CN108990147B - 车载网中基于v2r或v2v通信的具有隐私保护的车辆3d定位方法 - Google Patents

车载网中基于v2r或v2v通信的具有隐私保护的车辆3d定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括：全局设置、注册、建立安全信道、位置证明步骤。本发明针对现有的多数车载定位系统只能实现2D定位，无法实现准确的3D定位以及车辆隐私保护等问题，提出了分别基于V2R通信和基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，使得一辆未知3D位置的车辆借助路边单元或者已知3D位置的车辆在保护隐私的前提下高效的、准确的获取3D位置。

Description

车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位 方法
技术领域
本发明属于车载网信息安全领域，关于车载网中车辆定位以及隐私保护问题，涉及到3D 定位技术和密钥交换协议。
背景技术
车载网是一种用于提高交通效率和道路安全的新型技术。一个典型的车载网主要由车辆和路边单元(RSU)组成。一辆车或者一个RSU和周围的车辆或者RSU之间进行车与车(V2V)、车与RSU(V2R)、RSU与车(R2V)通信来交换信息。短程通信(DSRC)协议被设计用来支持车载网中的V2V、V2R、R2V通信。
车载网中的很多应用比如碰撞警告、速度警告、车辆自动导航等都是基于车辆位置的。车载网中大多数现在使用的定位系统都是基于GPS、BeiDou、GALILEO、GLONASS。一般情况下，这些定位系统具有比较准确的水平定位即2D定位。但是，这些系统中的垂直定位精度远低于水平定位精度，其中一个原因是卫星的几何分布。比如说以GPS为基础的定位系统在95％的时间里，定位精度为15米。
如今，随着城市交通环境变得越来越复杂。建造了越来越多的高架桥用来满足交通系统的需求，道路结构的发展也给车载网中的车辆定位带来了新的挑战。车载网中现存的车辆定位服务主要是提供2D定位，并不能很好的处理当前城市交通环境中的定位问题。这些系统很难判断出一辆车是行驶在高架之上还是高架之下。
除了定位问题，安全和隐私也是车载网中非常重要的问题。安全就是要保障车辆或者RSU 接收的消息是来自认证的实体并且在传输过程中不会被篡改。隐私就是要保证驾驶者的身份、位置以及其他的敏感信息不被入侵和肆意收集。如果没有为一个车辆提供安全和隐私机制，那么这个车辆的位置系统会遭受到不同的攻击。例如，如果没有提供安全机制，靠近目标车辆的攻击者可以伪造位置信息误导需要定位的车辆，这可能会导致交通违规和事故。如果不考虑车辆的隐私，一个攻击者可以容易的找到具有定位车辆的位置和身份。这些信息可被不法分子用于犯罪(例如，攻击者可能发起堵塞目标地区通信的干扰攻击)或者被用于商业意图。
合作定位(CP)是一种基于网络节点之间交换位置相关数据来提高定位精度的方法。现有的CP方法大致分为三类，即：基于到达角度(AOA)的方法，基于无线电信号强度(RSS) 的方法和基于距离的方法。基于AOA的方法需要大型天线阵列，这对于VANET中的车辆来说并不实用。基于RSS的方法需要了解信道条件和信号传输功率，这些可能随时间而变化。基于距离的方法可以进一步分为到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)和往返时间(RTT)。TOA和TDOA需要高精度的时钟同步。RTT只需要使用在CP系统中的节点之间共享的时间戳(例如，信号到达时间和信号发送时间)。
发明内容
本发明的目的是提供一种车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，该方法保证认证性，车辆的隐私保护，保证车辆高效地、精确地实现3D定位。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，路边单元即RSU，具体包括下列步骤：
步骤1：全局设置
TA根据初始的安全参数λ运行算法生成系统公开参数
Figure BDA0001713127720000021
Figure BDA0001713127720000022
是一个阶为素数q的乘法循环群，g0是系统主公钥，g是
Figure BDA0001713127720000023
的生成元，
Figure BDA0001713127720000024
是一个对称加密方案，
Figure BDA0001713127720000025
是一个生成消息验证码(MAC)方案，K1，K2均为对称密钥。
步骤2：注册
车辆和RSU在TA那里注册，TA为车辆和RSU生成对应的证书并将证书发送给车辆和RSU。车辆和RSU在这一阶段也会生成各自的公私钥对。
步骤3：建立安全信道
一辆需要定位的车辆行驶到一个RSU的通信范围内，车辆和RSU互发证书，证书验证有效之后，车辆和RSU都会运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道。
步骤4：位置证明
一旦车辆和RSU之间建立了会话密钥，车辆和RSU运行基于V2R通信的3D定位协议。协议分为两步。第一步，车辆和RSU在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二步，车辆根据第一步记录的相关信息计算出3D位置信息。
一种车载网中基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，具体包括下列步骤：
步骤1：全局设置
TA根据初始的安全参数λ′运行算法生成系统公开参数
Figure BDA0001713127720000026
Figure BDA0001713127720000027
是一个阶为素数q′的乘法循环群，g0′是系统主公钥，g′是
Figure BDA0001713127720000028
的生成元，
Figure BDA0001713127720000029
是一个对称加密方案，
Figure BDA00017131277200000210
是一个生成消息验证码(MAC)方案，K1′，K2′均为对称密钥。
步骤2：注册
车辆在TA那里注册，TA为车辆生成对应的证书并将证书发送给车辆。车辆在这一阶段也会生成各自的公私钥对。
