CN109362076A

CN109362076A - 一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法

Info

Publication number: CN109362076A
Application number: CN201811457875.9A
Authority: CN
Inventors: 王骞; 陈艳姣; 黄晶; 田歆
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-02-19

Abstract

本发明涉及一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，设计模块化的用户隐私保护机制，通过采用密码学工具和安全多方计算，能够提供用户全方位的隐私保护，包括地理位置，出价值，对频谱的需求量等。解决频谱拍卖过程中用户隐私信息泄露的问题。整个过程中，确保建立了安全拍卖协议的步骤，不会有任何隐私泄漏，同时确保在引入隐私保护机制后，频谱拍卖模型保持原有的经济学特性，维护频谱市场的公平性。

Description

一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法

技术领域

本发明属于网络安全领域，涉及一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法。

技术背景

随着无线通讯产业的快速发展，频谱这种通讯资源逐渐变得稀缺。传统的静态频谱分配的方案将频谱长时间地分配给固定用户，例如广播电视服务商或者移动运营商等使用者。但是在实际情况中，频谱的现任所属人在大多数时间并没有使用分配的频谱资源进行数据传输，所拥有的频谱资源长期处于闲置状态，没有得到有效利用。对比之下，存在着大量的需要频谱服务的无线网络用户，例如依靠共享频谱运营的无牌照的无线传输业务(如Wi-Fi)。为了提高频谱资源的利用率，减少频谱稀缺带来的问题。研究者提出，通过频谱拍卖的方式，将频谱资源动态分配，确保公平性的同时提高分配的效率。在传统的频谱拍卖中，一般委托可信的第三方担任拍卖商，用户(包括卖家和买家)将参与拍卖的信息，如卖家的要价、买家的出价地理位置及频谱需求量，提交给拍卖商，拍卖商运行特定的频谱拍卖机制，决定拍卖的结果。

在设计频谱拍卖机制的过程中，需要考虑到频谱的可复用性和拍卖的真实性。频谱的可复用性是指，多个用户只要他们两两之间互不干扰，他们可以用同一频谱信道传输数据，从而提高频谱资源的利用率。拍卖的真实性是一种经济学特性，是指在频谱拍卖的过程中，卖家和买家的出价和要价应该能够反映其使用频谱所能获得的真实价值。从而防止用户对价格的恶意操控，最终实现社会福利的最优化，拍卖的真实性可以通过设计合理的拍卖机制实现。除此之外，现有的频谱拍卖方案大多关注同质频谱拍卖，而现实生活中，卖家提供的频谱往往是异构的，拥有不同的干扰域，用户对不同的频谱往往有不同的偏好和出价值，所以设计异构频谱的拍卖方案有很强的实际应用价值。

为了保证频谱拍卖过程中的真实性、可复用性、异构性，竞标者需要将其对不同频谱的真实估值作为出价值、用户的地理位置实现频谱的复用并传送给拍卖方。而这些信息属于用户的私人隐私信息，比如用户的出价值能够反映投标人的经济情况和获得频谱的利润，用户的地理位置会泄露用户的商业模式和无线服务提供商。总之，这些敏感信息一旦泄露，会给知情的实体提供信息优势，给被泄露者带来经济损失。所以，设计一套能够保护用户全方位隐私信息的频谱拍卖系统势在必行。

发明内容

本发明的目的是克服现有的方案对用户隐私信息保护的不足，提供一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：

S1代理方生成并公布加密密匙，并将公匙公开；

S2卖家买家分别将拍卖信息通过代理方的公匙加密并传递给拍卖方；

S3拍卖方根据加密后位置信息，对相同频谱需求的买家进行频谱传输干扰分析，将不产生频谱干扰的买家分到相同的组，得到买家分组；

S4以组为单位求出买家分组的最小出价值；

S5将匹配成功的买家分组根据出价值由大到小进行排序，然后将匹配成功的卖家的出价值由小到大进行排序，然后找到相应的最大的K值，使得第K大的买家分组的出价值大于等于第K小的卖家的要价值，然后将前K-1组出价值最大的买家分组加入备选项G_c和将前K-1组出价值最小的卖家加入备选项S_c中；

