CN105407482A - 移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，管理器给每个感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书并提交给平台；平台确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书，并将感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户。由于用户标书是经标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书，每个用户的实际标价是保密的，平台或窃听的第三方无法获知一个用户对每个任务的具体标价及同一用户对各个任务的标价的相对大小，有效防止恶意平台发动基于标价分析的位置攻击。

Description

移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法

技术领域

本发明涉及通信技术技术领域，特别涉及一种移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法。

背景技术

无线手持移动设备如手机、平板电脑、可穿戴设备等往往集成了大量的传感器，并且拥有更高的存储能力，更快的处理速度以及更大的网络带宽。近年来，手持移动设备的大量普及和众包思想结合，产生了一种新的模式，即移动群智感知网络。移动群智感知由三个部分组成，分别是组织者，平台和移动终端用户。组织者生成在不同位置的感知任务，并在第三方平台上发布，用户在平台上选择感兴趣的感知任务，并在手持设备收集数据之后，将得到的数据上传到平台。作为一种新兴的众包模式，已经有不少移动群智感知网络投入应用，如交通拥塞监测，城市噪声监测等领域。

移动群智感知网络需要合适的用户激励机制来吸引用户为其收集传感器数据，本发明主要针对用户定价的激励机制而非组织者统一设定价格的激励机制。用户根据同一组织者发布的不同位置的相同感知任务进行标价，并将标书上传给平台，平台根据不同用户对于同一位置的任务的标价选择最低价格并指定最低价的用户完成任务。对于位置不同的同种任务而言，同一用户标价的差异主要来自于用户主观的差异，体现为用户距离参与感知任务所在位置的距离是影响标价的重要因素。然而，现有的由用户定价的激励机制主要侧重点在真实性和有效性，而没有考虑基于该激励机制用户的位置隐私存在暴露的风险的问题。上述问题主要原因在于，基于用户定价的激励机制时，由参与感知任务的用户自己定价，用户在定价时会考虑用户自身所在位置与参与所述感知任务关联的位置之间的距离，距离越远，用户所需成本越高，因此定价也会越高，距离越近，所需成本越低，因此定价也会越低。当所有用户将各自的给不同位置的感知任务的标价提交给平台时，平台可以根据用户对于不同位置的任务的标价发动基于价格分析的位置攻击。

经发明人研究发现，公共基础网络是可以被第三方窃听的，通常移动群智感知网络的平台可以完成任务发布、任务分配和发放酬金的工作，这里的移动群智感知系统包括平台及用户，组织者在平台上发布感知任务，由用户对想要完成的感知任务标价并直接提交给平台，平台根据标价的排序，选择标价最低的用户完成相应的任务。这里，平台可以直接得到所有数据，对于平台是否可信任仍需考察，而第三方同样可以通过窃听获得数据。由此可见，基于平台和第三方所获得的数据，即标价信息，均可以对不同位置的任务的标价发动位置攻击。

对于第三方和/或平台发动基于对用户标价分析的位置攻击的原理，具体请结合图1的内容进行理解。如图1所示，这里假设移动群智感知网络中用户数量U＝1，感知任务数T＝3，三个任务分别为t₁，t₂和t₃，基于对用户标价分析的位置攻击的具体步骤如下：

第一步、如图1所示，将已知用户和感知任务所在的区域被划分为m×n＝3×3的网格，它们的坐标分别为(1，1)，(1，1)，(2，2)和(2，3)。在这里，计算兴趣矩阵W(m，n)中的每个元素使用公式计算，其中d_t(m,n)是网格(m，n)到感知任务t(t是t₁，t₂或t₃)的欧式距离，θ是调节参数，这里θ优选为1，总共9个兴趣矩阵。其中第一个网格(1，1)的兴趣矩阵为W_(1,1)＝[1,0.39,0.19]，具体如图2所示。这里的兴趣矩阵实际是这个网格到各个任务的距离的反比的归一化参数，表示的是如果这边有一个用户，那么这个用户对于各个任务的感兴趣程度。

第二步、平台接收到用户提交的标书，在本实例中用户的标价是根据b_t＝10+10×d_t，d_t为用户和任务的欧式距离。在其他应用场景中，用户的定价也可以是和距离成正比的任何函数。用户对3个任务的标价分别为{10，24，32}，平台根据公式计算标价矩阵中的每个元素p，其中b_min是所有标价中最小的标价10，b_t是对应元素的标价，平台得到标价矩阵P＝[1,0.42,0.31]^T。这里的标价矩阵表示的是用户对于各个任务的归一化兴趣程度，与用户的标价成反比，标价越低用户越感兴趣。