步骤3：建立安全信道
一辆需要定位的车辆Vi′行驶到一辆已知位置的车辆Vj′的通信范围内，Vi′和Vj′互发证书，证书验证有效之后，Vi′和Vj′运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道。
步骤4：位置证明
车辆Vi′和Vj′之间建立了会话密钥，Vi′和Vj′运行基于V2V通信的3D定位协议。协议分为两步。第一步，Vi′和Vj′在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二步， Vi′根据第一步记录的相关信息计算出3D位置信息。
本发明针对的情况是，一辆车行驶在3D环境里，借助路边单元或者其它已知位置的车辆在保护隐私的前提下实现3D定位，从而获取准确的位置信息。本发明主要解决了以下几个问题：
(1)认证性：为了保证通信的安全性，车辆和路边单元之间或者车辆和车辆之间必须互相认证。进一步就是，在通信过程中发送的消息不应该被攻击者篡改。并且两种方法中使用抗后门的伪随机数生成器来生成随机数，因此可以抵抗随机数后门攻击来保证认证性。
(2)车辆的隐私保护：除了正在通信的双方以外，其他的实体均无法获取正在实现定位的车辆的任何信息。
(3)低误率：保证车辆高效地、精确地实现3D定位，即低延时、高精度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构(TA)，车辆，路边单元(RSU)，具体包括下列步骤：
步骤1：全局设置
输入一个安全参数λ，TA执行如下操作：
1)选取一个阶为q的循环乘法群
Figure BDA0001713127720000031
选取一个生成元
Figure BDA0001713127720000032
2)生成一个系统主密钥s以及对应的主公钥g0。TA使用s为车辆和RSU颁发证书。g0是用来验证证书的有效性；
3)选择一个对称加密方案
Figure BDA0001713127720000041
以及一个MAC方案
Figure BDA0001713127720000042
对称加密方案中的对称密钥K1和MAC方案中的对称密钥K2具有相同的长度；
4)选取一个哈希函数H：{0，1}*-→{0，1}l，l是
Figure BDA0001713127720000043
和
Figure BDA0001713127720000044
中使用的密钥的比特长度；
5)公开
Figure BDA0001713127720000045
作为系统参数。
步骤2：注册
车辆和RSU在TA那里注册。对于一个RSURj，首先运行一个nonce生成器NG生成一个noncenj和下一个状态St′j，生成的过程为(nj，St′j)←NG(μj，Stj)，其中Stj是当前的状态，μj是一个nonce选择器；然后使用一个对冲提取器(HE)生成一个随机数rsj，生成过程为 rsj←HE(xkj，(mj，nj))，其中xkj是一个随机种子，mj是一个消息；最后计算公钥
Figure BDA00017131277200000414
(rpj，rsj)作为Rj的公私钥对。TA给Rj发送一个证书
Figure BDA0001713127720000046
中包含Rj的位置信息
Figure BDA0001713127720000047
分别表示Rj的经纬度，
Figure BDA0001713127720000048
表示Rj距离地面的高度。由于Rj所在的位置是固定的，因此
Figure BDA0001713127720000049
是已知不变的。
对于一个车辆Vi，首先运行NG生成一个nonceni和下一个状态St′i，生成的过程为(ni，St′i)←NG(μi，Sti)，其中Sti是当前的状态，μi是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数vsi，生成过程为vsi←HE(xki，(mi，ni))，其中xki是一个随机种子，mi是一个消息；最后计算公钥
Figure BDA00017131277200000410
(vpi，vsi)作为Vi的公私钥对。TA给Vi发送一个证书
Figure BDA00017131277200000411
步骤3：建立安全信道
RSU不停地在其通信范围内广播证书，并且RSU距离地面的高度高于高架桥的高度h。车辆Vi直接与距离最近的RSURj连接，建立一个安全的信道。
Vi进入到Rj的通信范围内时，Vi首先验证证书
Figure BDA00017131277200000412
的有效性，验证成功之后，Vi首先运行NG生成一个noncen1i和下一个状态St′1i，生成的过程为(n1i，St′1i)←NG(μ1i，St1i)，其中St1i是当前的状态，μ1i是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数r，生成过程为r←HE(xk1i，(m1i，n1i))，其中xk1i是一个随机种子，m1i是一个消息；最后计算一个中间值 u＝gr，发送
Figure BDA00017131277200000415
给Rj。Vi计算会话密钥
Figure BDA00017131277200000413
和pidi分别是Rj和Vi的身份标识。
Rj接收到
Figure BDA0001713127720000051
之后，首先同样验证证书
Figure BDA0001713127720000052
的有效性，然后计算会话密钥
Figure BDA0001713127720000053
命名会话密钥为
Figure BDA0001713127720000054
用来建立安全信道。
步骤4：位置证明
Vi和Rj建立安全信道之后，Vi和Rj运行基于V2R通信的3D定位协议。协议分为两个阶段，第一阶段是Vi和Rj在一段时间内连续的通信交互位置信息，第二阶段Vi计算3D位置信息。
第一阶段分为如下三个步骤：
1)Rj执行如下操作：
1、发送一个时间戳
Figure BDA0001713127720000055
给Vi，η表示交互的次数，初始值为1；
2、生成一个消息认证码
Figure BDA0001713127720000056
然后将
Figure BDA0001713127720000057