S6将备选项G_c和备选项S_c中能匹配的买家和卖家加入赢家集合S_w中；

S7在赢家集合中按步骤s5中的排序和比较方式找出第k组作为最终的频谱分配结果，完成频谱分配过程。

进一步地，步骤s3中两两买家使用相同频谱传输是否相互干扰的判断公式为：

E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)＜E((2r_c)²)

其中w_i和w_j表示两买家，两个买家w_i和w_j提供的加密的位置信息(E(x_i),E(y_i))和(E(x_j),E(y_j))，两买家使用频谱s_c的干扰半径E(r_c)。

更进一步地，所述频谱传输是否相互干扰的判断公式，根据同态加密的性质结合混淆电路进行判断，具体包括：

S3.1根据同态加密的性质，拍卖商可以完成俩密文之间的加法减法操作；对于密文E(a)和E(b)，可得E(a+b)＝E(a)·E(b)，E(a-b)＝E(a)·E(b)^-1；由此，拍卖商得到E(x_i-x_j)，E(y_i-y_j)和E(2r_c)的值；

S3.2拍卖商首先生成两个随机数r_a和r_b，并根据步骤1中的密文加法操作，得到E(a+r_a)和E(b+r_b)并传输给代理方；代理方通过解密秘钥进行解密，得到(a+r_a)和(b+r_b)并在明文域上获取(a+r_a)·(b+r_b)；代理方做加密后将E((a+r_a)·(b+r_b))传递给拍卖方；拍卖方根据步骤1中密文的加法减法运算，得到E(a·b)＝E((a+r_a)·(b+r_b))·E(a)^-rb·E(b)^-ra·E(r_ar_b)^-1；综上，拍卖商通过与代理方的协作，可以获取E((x_i-x_j)²)和E((y_i-y_j)²)，进而得到E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)和E((2r_c)²)的值；

S3.3拍卖商将E(a+r_a)，E(b+r_b)，混淆电路以及r_a和r_b的混淆值传输给代理方；代理方解密得到(a+r_a)和(b+r_b)，并通过与拍卖方进行无视传输(oblivious transfer)得到(a+r_a)和(b+r_b)的混淆值；然后拍卖商和代理方共同运行附图二(b)所示的加密电路，得到比较结果x，若x＝0则a＜b，否则a≥b；综上，拍卖商通过与代理方的合作，比较两密文E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)和E((2r_c)²)的大小，从而判断公式E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)＜E((2r_c)²)是否成立。

再进一步地，步骤s4中买家分组g_i中所有的买家w_j对他们匹配到的频谱σ(g_i)的最小出价值，根据步骤s3.3方法，逐对判断两两买家出价的密文值的大小，然后选取出价值较低的那一个，依次和下一个出价密文对比，最终求得出价值中的最小值进行计算。

再进一步地，所述买家分组的出价排序和卖家出价排序均采用s3.3的方法，先判断相比较的密文大小，然后进行排序。

本发明的优点在于：1、拍卖过程中安全性、高效性和正确性之间的平衡。本发明采用安全有效的同态加密算法对用户的数据信息进行加密，同时利用加密电路等密码学技术，设计出一系列对密文数据的操作。同时计算开销和通信开销在拍卖方和代理方角度应该都是可以接受的，不会为参与者带来过多的拍卖开销，并保障算法的正确可靠。2、本发明设计的具有隐私保护特性的动态频谱分配机制能够扩展用于各种频谱分配模型。我们针对频谱分配模型共有的重要阶段，设计模块化的用户隐私保护机制，使得各模块可以方便地被修改、更新和拓展，将隐私保护机制应用于具体的频谱分配模型。