第三步、通过比较标价矩阵(即愿意程度)和各个网格的兴趣矩阵，可以找到最符合用户位置的网格。比较标价矩阵和兴趣矩阵主要是通过计算参数d的方式，d＝(P-W_m×n)^T(P-W_m×n)。在这里，9个网格的差异参数中，网格(1，1)的d是最小的。因此平台判断用户的标价模式最可能发生在网格(1，1)。

由以上叙述可知，感知任务是基于位置的并且以用户定价为基础的用户位置隐私的保护的激励机制具有特点：(1)平台是不可信的但是可以完成分配任务的使命。(2)公共的基础网络是可以被窃听的。(3)用户的位置和用户对于不同位置上的任务的标价有着直接的关系。

现有的位置隐私的保护技术主要包括三类。第一类是随机化具体位置，第二类是空间k匿名，第三类是时间随机化。然而，移动群智感知网络的平台需要收集到精准的用户标价来为每个感知任务选择标价最低的用户来执行任务，因此传统的位置隐私的保护技术在以用户定价为基础的移动群智感知网络中无效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，以解决现有的基于用户定价的激励机制完成移动群智感知网络的感知任务过程，存在用户的位置隐私暴露的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，所述移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法包括如下步骤：

S1：构建移动群智感知网络，所述移动群智感知网络包括平台、用户及管理器；

S2：所述平台发布感知任务，所述管理器给每个感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；

S3：在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书，并将所述用户标书提交给所述平台；其中，所述用户标书为用户对一感知任务依次进行标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书；

S4：所述平台收集所有用户提交的用户标书后，根据前缀会员认证确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书；

S5：所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户；

S6：用户完成所述平台下达的感知任务，并将采集的感知数据上传给所述平台；

S7：所述平台接收所述感知数据，并将上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书发送给管理器，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价，并反馈给所述平台；

S8：所述平台根据所述管理器反馈的标价向上传所述传感知数据的用户支付报酬。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，步骤S3中，在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书包括如下步骤：

针对每个感知任务生产一个价格范围；所述价格范围为[p_t，p_max]，其中p_t为基于用户对每个感知任务的标价及相应的映射参数映射于范围[c·b,c·(b+1))中获得的安全价格，c为相应的映射参数，b为用户对感知任务的标价；p_max为所述平台针对每个感知任务设定所述平台可接受的上限价格经过映射参数转换后的价格，对于同一感知任务，不同用户的p_max是一致的；

通过前缀数值处理将所述安全价格和所述价格范围均转换成二进制数集；

用户采用对应感知任务的HMAC公钥对由所述安全价格和所述价格范围转换成的两组二进制数集加密。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，所述平台可接受的上限价格由每个感知任务的组织者设定。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，步骤S4中，根据前缀会员认证确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书包括如下步骤：

依次判断每个用户的安全价格加密后的二进制数集合与其他用户的对应价格范围加密后的二进制数集是否存在相同的元素，若存在，则当前用户的安全价格大于其他用户的安全价格；若不存在，则当前用户的安全价格小于其他用户的安全价格；

将所有用户的安全价格进行排序，取安全价格最低的用户所提交的用户标书作为当前感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，步骤S7中，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价包括如下步骤：

平台上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书；

所述管理器接收所述用户标书和所述感知任务，并根据所述感知任务调取与之对应的HMAC私钥和映射参数；

所述管理器利用获取的所述HMAC私钥和所述映射参数解密所述用户标书，以确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，所述HMAC密钥包括HMAC公钥和HMAC私钥。

可选的，在所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，步骤S5中，所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户的数量为一个或数个。

在本发明所提供的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，移动群智感知网络中管理器根据不同的感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书并提交将其给平台；平台确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书，并将感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户。由于用户标书是经标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书，每个用户的实际标价是保密的，平台无法获知一个用户对于所有任务的标价的排序，有效的防止恶意平台发动基于标价分析的位置攻击。

附图说明

图1是基于价格分析的位置攻击的实例中的用户和感知任务分布示意图；

图2是基于图1中用户和感知任务分布情况，各个网格的兴趣矩阵；

图3是本发明一实施例中移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

通过对现有文献的研究，AlexX.Li等人在2008年发表于ACMSymposiumonPrinciplesofDistributedComputing(PODC)会议上的95-104页的“Collaborativeenforcementoffirewallpoliciesinvirtualprivatenetworks”提出了一种前缀会员认证(prefixmembershipverification)技术。前缀会员认证技术包括两部分，一是将数值和范围转化为两个二进制数集，可称为前缀数值处理过程；二是通过比较数轮数值，这个过程可以称为前缀会员认证。这种技术可以将判断一个自然数是否在一个范围的运算，转换为数轮比较两个数是否相等的运算。这种数学处理技术将自然数和范围分别转换为两组二进制数，然后判断这两组二进制数的集合中是否有相同元素，若存在则自然数在范围内。这种数学方法不能直接用于保护用户的标价，但是通过对用户标价合适的处理，并且和哈希运算消息认证码(HMAC)加密技术结合，可以加密用户的标价并且保证平台可以根据加密的结果得到标价最便宜的用户，而本申请正是将前缀会员认证技术和哈希运算消息认证码加密技术结合形成的价格激励机制融合于移动群智感知网络中，有效的保护了参与完成感知基于位置的感知任务的用户的位置隐私。