发送给Vi；
2)Vi在时刻
Figure BDA0001713127720000058
接收到时间戳
Figure BDA0001713127720000059
并获取此时的2D坐标
Figure BDA00017131277200000510
和
Figure BDA00017131277200000511
代表Vi经纬度。Vi执行如下操作：
1、发送时间戳
Figure BDA00017131277200000512
给Rj；
2、接收到来自Rj的消息
Figure BDA00017131277200000513
检查等式
Figure BDA00017131277200000514
是否成立，成立则继续执行下列步骤，否则终止；
3、生成一个位置密文
Figure BDA00017131277200000515
以及一个消息认证码
Figure BDA00017131277200000516
4、将
Figure BDA00017131277200000517
发送给Rj；
3)Rj在
Figure BDA00017131277200000518
接收到时间戳
Figure BDA00017131277200000519
然后Rj执行下列操作：
1、接收到来自Vi的消息
Figure BDA00017131277200000520
检查等式
Figure BDA00017131277200000521
是否成立，如果成立则计算位置坐标
Figure BDA00017131277200000522
否则终止；
2、令η＝η+1，重复上述操作；
在第一阶段结束之时Vi和Rj交互了n轮，即η＝n。接下来是Vi在第二阶段计算3D位置信息。计算位置信息过程中用到的距离公式为
Figure BDA0001713127720000061
L1和L2分别表示形为(x1，y1)和(x2，y2)的坐标，Δ表示坐标的误差。在第二阶段Vi执行如下操作：
1)计算Vi在高架桥上时和Rj之间的理论距离范围
Figure BDA0001713127720000062
Figure BDA0001713127720000063
Figure BDA0001713127720000064
然后累加理论距离范围得到
Figure BDA0001713127720000065
2)计算Vi在高架桥下时和Rj之间的理论距离范围
Figure BDA0001713127720000066
Figure BDA0001713127720000067
Figure BDA0001713127720000068
然后累加理论距离范围得到
Figure BDA0001713127720000069
3)计算Vi和Rj之间的可计算距离
Figure BDA00017131277200000610
C为光速然后累加可计算距离
Figure BDA00017131277200000611
4)通过比较
Figure BDA00017131277200000612
和
Figure BDA00017131277200000613
计算Vi在高架桥之上的概率
Figure BDA00017131277200000614
以及Vi在高架桥之下的概率
Figure BDA00017131277200000615
具体的计算方法如下：
(a)当
Figure BDA00017131277200000616
有下面三种情况：
i.当
Figure BDA00017131277200000617
则
Figure BDA00017131277200000618
ii.当
Figure BDA00017131277200000619
则
Figure BDA00017131277200000620
iii.当
Figure BDA00017131277200000621
并且
Figure BDA00017131277200000622
则
Figure BDA00017131277200000623
Figure BDA00017131277200000624
(b)当
Figure BDA00017131277200000625
有下面三种情况：
i.当
Figure BDA0001713127720000071
则
Figure BDA0001713127720000072
ii.当
Figure BDA0001713127720000073
则
Figure BDA0001713127720000074
iii.当
Figure BDA0001713127720000075
并且
Figure BDA0001713127720000076
则
Figure BDA0001713127720000077
Figure BDA0001713127720000078
(c)通过计算的概率
Figure BDA0001713127720000079
和
Figure BDA00017131277200000710
来判断车辆Vi的位置。当
Figure BDA00017131277200000711
则Vi在高架桥上；当
Figure BDA00017131277200000712
则Vi在高架桥下，由此来确定Vi距离地面的高度。
一种车载网中基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构(TA)、车辆，具体包括下列步骤：
步骤1：全局设置
输入一个安全参数λ′，TA执行如下操作：
1)选取一个阶为q′的循环乘法群
Figure BDA00017131277200000713
选取一个生成元
Figure BDA00017131277200000714
2)生成一个系统主密钥s′以及对应的主公钥g0′。TA使用s′为车辆和RSU颁发证书。g0′是用来验证证书的有效性；
3)选择一个对称加密方案
Figure BDA00017131277200000715
以及一个MAC方案
Figure BDA00017131277200000716
对称加密方案中的对称密钥K1′和MAC方案中的对称密钥K2′具有相同的长度；
4)选取一个哈希函数H′：{0，1}*→{0，1}l′，l′是
Figure BDA00017131277200000717
和
Figure BDA00017131277200000718
