CN111954220B - 一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法，其步骤包括1、通过对不同频谱的组合定价确定该报价下的对应的收益以及分配方案；2、通过差分隐私机制，以总福利值为可用性函数对定价进行保护；3、确定最后定价，并且根据最终选定的定价，得到对应分配方式。本发明能显著解决传统单向异质频谱拍卖中的隐私泄露问题，从而能有效保护报价信息的同时，实现高效率的频谱分配。

Description

一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体的说是一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法。

背景技术

随着无线通信产业的飞速发展，无线电技术已经对我们的生活产生了深远的影响。特别是近年来智能移动终端和4G、5G技术的飞速发展，使得无线通信设备保有量以及基于无线通信的服务呈指数增长，然而，无线电频谱作为无线通信中不可或缺的宝贵资源，已经难以满足人们日益增长的无线通信需求。因此，如何设计一种合理的激励机制促使现有的频谱持有者将频段提供给新的频谱需求者使用，从而提高频谱的利用率，已成为各国无线电管理机构的迫切需求。

拍卖是一种效率较高的频谱分配方法，通过合理的激励机制使竞买者根据自身效用提交自己的报价获得最好的效用，通过把空闲频谱持有者分配给多个频谱竞买者，提高了频谱资源的利用率，缓解了频谱紧缺的现状。

目前，大多数的动态频谱拍卖仅仅考虑单向同质的情况，单向频谱拍卖表示多个买家对所有的卖家的频谱都感兴趣且有报价，同质表示干扰距离相同，用户对所有频段出同样的价格，并且针对不同的频段构造干扰关系图是相同的。这里的干扰距离针对每个频谱，它都会有一个距离的属性，当两个买家之间的距离大于干扰距离时，则表示互相不干扰。单向同质频谱拍卖由于用户对于所有频段出同样的价格，导致这种方案对于频谱利用率不高，同时买家的满意度也大打折扣。同时，攻击者可以根据拍卖结果推断出云用户的报价，从而导致报价信息泄露。一个隐私保护云拍卖机制不应该泄露除拍卖结果外有关报价的相关信息。因此隐私泄露的问题仍需要解决。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法，以期能实现单向异质频谱资源的高效率分配，并使用差分隐私的方法保护报价信息，从而解决拍卖过程中的安全性问题。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法的特点是应用在由一个频谱提供方和n个频谱竞买方组成的拍卖系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

步骤1.1、所述频谱提供方作为拍卖者参与拍卖过程，所述频谱提供方持有m段异质的频谱S＝(s₁,s₂,…,s_i,…,s_m)，其中s_i表示第i段频谱，并有：s_i＝{D_i,rad_i}；其中D_i为第i段频谱s_i的描述，rad_i为第i段频谱s_i的干扰半径；

步骤1.2、第j个频谱竞买方的需求为r_j＝{X_j,B_j,L_j}，其中X_j表示第j个频谱竞买方的请求信息，并有X_j＝{x_i,j}_1≤i≤m，x_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i是否感兴趣，若x_i,j＝1，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i感兴趣；若x_i,j＝0，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i不感兴趣；

令第j个频谱竞买方的报价集合为B_j＝{b_i,j}_1≤i≤m，b_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

令L_j＝{l_i,j}_1≤i≤m表示第j个频谱竞买方想要接入频谱的地理位置的集合，其中，l_i,j表示竞第j个频谱竞买方接入第i段频谱s_i的具体地理位置j₁；

步骤1.3、定义C＝(c_j,k,i)_N*N*M表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方同时接入第i段频谱s_i时的冲突情况，当c_j,k,i＝1，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方不能同时接入第i段频谱s_i；当c_j,k,i＝0，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方能同时接入第i段频谱s_i；当且仅当l_i,j和l_i,k之间的距离小于两倍的rad_i时，令c_j,k,i＝1；

步骤1.4、所述拍卖者提供一组定价

其中p_i为第i段频谱s_i的定价，且p_i∈(0,V_max]，其中，V_max为所有频谱竞买方对单个频谱报价的最大值；

为定价集合；

步骤1.5、定义最终支付单价组为

其中

为第i段频谱s_i的最终定价；

步骤2、计算分配及定价：

步骤2.1、利用式(1)得到拍卖者对竞买方的总报价Q_j：

步骤2.2、从定价集合

中选择一组定价(p₁,p₂,…p_m)，并利用式(2)计算总支付价格P_j：

步骤2.3、初始化j＝1；

步骤2.4、比较总报价Q_j与总支付价格P_j的大小，当Q_j＞P_j时，将第j个频谱竞买方加入候选集W′中，并执行步骤2.5；当Q_j＜P_j时，直接执行步骤2.5；