附图说明

图1为本发明实施的系统流程图。

图2为本发明提出的安全比较协议的流程图。

图3为本发明提出的安全比较协议的加密电路结构图。

图4为本发明具体实施例中买家分组和卖家之间的匹配结果。

图5为本发明具体实施例中频谱分配结果。

图6为本发明的效率对比图之用户满意度。

图7为本发明的效率对比图之社会利益。

图8为本发明的系统时间开销之卖家数量变化。

图9为本发明的系统时间开销之买家数量变化。

图10为本发明的方案的系统传输开销之卖家数量变化。

图11为本发明的方案的系统传输开销之买家数量变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

本发明所设计的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，具体如下：假设有M＝4个卖家S＝{s₁,s₂,s₃,s₄}和N＝6个买家W＝{w₁,w₂,...,w₆}，其中各个卖家的要价值分别为：每个买家对各个卖家提供的频谱的出价值分别为(0,9,0,0)，(5,3,0,4)，(5,0,0,0)，(4,7,5,6)，(0,4,3,0)和(0,0,7,0)，各个卖家的地理位置分别为(3,3)，(3,4)，(6,6)，(3,1)，(4,3)和(7,8)。这里，为了让实例简单易懂，我们假设每个频谱的干扰半径都相同也就是r₁＝r₂＝r₃＝r₄＝2。具体实施过程如下：

步骤1，代理方生成同态加密算法的公钥和私钥(pk,sk)，并将公钥pk公开。卖家和买家对他们各自的拍卖信息进行加密。例如卖家s_i加密后的频谱要价值为以及加密后的频谱干扰半径为E(r_i)，买家w_i对各个频谱的的出价值密文为其中若则相应的用占位符⊥代替，加密后的地理位置(E(x_i),E(y_i))。买家和卖家将他们加密后的信息数据传递给拍卖方。

实施例具体的实施过程说明如下：

代理方初始化Paillier同态加密算法的公钥和私钥，并将公钥pk公开。各卖家加密后的要价值为(E(7),E(4),E(5),E(2))，干扰半径为(E(2),E(2),E(2),E(2))。各买家加密后出价值分别为(⊥,E(9),⊥,⊥)，(E(5),E(3),⊥,E(4))，(E(5),⊥,⊥,⊥)，(E(4),E(7),E(5),E(6))，(⊥,E(4),E(3),⊥)，(⊥,⊥,E(7),⊥)，加密后的地理位置分别为(E(3),E(3))，(E(3),E(4))，(E(6),E(6))，(E(3),E(1))，(E(4),E(3))，和(E(7),E(8))。买家和卖家将各自的密文信息传输给拍卖方。

步骤2，拍卖方构造矩阵A＝{a_i,j|a_i,j∈{0,1}}_N×M，表示用户与频谱之间的可使用关系，其中a_i,j＝1表示买家w_i对s_j提供的频谱的出价值不为0，所以买家w_i可以获取卖家s_j提供的频谱资源；反之，a_i,j＝0。

实施例具体的实施过程说明如下：

拍卖方根据买家对各个频谱的出价值构造可获得性矩阵，例如对于买家w₂对s₁提供的频谱的出价值为E(5)不为⊥，表示买家w₂对s₁的出价值不为0，所以设置a_2,1＝1，表示买家w₂可以获取s₁提供的频谱资源。综上拍卖方获得矩阵：

步骤3，拍卖方构造干扰矩阵T＝{t_c,i,j|t_c,i,j∈{0,1}}_M×N×N其中t_c,i,j表示两个买家w_i和w_j是否能够同时使用频谱s_c。如果两个用户之间互不干扰，则t_c,i,j＝1反之t_c,i,j＝0。我们设计一套安全机制，根据两个买家w_i和w_j提供的加密的位置信息(E(x_i),E(y_i))和(E(x_j),E(y_j))，以及他们使用频谱s_c的干扰半径E(r_c)，判断这两名买家使用频谱s_c传输是否相互干扰也就是判断公式E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)＜E((2r_c)²)是否成立。