中使用的密钥的比特长度；
5)公开
Figure BDA00017131277200000719
作为系统参数。
步骤2：注册
车辆在TA那里注册。对于一个车辆Vi′，首先运行NG生成一个noncen′2i和下一个状态St′2i，生成的过程为(n′2i，St′2i)←NG(μ′2i，St2i)，其中St2i是当前的状态，n′2i是一个nonce选择器；然个随后使用HE生成一机数vsi′，生成过程为vsi′←HE(xk2i，(m2i，n′2i))，其中xk2i是一个随机种子，m2i是一个消息；最后计算公钥
Figure BDA00017131277200000720
作为Vi′的公私钥对。TA给Vi′发送一个证书
Figure BDA00017131277200000721
对于一个车辆Vj′，首先运行NG生成一个noncen′2j和下一个状态St′2j，生成的过程为(n′2j，St′2j)←NG(μ′2j，St2j)，其中St2j是当前的状态，n′2j是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数vsj′，生成过程为vsj′←HE(xk2j，(m2j，n′2j))，其中xk2j是一个随机种子，m2j是一个消息；最后计算公钥
Figure BDA0001713127720000081
(vpj′，vsj′)作为Vj′的公私钥对。TA 给Vj′发送一个证书
Figure BDA0001713127720000082
步骤3：建立安全信道
未知位置的车辆Vi′进入到已知位置的车辆Vj′的通信范围内，Vi′首先验证Vj′证书
Figure BDA0001713127720000083
的有效性，验证成功之后，Vi′先运行NG生成一个noncen3i和下一个状态St′3i，生成的过程为 (n3i，St′3i)←NG(μ3i，St3i)，其中St3i是当前的状态，μ3i是一个nonce选择器；然后使用HE 生成一个随机数r′，生成过程为r′←HE(xk3i，(m3i，n3i))，其中xk3i是一个随机种子，m3i是一个消息；最后计算一个中间值u′＝g′r′，发送消息
Figure BDA0001713127720000084
给Vj′。Vi′计算会话密钥
Figure BDA0001713127720000085
pidi′和pidj′分别是Vi′和Vj′的身份标识。
Vj′接收
Figure BDA0001713127720000086
之后，首先同样是验证
Figure BDA0001713127720000087
的有效性，然后计算回话密钥
Figure BDA0001713127720000088
命名会话密钥为
Figure BDA0001713127720000089
用来建立安全信道。
步骤4：位置证明
Vi′和Vj′建立安全信道之后，Vi′和Vj′运行基于V2V通信的3D定位协议。协议分为两个阶段，第一阶段是Vi′和Vj′在一段时间内连续的通信交互位置信息，第二阶段Vi′计算3D位置信息。
第一阶段分为如下三个步骤：
1)Vj′执行如下操作：
1、Vj′获取在时刻
Figure BDA00017131277200000810
的坐标
Figure BDA00017131277200000811
和
Figure BDA00017131277200000812
代表Vj′的经纬度，ζ表示交互的次数并且初始值为1；
2、发送一个时间戳
Figure BDA00017131277200000813
给Vi′；
3、生成一个位置密文
Figure BDA00017131277200000814
和一个消息认证码
Figure BDA00017131277200000815
然后将
Figure BDA00017131277200000816
发送给Vi′；
2)Vi′在时刻
Figure BDA00017131277200000817
接收到时间戳
Figure BDA00017131277200000818
并获取此时的2D坐标
Figure BDA00017131277200000819
和
Figure BDA00017131277200000820
代表Vi′经纬度。Vi′执行如下操作：
1、发送时间戳
Figure BDA0001713127720000091
给Vj′；
2、接收到来自Vj′的消息
Figure BDA0001713127720000092
检查等式
Figure BDA0001713127720000093
是否成立，成立则计算
Figure BDA0001713127720000094
并继续执行下列步骤，否则终止；
3、生成一个位置密文
Figure BDA0001713127720000095
以及一个消息认证码
Figure BDA0001713127720000096
4、将
Figure BDA0001713127720000097
发送给Vj′；
3)Vj′在
Figure BDA0001713127720000098
接收到时间戳
Figure BDA0001713127720000099
然后Vj′执行下列操作：
1、接收到来自Vi′的消息
Figure BDA00017131277200000910
检查等式
Figure BDA00017131277200000911
是否成立，成立则计算位置
Figure BDA00017131277200000912
否则终止；
2、令ζ＝ζ+1，重复上述操作；
在第一阶段结束之时Vi′和Vj′交互了n′轮，即ζ＝n′。接下来是Vi在第二阶段计算3D位置信息。计算位置信息过程中用到的距离公式为
Figure BDA00017131277200000913
L1′和L2′分别表示值为(x1′，y1′)和(x2′，y2′)的坐标，Δ表示坐标的误差。在第二阶段Vi′执行如下操作：
1)Vi′和Vj′在同一层，计算Vi′和Vj′之间的理论距离范围
Figure BDA00017131277200000914
Figure BDA00017131277200000915
Figure BDA00017131277200000916
然后累加理论距离范围得到
Figure BDA00017131277200000917
2)Vi′和Vj′不在同一层，计算Vi′和
