CN109348482A - 一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，基于差分隐私保护，在参与频谱拍卖的卖家和买家上传的投标价格中加入符合几何分布的噪声，从而保护投标价格的隐私性，根据拍卖中间商获取的加入噪声的投标价格，采用匹配的方法来确定拍卖获胜的卖家和买家，并且将拍卖获胜的卖家所拥有的频谱分配给获胜的买家。本发明的优势在于：差分隐私保护较已有的加密算法，能更简单有效的保护拍卖买家和卖家的隐私信息，并且降低算法的复杂度，提高整个拍卖过程的效率，具有实际可行性；相比现有的频谱拍卖算法，差分有隐私保护能够在保护卖家和买家投标信息的隐私的前提下，高效地完成频谱双边拍卖。

Description

一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法

技术领域

本发明属于网络通信领域，具体地说是提出了一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，用以保护拍卖参与者的投标信息的隐私。

背景技术

双边拍卖方法广泛用于当前的频谱交易，而在现有的双边拍卖设计中，通常将需求相同频谱的买家进行分组，并形成一个超级买家，然后每个超级买家进行出价。因此，双边拍卖被转变为多个单一卖家-超级买家的拍卖过程。这可能导致拍卖不真实，因为买家可以操纵他们的出价以减少他们在超级买家出价中的份额，同时该超级买家也赢得拍卖。另一方面，现有的频谱拍卖方法要求每个参与者上传其真实投标价格，而一旦上传了参与者的真实投标价格，其他参与者可以根据拍卖结果推断出参与者的估值。然而，大多数现有的频谱拍卖机制不考虑隐私保护拍卖或仅仅关注单边拍卖中的投标隐私。然而，很少研究如何设计隐私保护双边拍卖方法。以前，加密是设计隐私保护方法的主要工具，但它经常会产生很高的计算和通信开销，并且加密机制的性能可能会受到很大影响。

差分隐私是当今隐私保护领域的研究热点。差分隐私保护的概念，旨在提供有关数据库的极其准确的信息，同时确保非常高的隐私水平。直观地，差分隐私使得可以从私人统计数据库收集和共享聚合信息，同时保持个人用户的数据完全私密。因此，当利用差分隐私时，几乎没有人能够对参与者的出价做出准确的推断，同时防止一些外部观察者或攻击者学习参与者的特定信息。所有，设计基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法有利于提高频谱分配的效率与真实性，并且保护参与者的投标信息的隐私。

发明内容

本发明针对大多数现有的频谱拍卖机制不考虑隐私保护拍卖或仅仅关注单边拍卖中的投标隐私的问题，提出了一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法。

本发明的技术方案是：

一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，该方法包括以下步骤：

S1：买家和卖家分别对频谱进行出价，然后在投标价格中加入符合几何分布的噪声，再将有噪声的投标价格上传至拍卖中间商；

S2：拍卖中间商收到买家和卖家上传的投标价格后，先对投标价格进行解密，然后确定拍卖的清算价格，最后确定获胜的买家和卖家；

S3：拍卖中间商根据获胜的买家之间构成的冲突图和偏好，将获胜的卖家所拥有的频谱分配给获胜的买家。

进一步地，一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，所述的步骤S1具体为：

S101：每个卖家增加一个符合几何Geom(α)分布的噪声其中i＝1，2，3，...m，m表示卖家的个数。表示卖家s_i的投标价格加入噪声之后的投标价格，每个买家增加一个符合几何Geom(α)分布的噪声其中j＝1，2，3，...n，n表示买家的个数。表示买家r_j的投标价格加入噪声之后的投标价格，

S102：拍卖中间商选取随机参数g和m+1个随机密钥sk₀，sk₁，...，sk_m，并且sk₀＝-(sk₁+sk₂+…+sk_m)；每个卖家获得密钥sk_i，拍卖中间商获得密钥sk₀；卖家s_i使用密钥sk_i将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