实施例具体的实施过程说明如下：

当每个频谱的干扰半径都相同也就是r₁＝r₂＝r₃＝r₄＝2时，各个买家在各个频谱上构造的干扰矩阵都相同，所以这里我们将矩阵T简化为一个二维矩阵。例如对于买家w₁和w₂，拍卖方根据他们的密文地理位置信息(E(3),E(3))和(E(3),E(4))，判断两个买家是否互相干扰也就是判断公式E((3-3)²+(3-4)²)＜E((2×2)²)是否成立，根据密文的加法减法乘法和比较运算，该公式成立。所以t_c,1,2＝t_c,2,1＝0表示买家w₁和w₂在各个频谱上都不会互相干扰。综上拍卖方获得干扰矩阵：

步骤4，拍卖方根据频谱可获得性矩阵A和干扰矩阵T对用户进行分组。具体来说，对于每一个频谱s_c，其中1≤c≤M，拍卖商构造用户集合Q_c＝{w_i|w_i∈W,a_i,c＝1}表示所有可以获取频谱资源s_c的买家集合。然后，拍卖商根据贪心算法求得在频谱资源s_c上的用户的最大独立集IS_c。然后对于1≤c≤M，拍卖商选取集合中元素最多的IS_c，将该独立集中的买家作为一组。然后拍卖商对剩下的买家用户重复刚才的方法进行分组，最终得到买家分组G＝{g₁,g₂,...,g_H}。

实施例具体的实施过程说明如下：

根据可获得性矩阵A和干扰矩阵T对用户进行分组。首先拍卖商构造用户集合Q₁＝{w₂,w₃,w₄}，Q₂＝{w₁,w₂,w₄,w₅}，Q₃＝{w₄,w₅,w₆}，Q₄＝{w₂,w₄}，表示可以获取各个频谱资源的买家集合。然后根据贪心算法求得在各个频谱资源上的用户的最大独立集，将买家用户分为4组分别是g₁＝{w₁}，g₂＝{w₂,w₄}，g₃＝{w₃}，g₄＝{w₅,w₆}。

步骤5，拍卖方根据分组结果对用户组与频谱资源做两两匹配。拍卖方首先构造用户组与频谱资源的二分关系图BG＝(G,S,E)，其中G表示用户组，S表示频谱信息，如果用户组g_i中的所有用户都能获取频谱s_j，则将g_i和s_j相连，在E中添加连接信息。然后根据匈牙利算法实现二分图的最大匹配。用σ表示匹配的结果，其中σ(s_j)＝g_i和σ(g_i)＝s_j表示买家分组g_i和频谱s_j相互匹配。

实施例具体的实施过程说明如下：

拍卖方根据分组结果构造用户组与频谱资源的二分关系图BG＝(G,S,E)如下图所示，例如用户组g₂＝{w₂,w₄}中的所有用户都能获取频谱{s₁,s₃,s₄}，所以将g₂与s₁,s₃,s₄分别相连。然后根据匈牙利算法实现二分图的最大匹配，如附图三中所示的实线部分即为匹配结果。所以σ(g₁)＝s₂，σ(g₂)＝s₄，σ(g₃)＝s₁，σ(g₄)＝s₃。

步骤6，求用户分组相对于其匹配的频谱的出价值。假设买家分组g_i和频谱σ(_i)g相互匹配，则买家分组g_i对频谱σ(g_i)的出价值其中表示买家分组g_i中所有的买家w_j对他们匹配到的频谱σ(g_i)的最小出价值，表示大家都可以接受的频谱出价值，然后乘以分组中的人数|g_i|表示集体能够承担的出价值作为买家分组g_i的出价值。