Figure BDA00017131277200000918
之间的理论距离范围
Figure BDA00017131277200000919
Figure BDA00017131277200000920
Figure BDA00017131277200000921
然后累加理论距离范围得到
Figure BDA0001713127720000101
3)计算Vi′和Vj′之间的可计算距离
Figure BDA0001713127720000102
C为光速然后累加可计算距离
Figure BDA0001713127720000103
4)通过比较
Figure BDA0001713127720000104
和
Figure BDA0001713127720000105
来计算Vi′和Vj′在同一层的概率
Figure BDA0001713127720000106
以及Vi′和Vj′不在同一层的概率
Figure BDA0001713127720000107
具体的计算方法如下：
(a)当
Figure BDA0001713127720000108
有下面三种情况：
i.当
Figure BDA0001713127720000109
则
Figure BDA00017131277200001010
ii.当
Figure BDA00017131277200001011
则
Figure BDA00017131277200001012
iii.当
Figure BDA00017131277200001013
并且
Figure BDA00017131277200001014
则
Figure BDA00017131277200001015
Figure BDA00017131277200001016
(b)当
Figure BDA00017131277200001017
有下面三种情况：
i.当
Figure BDA00017131277200001018
则
Figure BDA00017131277200001019
ii.当
Figure BDA00017131277200001020
则
Figure BDA00017131277200001021
iii.当
Figure BDA00017131277200001022
并且
Figure BDA00017131277200001023
则
Figure BDA00017131277200001024
Figure BDA00017131277200001025
(c)通过计算的概率
Figure BDA00017131277200001026
和
Figure BDA00017131277200001027
来判断Vi′的位置。当
Figure BDA00017131277200001028
则Vi′和Vj′在同一层；当
Figure BDA00017131277200001029
则Vi′和Vj′不在同一层，由此来确定Vi′距离地面的高度。

Claims (6)

1.一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，路边单元即RSU，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：全局设置
TA根据初始的安全参数λ运行算法生成系统公开参数
Figure FDA0002401520380000011
Figure FDA0002401520380000012
Figure FDA0002401520380000013
是一个阶为素数q的乘法循环群，H是一个哈希函数，g0是系统主公钥，g是
Figure FDA0002401520380000015
的生成元，
Figure FDA0002401520380000014
是一个对称加密方案，
Figure FDA0002401520380000016
是一个生成消息验证码MAC方案，K1，K2均为对称密钥；
步骤2：注册
车辆和RSU在TA那里注册，TA为车辆和RSU生成对应的证书并将证书发送给车辆和RSU；车辆和RSU在这一阶段也生成各自的公私钥对；
步骤3：建立安全信道
一辆需要定位的车辆行驶到一个RSU的通信范围内，车辆和RSU互发证书，证书验证有效之后，车辆和RSU运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道；
步骤4：位置证明
一旦车辆和RSU之间建立了会话密钥，车辆和RSU运行基于V2R通信的3D定位协议；协议分为两个阶段，第一阶段，车辆和RSU在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二阶段，车辆根据第一步记录的位置相关信息计算出3D位置信息；其中：
第一阶段分为如下三个步骤：
1)Rj执行如下操作：
ⅰ、发送一个时间戳
Figure FDA0002401520380000017
给Vi，η表示交互的次数，初始值为1；
ⅱ、生成一个消息认证码
Figure FDA0002401520380000018
然后将
Figure FDA0002401520380000019
发送给Vi；
2)Vi在时刻
Figure FDA00024015203800000110
接收到时间戳
Figure FDA00024015203800000111
并获取此时的2D坐标
Figure FDA00024015203800000112
Figure FDA00024015203800000113
和
Figure FDA00024015203800000114
代表Vi经纬度；Vi执行如下操作：
ⅰ、发送时间戳
Figure FDA00024015203800000115
给Rj；
ⅱ、接收到来自Rj的消息
Figure FDA00024015203800000116
检查等式
Figure FDA00024015203800000117
是否成立，成立则继续执行下列步骤，否则终止；
iii、生成一个位置密文
Figure FDA00024015203800000118
以及一个消息认证码
Figure FDA0002401520380000021
ⅳ、将
Figure FDA0002401520380000029
发送给Rj；
3)Rj在
Figure FDA00024015203800000210