请参考图3，其为本发明一实施例中移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法的步骤流程图，如图3所示，所述移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法具体包括如下步骤：

首先，执行步骤S1，构建移动群智感知网络，所述移动群智感知网络包括平台、用户及管理器；

接着，执行步骤S2，所述平台发布感知任务，所述管理器给每个感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；

接着，执行步骤S3，在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书，并将所述用户标书提交给所述平台；其中，所述用户标书为用户对一感知任务依次进行标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书；

其中，在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书包括如下步骤：

针对每个感知任务生产一个价格范围；所述价格范围为[p_t，p_max]，其中p_t为基于用户对每个感知任务的标价及相应的映射参数映射于范围[c·b,c·(b+1))中获得的安全价格，c为相应的映射参数，b为用户对感知任务的标价；p_max为所述平台针对每个感知任务设定所述平台可接受的上限价格经过映射参数转换后的价格，对于同一感知任务，不同用户的p_max是一致的，其中，所述平台可接受的上限价格由每个感知任务的组织者设定；

通过前缀数值处理将所述安全价格和所述价格范围均转换成二进制数集；

用户采用对应感知任务的HMAC公钥对由所述安全价格和所述价格范围转换成的两组二进制数集加密。

接着，执行步骤S4，所述平台收集所有用户提交的用户标书后，根据前缀会员认证确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书；

具体的，确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书包括如下步骤：

依次判断每个用户的安全价格p_t加密后的二进制数集合与其他用户的对应价格范围加密后的二进制数集是否存在相同的元素，若存在，则当前用户的安全价格大于其他用户的安全价格；若不存在，则当前用户的安全价格小于其他用户的安全价格；

将所有用户的安全价格进行排序，取安全价格最低的用户所提交的用户标书作为当前感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书。

接着，执行步骤S5，所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户；这里，所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户的数量为一个或数个，对于标价最低的用户标书所对应用户的数量实际上由组织者的要求决定的。

接着，执行步骤S6，用户完成所述平台下达的感知任务，并将采集的感知数据上传给所述平台；

接着，执行步骤S7，所述平台接收所述感知数据，并将上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书发送给管理器，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价，并反馈给所述平台；

具体的，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价包括如下步骤：

平台上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书；

所述管理器接收所述用户标书和所述感知任务，并根据所述感知任务调取与之对应的HMAC私钥和映射参数；

所述管理器利用获取的所述HMAC私钥和所述映射参数解密所述用户标书，以确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价。

接着，执行步骤S8，所述平台根据所述管理器反馈的标价向上传所述传感知数据的用户支付报酬。

较佳的，为了较好的理解本申请移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，以移动群智感知网络中用户的数量U＝4，感知任务数T＝1为例，对本申请的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法是如何实现用户位置隐私的保护的做详细的阐述。首先需要说明的是，本申请中的移动群智感知网络与现有的移动群智感知网络相比，除了包括平台、用户之外，还包括管理器。该管理器可以针对每个感知任务生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户。

第一步、平台发布这个任务，并且设定平台能够接受的最高价格是15；管理器生成一对密钥(g_t,g_c)，g_t为HMAC公钥，g_c为HMAC私钥，同时根据在线用户数U＝4生成映射参数c＝1；管理器将HMAC公钥g_t和映射参数c发送给所有在线的用户。

第二步、在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书，并将所述用户标书提交给所述平台；所述用户标书为用户对一感知任务依次进行标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书；

具体步骤如下：

2.1)四个用户对于这一感知任务的标价分别为5，15，2，9；

2.2)根据映射规则可知，标书的价格保持不变，即四个用户对这一感知任务的标价及相应的映射参数映射于范围[c·b,c·(b+1))中获得的四个安全价格p_t保持不变，依次为5，15，2，9最大价格也不变，即p_max＝15。针对这一感知任务生产一个价格范围[p_t，p_max]，分别为[5，15]，[15，15]，[2，15]和[9，15]；

2.3)通过前缀数值处理，将每个用户对这一感知任务的安全标价p_t和价格范围[p_t,p_max]均转换成两组二进制数集，分别称为安全标价集合(SBS，SafetyBiddingSet)和范围集合(RS，RangeSet)，具体如表1所示，表1表征当前实施例中产生的安全标价集合和范围集合。