其中H(·)表示哈希函数，拍卖中间商再选取n+1个随机密钥sl₀，sl₁，...，sl_n，并且sl₀＝-(sl₁+sl₂+…+sl_n)；每个买家获得密钥sl_j，拍卖中间商获得密钥sj₀；买家r_j使用密钥sl_j将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

S103：每个卖家s_i和买家r_j将加密之后的有噪声的投标价格上传至拍卖中间商。

进一步地，一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，所述的步骤S2具体为：

S201：拍卖中间商使用密钥sk₀将所有卖家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sk_i的总和为0，所以解密公式变为：

S202：拍卖中间商通过下述公式获得卖家的投标价格总和；

S203：拍卖中间商使用密钥sl₀将所有买家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sl_i的总和为0，所以解密公式变为：

S204：拍卖中间商通过下述公式获得买家的投标价格；

S205：拍卖中间商解密所有卖家和买家的投标价格后，根据投标价格的大小，对所有卖家进行升序排列；

然后对所有买家进行降序排列；

S206：拍卖中间商采用下述公式确定拍卖的清算价格；

进一步地，一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，所述的步骤S3具体为：

S301：针对每个获胜的卖家s_i，所有的获胜买家构成一个冲突关系图在冲突关系图中，每个顶点表示买家r_j，两个顶点之间的连线表示这两个买家同时使用卖家s_i的频谱会产生干扰；

S302：拍卖中间商采用多对多的匹配算法，从买家排序队列R₁中的出价最高的买家开始，根据的偏好，把分配给最想要接入的卖家，然后依次分配队列R₁中剩余的买家，当出现多个买家最想要接入同一个频谱的情况，判断这些买家在S301步骤中确定的冲突关系图中是否存在干扰，如果存在干扰，则把还未分配频谱的买家分配给它第二想要接入的卖家的频谱；如果不存在干扰，则把这些互不干扰的买家分配给同一个卖家；一直到买家排序队列R₁中的买家全部分配完毕。

本发明的技术优势：

1.在没有高额计算量和通信开销的情况下保护拍卖参与者的隐私；

2.采用多对多的匹配方法，在考虑参与者的偏好的前提下，实现获胜参与者的频谱分配；

3.与现有的双边频谱拍卖方法进行对比，在频谱分配效率和参与者隐私保护方面实现更好的性能。

附图说明

图1为本发明的机制框图。

图2为成功分配的获胜买家的个数。

图3为获胜卖家的收益。

图4为获胜买家的满意度。

图5为差分隐私保护效率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步地说明。

本发明是根据匹配理论和差分隐私保护的技术特点，设计的一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，重点解决以下两个问题：

(1)拍卖的参与者必须向拍卖中间商上传他们的真实投标信息以便在双边拍卖中确定价格，而其他参与者可能会根据双边拍卖的结果推断出该参与者的真实估值，这使得它受到关键信息泄漏的问题。

(2)现有的双边拍卖方法中，获胜的买家和卖家的设计方法缺乏对参与者偏好的考虑。

本发明的主要思想是：将差异隐私机制和匹配理论与双边拍卖相结合，以实现投标价格信息的隐私保护和参与者收入的最大化。

具体来说，一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，该方法包括以下步骤：

S1：买家和卖家分别对频谱进行出价，然后在投标价格中加入符合几何分布的噪声，再将有噪声的投标价格上传至拍卖中间商；

S101：每个卖家增加一个符合几何Geom(α)分布的噪声其中i＝1，2，3，...m，m表示卖家的个数。表示卖家s_i的投标价格加入噪声之后的投标价格，每个买家增加一个符合几何Geom(α)分布的噪声其中j＝1，2，3，...n，n表示买家的个数。表示买家r_j的投标价格加入噪声之后的投标价格，

S102：拍卖中间商选取随机参数g和m+1个随机密钥sk₀，sk₁，...，sk_m，并且sk₀＝-(sk₁+sk₂+…+sk_m)；每个卖家获得密钥sk_i，拍卖中间商获得密钥sk₀；卖家s_i使用密钥sk_i将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