接收到时间戳
Figure FDA00024015203800000211
然后Rj执行下列操作：
ⅰ、接收到来自Vi的消息
Figure FDA00024015203800000212
检查等式
Figure FDA00024015203800000213
是否成立，如果成立则计算位置坐标
Figure FDA00024015203800000214
否则终止；
ⅱ、令η＝η+1，重复上述操作；
在第一阶段结束之时Vi和Rj交互了n轮，即η＝n；接下来是Vi在第二阶段计算3D位置信息；计算位置信息过程中用到的距离公式为
Figure FDA0002401520380000022
L1和L2分别表示形为(x1,y1)和(x2,y2)的坐标，Δ表示坐标的误差；在第二阶段Vi执行如下操作：
1)计算Vi在高架桥上时和Rj之间的理论距离范围
Figure FDA00024015203800000215
Figure FDA0002401520380000023
Figure FDA0002401520380000024
然后累加理论距离范围得到
Figure FDA0002401520380000025
2)计算Vi在高架桥下时和Rj之间的理论距离范围
Figure FDA00024015203800000216
Figure FDA0002401520380000026
Figure FDA0002401520380000027
然后累加理论距离范围得到
Figure FDA0002401520380000028
3)计算Vi和Rj之间的可计算距离
Figure FDA00024015203800000217
C为光速然后累加可计算距离
Figure FDA00024015203800000218
4)通过比较
Figure FDA00024015203800000219
Figure FDA00024015203800000220
和
Figure FDA00024015203800000221
计算Vi在高架桥之上的概率
Figure FDA0002401520380000035
以及Vi在高架桥之下的概率
Figure FDA0002401520380000036
具体的计算方法如下：
(a)当
Figure FDA0002401520380000037
有下面三种情况：
i.当
Figure FDA0002401520380000038
则
Figure FDA0002401520380000039
ii.当
Figure FDA00024015203800000310
则
Figure FDA00024015203800000311
iii.当
Figure FDA00024015203800000312
并且
Figure FDA00024015203800000313
则
Figure FDA0002401520380000031
Figure FDA0002401520380000032
(b)当
Figure FDA00024015203800000314
有下面三种情况：
i.当
Figure FDA00024015203800000315
则
Figure FDA00024015203800000317
ii.当
Figure FDA00024015203800000316
则
Figure FDA00024015203800000318
iii.当
Figure FDA00024015203800000319
并且
Figure FDA00024015203800000320
则
Figure FDA0002401520380000033
Figure FDA0002401520380000034
(c)通过计算的概率
Figure FDA00024015203800000321
和
Figure FDA00024015203800000322
来判断车辆Vi的位置；当
Figure FDA00024015203800000323
则Vi在高架桥上；当
Figure FDA00024015203800000324
则Vi在高架桥下，由此来确定Vi距离地面的高度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
车辆和RSU在TA那里注册；对于一个RSURj，首先运行一个nonce生成器NG生成一个noncenj和下一个状态St′j，生成的过程为(nj,St′j)←NG(μj,Stj)，其中Stj是当前的状态，μj是一个nonce选择器；然后使用一个对冲提取器HE生成一个随机数rsj，生成过程为rsj←HE(xkj,(mj,nj))，其中xkj是一个随机种子，mj是一个消息；最后计算公钥
Figure FDA00024015203800000325
(rpj,rsj)作为Rj的公私钥对；TA给Rj发送一个证书
Figure FDA00024015203800000326
中包含Rj的位置信息
Figure FDA00024015203800000327
Figure FDA00024015203800000328
分别表示Rj的经纬度，
Figure FDA00024015203800000329
表示Rj距离地面的高度；由于Rj所在的位置是固定的，因此
Figure FDA00024015203800000330
是已知不变的；
对于一个车辆Vi，首先运行NG生成一个nonce ni和下一个状态St′i，生成的过程为(ni,St′i)←NG(μi,Sti)，其中Sti是当前的状态，μi是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数vsi，生成过程为vsi←HE(xki,(mi,ni))，其中xki是一个随机种子，mi是一个消息；最后计算公钥
Figure FDA0002401520380000043
(vpi,vsi)作为Vi的公私钥对；TA给Vi发送一个证书
Figure FDA0002401520380000044
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
RSU不停地在通信范围内广播证书，并且RSU距离地面的高度
Figure FDA0002401520380000045