表1

2.4)用公钥g_t对SBS和RS中的每个二进制数加密，加密得到就是可以提交平台的用户标书；

2.5)四位用户将用户标书上传给平台；

第三步、平台收集了所有用户的标书后，寻找价格最低的用户。相同的内容使用HMAC加密之后的内容也是一样的，则根据前缀会员认证的规则，若一个加密后的安全标价集和其他用户标书的范围区间集内的元素相同，该安全标价必然大于其他用户的安全标价。请继续参考表1，通过对每个用户逐一比较，发现第三个用户的SBS和其他用户的RS集合没有相同的元素，因此该用户为标价最低的用户。

第四步、平台将任务分配给最低标价的第三个用户。

第五步、第三个用户在接受到平台分配的感知任务之后，去与感知任务对应的位置采集感知数据，并将采集之后的感知数据上传到平台。

第六步，平台在收到感知数据之后，将第三个用户的所提交给平台的用户标书发送给管理器，管理器根据g_c和映射参数c，获知用户标书中第三用户对当前任务的标价，并将标价反馈给平台，平台通过相应渠道给用户付酬劳。因为只有一个任务，所以每个用户只能上传一次用户标书。

综上，在本发明所提供的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法中，管理器给每个感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书并提交给平台；平台确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书，并将感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户。由于用户标书是经标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书，每个用户的实际标价是保密的，平台或窃听的第三方无法获知一个用户对每个任务的具体标价及同一用户对各个任务的标价的相对大小，有效防止恶意平台发动基于标价分析的位置攻击。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (7)

1.一种移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，适用于用户参与完成基于位置的感知任务，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建移动群智感知网络，所述移动群智感知网络包括平台、用户及管理器；

S2：所述平台发布感知任务，所述管理器给每个感知任务对应生成一对HMAC密钥，根据在线的用户总数生成一个相应的映射参数，并将对应每个感知任务的HMAC的公钥及映射参数发送给所有在线的用户；

S3：在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书，并将所述用户标书提交给所述平台；其中，所述用户标书为用户对一感知任务依次进行标价、前缀数值处理及根据当前感知任务的HMAC公钥加密后的标书；

S4：所述平台收集所有用户提交的用户标书后，根据前缀会员认证确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书；

S5：所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户；

S6：用户完成所述平台下达的感知任务，并将采集的感知数据上传给所述平台；

S7：所述平台接收所述感知数据，并将上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书发送给管理器，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价，并反馈给所述平台；

S8：所述平台根据所述管理器反馈的标价向上传所述传感知数据的用户支付报酬。

2.如权利要求1所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，步骤S3中，在线的每个用户针对每个感知任务制定用户标书包括如下步骤：

针对每个感知任务生产一个价格范围；所述价格范围为[p_t，p_max]，其中p_t为基于用户对每个感知任务的标价及相应的映射参数映射于范围[c·b,c·(b+1))中获得的安全价格，c为相应的映射参数，b为用户对感知任务的标价；p_max为所述平台针对每个感知任务设定所述平台可接受的上限价格经过映射参数转换后的价格，对于同一感知任务，不同用户的pmax是一致的；

通过前缀数值处理将所述安全价格和所述价格范围均转换成二进制数集；

用户采用对应感知任务的HMAC公钥对由所述安全价格和所述价格范围转换成的两组二进制数集加密。

3.如权利要求2所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，所述平台可接受的上限价格由每个感知任务的组织者设定。

4.如权利要求2所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，步骤S4中，根据前缀会员认证确定每个感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书包括如下步骤：

依次判断每个用户的安全价格加密后的二进制数集合与其他用户的对应价格范围加密后的二进制数集是否存在相同的元素，若存在，则当前用户的安全价格大于其他用户的安全价格；若不存在，则当前用户的安全价格小于其他用户的安全价格；

将所有用户的安全价格进行排序，取安全价格最低的用户所提交的用户标书作为当前感知任务的所有用户标书中标价最低的用户标书。

5.如权利要求1所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，步骤S7中，所述管理器确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价包括如下步骤：

平台上传所述传感知数据的用户所对应的用户标书；

所述管理器接收所述用户标书和所述感知任务，并根据所述感知任务调取与之对应的HMAC私钥和映射参数；

所述管理器利用获取的所述HMAC私钥和所述映射参数解密所述用户标书，以确定上传所述传感知数据的用户对完成感知任务的标价。

6.如权利要求1所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，所述HMAC密钥包括HMAC公钥和HMAC私钥。

7.如权利要求1所述的移动群智感知网络中用户位置隐私的保护方法，其特征在于，步骤S5中，所述平台将其发布的感知任务下达给标价最低的用户标书所对应用户的数量为一个或数个。