实施例具体的实施过程说明如下：

拍卖方求用户分组相对于其匹配的频谱的出价值。买家分组g₁对频谱s₂的出价值同理拍卖方得到买家分组{g₂,g₃,g₄}的出价值

步骤7，拍卖商将匹配成功的买家分组根据出价值由大到小进行排序，然后将匹配成功的卖家的出价值由小到大进行排序，然后找到相应的最大的K值，使得第K大的买家分组的出价值大于等于第K小的卖家的要价值，然后将前K-1组出价值最大的买家分组加入备选项G_c和将前K-1组出价值最小的卖家加入备选项S_c中。

实施例具体的实施过程说明如下：

拍卖商将匹配成功的买家和卖家分别排序，排序的结果如附图四所示。然后找到相应的最大的K＝3，使得第3大的买家分组的出价值大于等于第3小的卖家的要价值。前K-1＝2组出价值最大的买家分组组成G_c＝{g₁,g₂}，前K-1＝2组出价值最小的卖家组成S_c＝{s₄,s₂}。

步骤8，对于所有属于备选项G_c中的买家分组，只有当其对应的匹配卖家也属于备选项S_c中时，才能将该买家分组加入赢家集合G_w中，所有属于该分组的买家加入赢家集合B_w中，为其分配对应的匹配频谱，并将对应频谱的提供者加入赢家集合S_w中。

实施例具体的实施过程说明如下：

由上图可见对于属于备选项G_c中的买家分组g₁,g₂，其对应的匹配卖家s₂,s₄也属于备选项S_c中，所以赢家集合G_w＝{g₁,g₂}，所有属于该分组的买家加入赢家集合B_w＝{w₁,w₂,w₄}中，对应频谱的提供者加入赢家集合S_w＝{s₄,s₂}。

步骤9，拍卖商为所有的赢家进行定价。所有属于赢家集合G_w中的买家分组他们的定价值为步骤7中第K组出价值最大的买家分组的出价值，该买家分组中的所有买家平分均摊该价格。所有属于赢家集合S_w的卖家分组他们的定价值为步骤7中第K组要价值最小的卖家的要价值。

实施例具体的实施过程说明如下：

步骤7中第K＝3组出价值最大的买家分组的出价值为6，第K＝3组要价值最小的卖家的要价值5。所以G_w中买家分组的出价值组内的买家平分该价格，所以S_w中卖家分组的定价值

步骤10，拍卖商将最终的频谱分配的结果，包括获得频谱的买家，卖出频谱的卖家，以及他们的定价值公布出去，完成频谱的分配过程。

实施例具体的实施过程说明如下：

拍卖商将最终频谱分配的结果即买家集合B_w＝{w₁,w₂,w₄}，对应的价格卖家集合S_w＝{s₄,s₂}对应的价格公布给赢家。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明专利的范围，凡是利用本发明说明书及附图说明所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护的范围内。

Claims

1.一种具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：

S1代理方生成并公布加密密匙，并将公匙公开；

S4以组为单位求出买家分组的最小出价值；

S7在赢家集合中按步骤s4中的排序和比较方式找出第k组作为最终的频谱分配结果，完成频谱分配过程。

2.根据权利要求1所述的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：步骤s3中两两买家使用相同频谱传输是否相互干扰的判断公式为：

E((x_i-x_j)²+(y_i-y_j)²)＜E((2r_c)²)

3.根据权利要求2所述的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：所述频谱传输是否相互干扰的判断公式，根据同态加密的性质结合混淆电路进行判断，具体包括：

4.根据权利要求3所述的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：步骤s4中买家分组g_i中所有的买家w_j对他们匹配到的频谱σ(g_i)的最小出价值；可以根据权利要求书2所述步骤3的方法逐对判断两两买家出价的密文值的大小，然后选取出价值较低的那一个，依次和下一个出价密文对比，最终求得出价值中的最小值进行计算。

5.根据权利要求4所述的具有隐私保护特性的动态频谱分配方法，其特征在于：

买家分组的出价排序和卖家出价排序均采用s3.3的方法，先判断相比较的密文大小，然后进行排序。