高于高架桥的高度h；车辆Vi直接与距离最近的RSURj连接，建立一个安全的信道；
Vi进入到Rj的通信范围内时，Vi首先验证证书
Figure FDA0002401520380000046
的有效性，验证成功之后，Vi首先运行NG生成一个nonce n1i和下一个状态St′1i，生成的过程为(n1i,St′1i)←NG(μ1i,St1i)，其中St1i是当前的状态，μ1i是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数r，生成过程为r←HE(xk1i,(m1i,n1i))，其中xk1i是一个随机种子，m1i是一个消息；最后计算一个中间值u＝gr，发送
Figure FDA0002401520380000047
给Rj；Vi计算会话密钥
Figure FDA0002401520380000048
Figure FDA0002401520380000049
和pidi分别是Rj和Vi的身份标识；
Rj接收到
Figure FDA00024015203800000410
之后，首先验证证书
Figure FDA00024015203800000411
的有效性，然后计算会话密钥
Figure FDA0002401520380000041
Figure FDA0002401520380000042
命名会话密钥为
Figure FDA00024015203800000412
用来建立安全信道。
4.一种车载网中基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：全局设置
TA根据初始的安全参数λ′运行算法生成系统公开参数
Figure FDA00024015203800000413
Figure FDA00024015203800000414
Figure FDA00024015203800000415
是一个阶为素数q′的乘法循环群，g0′是系统主公钥，g′是
Figure FDA00024015203800000416
的生成元，
Figure FDA00024015203800000417
是一个对称加密方案，
Figure FDA00024015203800000418
是一个生成消息验证码(MAC)方案，K1′，K2′均为对称密钥；
步骤2：注册
车辆在TA那里注册，TA为车辆生成对应的证书并将证书发送给车辆；车辆在这一阶段也生成各自的公私钥对；
步骤3：建立安全信道
一辆需要定位的车辆Vi′行驶到一辆已知位置的车辆Vj′的通信范围内，Vi′和Vj′互发证书，证书验证有效之后，Vi′和Vj′运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道；
步骤4：位置证明
车辆Vi′和Vj′之间建立了安全信道，Vi′和Vj′运行基于V2V通信的3D定位协议；这个定位协议分为两个阶段；第一阶段，Vi′和Vj′在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二阶段，Vi′根据第一步记录的相关信息计算出位置信息；其中：
第一阶段分为如下三个步骤：
1)Vj′执行如下操作：
ⅰ、Vj′获取在时刻
Figure FDA0002401520380000051
的坐标
Figure FDA0002401520380000052
Figure FDA0002401520380000053
和
Figure FDA0002401520380000054
代表Vj′的经纬度，ζ表示交互的次数并且初始值为1；
ⅱ、发送一个时间戳
Figure FDA0002401520380000055
给Vi′；
iii、生成一个位置密文
Figure FDA0002401520380000056
和一个消息认证码
Figure FDA0002401520380000057
然后将
Figure FDA0002401520380000058
发送给Vi′；
2)Vi′在时刻
Figure FDA0002401520380000059
接收到时间戳
Figure FDA00024015203800000510
并获取此时的2D坐标
Figure FDA00024015203800000511
Figure FDA00024015203800000512
和
Figure FDA00024015203800000513
代表Vi′经纬度；Vi′执行如下操作：
ⅰ、发送时间戳
Figure FDA00024015203800000514
给Vj′；
ⅱ、接收到来自Vj′的消息
Figure FDA00024015203800000515
检查等式
Figure FDA00024015203800000516
是否成立，成立则计算
Figure FDA00024015203800000517
并继续执行下列步骤，否则终止；
iii、生成一个位置密文
Figure FDA00024015203800000518
以及一个消息认证码
Figure FDA00024015203800000519
ⅳ、将
Figure FDA00024015203800000520
发送给Vj′；
3)Vj′在
Figure FDA00024015203800000521
接收到时间戳
Figure FDA00024015203800000522
然后Vj′执行下列操作：
ⅰ、接收到来自Vi′的消息
Figure FDA00024015203800000523
检查等式
Figure FDA00024015203800000524
是否成立，成立则计算位置
Figure FDA00024015203800000525
否则终止；
ⅱ、令ζ＝ζ+1，重复上述操作；
在第一阶段结束之时Vi′和Vj′交互了n′轮，即ζ＝n′；接下来是Vi在第二阶段计算3D位置信息；计算位置信息过程中用到的距离公式为
Figure FDA0002401520380000061
L1′和L2′分别表示值为(x1′,y1′)和(x2′,y2′)的坐标，Δ表示坐标的误差；在第二阶段Vi′执行如下操作：
1)Vi′和Vj′在同一层，计算Vi′和Vj′之间的理论距离范围
Figure FDA00024015203800000610
Figure FDA0002401520380000062