其中H(·)表示哈希函数，拍卖中间商再选取n+1个随机密钥sl₀，sl₁，...，sl_n，并且sl₀＝-(sl₁+sl₂+…+sl_n)；每个买家获得密钥sl_j，拍卖中间商获得密钥sj₀；买家r_j使用密钥sl_j将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

S103：每个卖家s_i和买家r_j将加密之后的有噪声的投标价格上传至拍卖中间商。

S2：拍卖中间商收到买家和卖家上传的投标价格后，先对投标价格进行解密，然后确定拍卖的清算价格，最后确定获胜的买家和卖家；

S201：拍卖中间商使用密钥sk₀将所有卖家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sk_i的总和为0，所以解密公式变为：

S202：拍卖中间商通过下述公式获得卖家的投标价格总和；

S203：拍卖中间商使用密钥sl₀将所有买家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sl_j的总和为0，所以解密公式变为：

S204：拍卖中间商通过下述公式获得买家的投标价格；

S205：拍卖中间商解密所有卖家和买家的投标价格后，根据投标价格的大小，对所有卖家进行升序排列；

然后对所有买家进行降序排列；

S206：拍卖中间商采用下述公式确定拍卖的清算价格；

S3：拍卖中间商根据获胜的买家之间构成的冲突图和偏好，将获胜的卖家所拥有的频谱分配给获胜的买家；

S301：针对每个获胜的卖家s_i，所有的获胜买家构成一个冲突关系图在冲突关系图中，每个顶点表示买家r_j，两个顶点之间的连线表示这两个买家同时使用卖家s_i的频谱会产生干扰；

S302：拍卖中间商采用多对多的匹配算法，从买家排序队列R₁中的出价最高的买家开始，根据的偏好，把分配给最想要接入的卖家，然后依次分配队列R₁中剩余的买家，当出现多个买家最想要接入同一个频谱的情况，判断这些买家在S301步骤中确定的冲突关系图中是否存在干扰，如果存在干扰，则把还未分配频谱的买家分配给它第二想要接入的卖家的频谱；如果不存在干扰，则把这些互不干扰的买家分配给同一个卖家；一直到买家排序队列R₁中的买家全部分配完毕。

具体实施时：

本发明在Matlab软件中进行了如图1所示的双边频谱拍卖过程的仿真，并对所提出的方法的进行了性能测试。该双边频谱拍卖过程包括10个卖家，并且提供10个可用的频谱，卖家被随机部署在1000x1000m2的区域内；买家的数量从5到40变化，并设置买家的发射端和接收端之间的距离为20m，此外任意两个买家之间的距离不小于50m以避免通信范围的重叠，而买家和卖家之间的距离从20m到80m随机部署。每个卖家的频谱请求和每个买家的频谱需求满足(0，1]的均匀分布，并且他们的出价在(1，10]中随机选择；所有的性能测试结果均为2000次运行的平均值。

为了体现本发明提出的方法MastDP的优势，对比了现有的两种不同双边频谱拍卖方法Random和Grouping。Grouping是指双边拍卖方法中的分组算法，它将买家进行分组，并根据组的出价对买家进行排序。Random是指不考虑参与者偏好的随机分配算法。

图2显示了MastDP和Random和Grouping对买家的接受数量的比较结果。从图中可以看出，随着买家数量的增加，MastDP中接受的买家数量多于Random和Grouping，并且呈线性增加的趋势。由于卖家的收入取决于清算价格和接受的SU的数量，如图3所示，接受了更多的买家的MastDP可以获得更高的收入。通过买家满意度的度量来评估MastDP中匹配算法的性能，买家满意度是满足其最想接入的频谱的买家数量。图4表明买家的满意度随着SU的增加几乎线性增加，这反映出与Random和Grouping相比，MastDP不仅可以获得更好的性能，还可以提高买家参与拍卖的积极性。

