、移动用户、匿名服务器、LBS服务器。移动用户与匿名服务器通过加密信道通信，匿名服务器与LBS服务器通过普通信道通信。移动用户通过无线网络接入点连接到无线网络。在当前时刻，匿名服务器仅知道请求LBS服务的用户的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法，其特征在于，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法包括步骤如下：

步骤一，用户发送请求：

用户给匿名服务器发送基于位置的服务请求，服务请求包括用户的身份、用户的地理坐标、发送请求的时刻、请求的内容以及用户的隐私需求；隐私需求是指用户对匿名服务器生成的匿名路段中用户个数的要求；

步骤二，匿名服务器初始化；

步骤三，生成初始匿名区域；匿名服务器接收用户请求，生成初始匿名区域，统计当前时刻初始匿名路段中所有请求用户的个数；

步骤四，预测用户匿名成功的概率；

步骤五，返回查询结果，匿名服务器将处理后的用户请求R'，发送给提供位置服务的服务器；匿名服务器从提供位置服务的服务器获取查询结果集合；匿名服务器根据用户的真实位置从查询结果集合中挑选出最适合用户的查询结果，并将结果返回给请求服务的用户。

2.如权利要求1所述的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法，其特征在于，步骤二具体包括：

第一步，匿名服务器生成一个文件，存储道路网络中每条道路的中心点的坐标，中心坐标是一个二维坐标，即为中心点的横纵坐标，此处的每条道路定义为在此路段上除了两端的路口外，无其他路口的一段路；

第二步，计算路口概率转移矩阵；概率转移矩阵如下：

其中，M(v)表示道路网络中路口v的概率转移矩阵，下标1到n表示道路网络中含有相同的路口v的道路编号，p_i,j表示处于道路网络中道路j的用户向道路i运动的概率，p_i,j＝N_i,j/N_j，N_i,j表示从道路j向道路i运动的用户数，N_j表示在道路j上的用户数；

第三步，根据存储在匿名服务器中大量的历史数据，通过估计用户速度变化的均值和方差，拟合用户速度变化；拟合用户速度变化的样本至少选取10000个；速度变化是指用户在相邻时刻速度的差值。

3.如权利要求1所述的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择方法，其特征在于，步骤四的预测用户匿名成功的概率具体包括：

第一步，匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户的隐私需求，若满足，执行第十步，否则，执行第二步；匿名服务器判断初始匿名路段是否满足用户隐私需求的过程为：匿名服务器根据当前时刻收到的请求，计算所有在初始匿名路段中发送请求的用户个数，若所有请求用户的个数大于用户的隐私需求，则初始匿名路段满足用户的隐私需求，否则，初始匿名路段不满足用户的隐私需求；

第二步，将初始匿名路段，按道路网络中道路相连通的情况扩张成为一个新路段，该新路段与初始匿名路段的差值等于最大速度值的两倍的路段都进行扩张，扩张成新路段的方法：以初始匿名路段的两端路口为起点，分别以最大速度值大小的距离向与其直接相连的道路进行扩张，所有满足上述条件的路段都进行扩张，道路网络中用户的最大速度等于道路网络中道路上的速度上限，在交通规则的约束下，用户的速度值不超过该上限值；

第三步，匿名服务器从大量的历史数据中查找当前时刻无请求，但前一时刻有请求，且位于新路段中的用户，将用户构成备选用户集，由于备选用户集中的用户在当前时刻无请求，匿名服务器无法判断这些用户当前时刻的位置，但备选用户在当前时刻位于初始匿名路段上；

第四步，匿名服务器读取初始匿名路段两端路口和后扩张道路中路口的转移矩阵，算出具体的概率值；概率等于备选用户选择一条路径的概率；

第五步，匿名服务器根据备选用户历史时刻的坐标记录，计算备选用户前一时刻的速度；根据坐标记录，匿名服务器算出用户运动的路程，用路程除以对应的时间便得到用户的速度；

第六步，匿名服务器根据正态分布概率密度函数，计算每个备选用户进入并留在初始匿名路段上的概率；概率密度函数的均值和方差分别等于通过拟合得到的用户速度变化的均值和方差，对每一个备选用户，根据备选用户留在初始匿名路段上的路径和备选用户上一时刻的速度得到一个速度变化范围，每条路径都对应一个速度变化范围，表示备选用户在选择该条路径的前提下，当且仅当当前备选用户速度变化在该范围内，备选用户能进入初始匿名路段；

第七步，匿名服务器计算当前时刻初始匿名路段内，至少含有k-m个备选用户的概率，若概率值大于0.9，则执行第九步，否则，执行第八步，其中，k表示用户隐私需求，m表示初始匿名路段中请求用户的个数；

第八步，匿名服务器根据初始匿名路段在道路网络中的位置，随机选择一条与初始匿名路段直接连通的道路加入初始匿名路段，构成新的匿名路段，匿名服务器将初始匿名路段更新为此新的匿名路段，执行第一步；

第九步，匿名服务器将初始匿名路段等分为两段子路段，取用户所在子路作为新的匿名路段，并判断新匿名路段是否满足用户的需求，若满足，则重复执行第九步直到不满足；若不满足，则执行第十步；如果初始匿名路段没有满足用户隐私需求，而是扩张后的新匿名路段满足了用户的隐私要求，则将新加入的路段等分为两段，选取与上一路段相邻的一段道路，组成新的匿名路段；匿名服务器检查此路段是否满足用户的隐私需求，如果满足，则继续执行初始匿名路段没有满足用户隐私需求中的步骤；如果不满足，则执行第十步；

第十步，匿名服务器将原初始匿名路段作为用户最终的匿名路段；

第十一步，匿名服务器将用户请求R转换为新的请求R'＝(u',c,r)，其中R'表示匿名服务器处理后的用户请求，u'和c分别表示匿名服务器为用户生成的假身份和匿名路段，r表示用户的请求内容。

4.一种道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统，其特征在于，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统包括：无线接入点、移动用户、匿名服务器、LBS服务器；

移动用户与匿名服务器通过加密信道通信，匿名服务器与LBS服务器通过普通信道通信，移动用户通过无线网络接入点连接到无线网络。

5.如权利要求4所述的道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统，其特征在于，该道路网络中位置隐私保护的匿名路段选择系统采用中心服务器模型。