步骤2.5、将j+1赋值给j后，判断j＞n的是否成立，若成立，则表示得到最终的候选集W′，并执行步骤3；否则，返回步骤2.4；

步骤3、确定最终胜利集：

步骤3.1、根据平均单价

对最终的候选集W′中的频谱竞买方降序排序；

步骤3.2、将降序排序后的候选集W″中的第一个频谱竞买方加入胜利集W中；

步骤3.3、根据频谱冲突情况，更新降序排序后的候选集W″中频谱竞买方的请求信息，以实现异质频谱分配；

步骤4、使用差分隐私保护频谱竞买方的报价并输出最终定价组以及最终定价组对应的胜利集W中的频谱分配情况。

本发明所述的异质频谱分配方法的特点也在于，所述步骤3.3按照如下过程进行：

步骤3.3.1、将候选集W″中第一个竞买方j′与其余频谱竞买方均做冲突判断；当d(l_i,j′,l_i,a)＜2·rad_i时，令c_j′,a,i＝1，并更新x_i,a＝0；其中，l_i,a表示第a个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

步骤3.3.2、将第一个竞买方j′从候选集W″中删除，从而得到更新后的候选集并赋值给W″；

步骤3.3.3、重复步骤3.3.1和步骤3.3.2，直到候选集W″为空时，从而得到胜利集W，并利用式(3)计算总收益值Φ：

式(3)中，当x_i,j＝1时，表示第i段频谱s_i分配给第j个频谱竞买方。

所述步骤4是按照如下过程进行：

步骤4.1、为定价集合

中的所有定价组执行步骤2.2至步骤3，得到不同定价组的胜利集以及对应的总收益；

步骤4.2、从定价集

中选择满足式(4)的最终定价组

并输出：

式(4)中，Pr表示概率函数，M(B,X,r)表示指数机制，Δ为敏感度；ε为隐私预算，Φ^w为最终的定价组的总收益值，以总收益值Φ为可用性函数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明是在基于异质频谱拍卖的条件下，实现了对频谱的分配及定价，在此过程中的一个频谱持有者可以同时满足多个竞买者的请求，通过合理的激励机制使竞买者根据自身效用提交自己的报价获得最好的效用，通过把空闲频谱分配给多个频谱竞买者，提高了频谱资源的利用率，缓解了频谱紧缺的现状。

2.本发明在异质频谱分配的过程中，使用了指数机制选择定价组，满足了差分隐私的定义，有效防止了攻击者对报价信息的推理攻击，有效的保护了竞买者的敏感信息，具有较高的安全性。

3.本发明制定的分配策略以及定价策略，可以使得每个竞买者的效用均不低于零，并且竞买者无法通过谎报信息提高自身的效用，因此保证了拍卖的真实性，在隐私保护过程中使用了指数机制来选择定价，并且使用总收益值作为可用性函数，可以在保证隐私不泄露的情况下最大化收益，提高了异质频谱分配的效用。

具体实施方式

在本实施例中，一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法，是应用在由一个频谱提供方和n个频谱竞买方组成的拍卖系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

步骤1.1、频谱提供方作为拍卖者参与拍卖过程，频谱提供方持有m段异质的频谱S＝(s₁,s₂,…,s_i,…,s_m)，其中s_i表示第i段频谱，并有：s_i＝{D_i,rad_i}；其中D_i为第i段频谱s_i的描述，rad_i为第i段频谱s_i的干扰半径。在拍卖开始之前，频谱提供方首先将所有频谱的描述信息发布给频谱竞买方，这样竞买方就可以根据这些信息选择自己感兴趣的频谱进行竞拍；

步骤1.2、每个竞买方在拍卖开始时会采用密封的形式将自己的频谱需求发送给频谱提供方。第j个频谱竞买方的需求为r_j＝{X_j,B_j,L_j}，其中X_j表示第j个频谱竞买方的请求信息，并有X_j＝{x_i,j}_1≤i≤m，x_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i是否感兴趣，若x_i,j＝1，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i感兴趣；若x_i,j＝0，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i不感兴趣；

令第j个频谱竞买方的报价集合为B_j＝{b_i,j}_1≤i≤m，b_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

令L_j＝{l_i,j}_1≤i≤m表示第j个频谱竞买方想要接入频谱的地理位置的集合，其中，l_i,j表示竞第j个频谱竞买方接入第i段频谱s_i的具体地理位置j₁。在这里，并不限制竞买方的需求必须被完全满足，即一个竞买方对多段频谱感兴趣时，频谱提供方可以仅将部分感兴趣的频谱分配给该竞买方。