图5和图6分别给出了在不同差异隐私级别下，可接受的买家数量和卖家的收益。由图可以发现在加入噪声之后，所接受的买家数量和卖家的收益的表现比在不考虑隐私保护的情况下，性能略差。

综上可知：本发明所提出的方法MastDP，不仅可以保护拍卖参与者的投标信息的隐私，而且可以准确、高效地分配频谱。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同交换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (4)

1.一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

S1：买家和卖家分别对频谱进行出价，然后在投标价格中加入符合几何分布的噪声，再将有噪声的投标价格上传至拍卖中间商；

S2：拍卖中间商收到买家和卖家上传的投标价格后，先对投标价格进行解密，然后确定拍卖的清算价格，最后确定获胜的买家和卖家；

S3：拍卖中间商根据获胜的买家之间构成的冲突图和偏好，将获胜的卖家所拥有的频谱分配给获胜的买家。

2.根据权利要求1所述的一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：

S101：每个卖家增加一个符合几何分布Geom(α)的噪声其中i＝1，2，3，...m，m表示卖家的个数。表示卖家s_i的投标价格加入噪声之后的投标价格，每个买家增加一个符合几何分布Geom(α)的噪声其中j＝1，2，3，...n，n表示买家的个数。表示买家r_j的投标价格加入噪声之后的投标价格，

S102：拍卖中间商选取随机参数g和m+1个随机密钥sk₀，sk₁，...，sk_m，并且sk₀＝-(sk₁+sk₂+…+sk_m)；每个卖家获得密钥sk_i，拍卖中间商获得密钥sk₀；卖家s_i使用密钥sk_i将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

其中H(·)表示哈希函数，拍卖中间商再选取n+1个随机密钥sl₀，sl₁，...，sl_n，并且sl₀＝-(sl₁+sl₂+…+sl_n)；每个买家获得密钥sl_j，拍卖中间商获得密钥sj₀；买家r_j使用密钥sl_j将加入噪声的投标价格进行加密，加密公式为：

S103：每个卖家s_i和买家r_j将加密之后的有噪声的投标价格上传至拍卖中间商。

3.根据权利要求1所述的一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：

S201：拍卖中间商使用密钥sk₀将所有卖家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sk_i的总和为0，所以解密公式变为：

S202：拍卖中间商通过下述公式获得卖家的投标价格总和；

S203：拍卖中间商使用密钥sl₀将所有买家上传的加密之后的有噪声的投标价格的总和进行解密，解密公式为：

由于并且sl_j的总和为0，所以解密公式变为：

S204：拍卖中间商通过下述公式获得买家的投标价格；

S205：拍卖中间商解密所有卖家和买家的投标价格后，根据投标价格的大小，对所有卖家进行升序排列；

然后对所有买家进行降序排列；

S206：拍卖中间商采用下述公式确定拍卖的清算价格；

4.根据权利要求1所述的一种基于匹配和差分隐私保护的频谱双边拍卖方法，其特征在于，所述的步骤S3具体为：

S301：针对每个获胜的卖家s_i，所有的获胜买家构成一个冲突关系图在冲突关系图中，每个顶点表示买家r_j，两个顶点之间的连线表示这两个买家同时使用卖家s_i的频谱会产生干扰；

S302：拍卖中间商采用多对多的匹配算法，从买家排序队列R₁中的出价最高的买家开始，根据的偏好，把分配给最想要接入的卖家，然后依次分配队列R₁中剩余的买家，当出现多个买家最想要接入同一个频谱的情况，判断这些买家在S301步骤中确定的冲突关系图中是否存在干扰，如果存在干扰，则把还未分配频谱的买家分配给它第二想要接入的卖家的频谱；如果不存在干扰，则把这些互不干扰的买家分配给同一个卖家；一直到买家排序队列R₁中的买家全部分配完毕。