Figure FDA0002401520380000063
然后累加理论距离范围得到
Figure FDA0002401520380000064
2)Vi′和Vj′不在同一层，计算Vi′和
Figure FDA00024015203800000611
之间的理论距离范围
Figure FDA00024015203800000612
Figure FDA0002401520380000065
Figure FDA0002401520380000066
然后累加理论距离范围得到
Figure FDA0002401520380000067
3)计算Vi′和Vj′之间的可计算距离
Figure FDA00024015203800000613
C为光速然后累加可计算距离
Figure FDA00024015203800000614
4)通过比较
Figure FDA00024015203800000615
Figure FDA00024015203800000616
和
Figure FDA00024015203800000617
来计算Vi′和Vj′在同一层的概率
Figure FDA00024015203800000618
以及Vi′和Vj′不在同一层的概率
Figure FDA00024015203800000619
具体的计算方法如下：
(a)当
Figure FDA00024015203800000620
有下面三种情况：
i.当
Figure FDA00024015203800000621
则
Figure FDA00024015203800000622
ii.当
Figure FDA00024015203800000623
则
Figure FDA00024015203800000624
iii.当
Figure FDA00024015203800000625
并且
Figure FDA00024015203800000626
则
Figure FDA0002401520380000068
Figure FDA0002401520380000069
(b)当
Figure FDA00024015203800000627
有下面三种情况：
i.当
Figure FDA0002401520380000074
则
Figure FDA0002401520380000075
ii.当
Figure FDA0002401520380000076
则
Figure FDA0002401520380000077
iii.当
Figure FDA0002401520380000078
并且
Figure FDA0002401520380000079
则
Figure FDA0002401520380000071
Figure FDA0002401520380000072
通过计算的概率
Figure FDA00024015203800000710
和
Figure FDA00024015203800000711
来判断Vi′的位置；当
Figure FDA00024015203800000712
则Vi′和Vj′在同一层；当
Figure FDA00024015203800000713
则Vi′和Vj′不在同一层，由此来确定Vi′距离地面的高度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
车辆在TA那里注册；对于一个车辆Vi′，首先运行NG生成一个nonce n′2i和下一个状态St′2i，生成的过程为(n′2i,St′2i)←NG(μ′2i,St2i)，其中St2i是当前的状态，n′2i是一个nonce选择器；然个随后使用HE生成一机数vsi′，生成过程为vsi′←HE(xk2i,(m2i,n′2i))，其中xk2i是一个随机种子，m2i是一个消息；最后计算公钥
Figure FDA00024015203800000714
(vpi′,vsi′)作为Vi′的公私钥对；TA给Vi′发送一个证书
Figure FDA00024015203800000715
对于一个车辆Vj′，首先运行NG生成一个nonce n′2j和下一个状态St′2j，生成的过程为(n′2j,St′2j)←NG(μ′2j,St2j)，其中St2j是当前的状态，n′2j是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数vsj′，生成过程为vsj′←HE(xk2j,(m2j,n′2j))，其中xk2j是一个随机种子，m2j是一个消息；最后计算公钥
Figure FDA00024015203800000716
(vpj′,vsj′)作为Vj′的公私钥对；TA给Vj′发送一个证书
Figure FDA00024015203800000717
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
未知位置的车辆Vi′进入到已知位置的车辆Vj′的通信范围内时，Vi′首先验证Vj′证书
Figure FDA00024015203800000718
的有效性，验证成功之后，Vi′先运行NG生成一个nonce n3i和下一个状态St′3i，生成的过程为(n3i,St′3i)←NG(μ3i,St3i)，其中St3i是当前的状态，μ3i是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数r′，生成过程为r′←HE(xk3i,(m3i,n3i))，其中xk3i是一个随机种子，m3i是一个消息；最后计算一个中间值u′＝g′r′，发送消息
Figure FDA00024015203800000719
给Vj′；Vi′计算会话密钥
Figure FDA00024015203800000720
pidi′和pidj′分别是Vi′和Vj′的身份标识；
Vj′接收
Figure FDA00024015203800000721
之后，首先同样是验证
Figure FDA00024015203800000722
的有效性，然后计算会话密钥
Figure FDA0002401520380000073
命名会话密钥为
Figure FDA0002401520380000081
用来建立安全信道。
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