步骤1.3、由于频谱提供发所提供的频谱是异质的，不同频谱的干扰半径不同，所以竞买方之间的冲突关系也不同。定义C＝(c_j,k,i)_N*N*M表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方同时接入第i段频谱s_i时的冲突情况，当c_j,k,i＝1，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方不能同时接入第i段频谱s_i；当c_j,k,i＝0，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方能同时接入第i段频谱s_i；当且仅当l_i,j和l_i,k之间的距离小于两倍的rad_i时，令c_j,k,i＝1；

步骤1.4、拍卖者提供一组定价

其中p_i为第i段频谱s_i的定价，且p_i∈(0,V_max]，其中，V_max为所有频谱竞买方对单个频谱报价的最大值；

为定价集合。最终的定价将从

中选择；

步骤1.5、定义最终支付单价组为

其中

为第i段频谱s_i的最终定价；

步骤2、计算分配及定价：

步骤2.1、利用式(1)得到拍卖者对竞买方的总报价Q_j：

步骤2.2、从定价集合

中选择一组定价(p₁,p₂,…p_m)，并利用式(2)计算总支付价格P_j：

步骤2.3、初始化j＝1；

步骤2.4、比较总报价Q_j与总支付价格P_j的大小，当Q_j＞P_j时，将第j个频谱竞买方加入候选集W′中，并执行步骤2.5；当Q_j＜P_j时，直接执行步骤2.5；

步骤2.5、将j+1赋值给j后，判断j＞n的是否成立，若成立，则表示得到最终的候选集W′，并执行步骤3；否则，返回步骤2.4；

步骤3、确定最终胜利集：

步骤3.1、根据平均单价

对最终的候选集W′中的频谱竞买方降序排序，这种排序方式可使得单位出价较高的竞买方有更大的机会被选入胜利集，并且可以被优先分配频谱；

步骤3.2、将降序排序后的候选集W″中的第一个频谱竞买方加入胜利集W中；

步骤3.3、根据频谱冲突情况，更新降序排序后的候选集W″中频谱竞买方的请求信息，以实现异质频谱分配：

步骤3.3.1、将候选集W″中第一个竞买方j′与其余频谱竞买方均做冲突判断；当d(l_i,j′,l_i,a)＜2·rad_i时，令c_j′,a,i＝1，并更新x_i,a＝0；其中，l_i,a表示第a个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

步骤3.3.2、将第一个竞买方j′从候选集W″中删除，从而得到更新后的候选集并赋值给W″；

步骤3.3.3、重复步骤3.3.1和步骤3.3.2，直到候选集W″为空时，从而得到胜利集W，利用式(3)计算总收益值Φ：

式(3)中，当x_i,j＝1时，表示第i段频谱s_i分配给第j个频谱竞买方；

步骤4、使用差分隐私保护频谱竞买方的报价并最终定价组以及最终定价组对应的胜利集W中的频谱分配情况；

步骤4.1、为定价集合

中的所有定价组执行步骤2.2至步骤3，得到不同定价组的胜利集以及对应的总收益；

步骤4.2、从定价集

中选择满足式(4)的最终定价组

并输出：

式(4)中，Pr表示概率函数，M(B,X,r)表示指数机制，

为最终的定价组，Δ为敏感度；ε为隐私预算，Φ^w为最终的定价组的总收益值，以总收益值Φ为可用性函数，可以使得最终定价的选择的概率和总收益值Φ是呈正相关的，可以最大限度的保证分配效果的可用性和收益；此外，差分隐私的指数机制具有一定的随机性，能够很好的防止敌手对竞买者的推理攻击，可以有效解决拍卖过程中的安全性问题。

综上所述，本发明一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法，实现了单向异质频谱资源的高效率分配，提高了经济效益，并且使用差分隐私的方法保护报价信息，防止拍卖参与者的敏感信息泄露，解决了传统单向异质频谱拍卖中的隐私泄露问题。

Claims (1)

1.一种基于差分隐私保护的单向异质频谱分配方法，其特征是应用在由一个频谱提供方和n个频谱竞买方组成的拍卖系统中，并按如下步骤进行：

步骤1、初始化：

步骤1.1、所述频谱提供方作为拍卖者参与拍卖过程，所述频谱提供方持有m段异质的频谱S＝(s₁,s₂,…,s_i,…,s_m)，其中s_i表示第i段频谱，并有：s_i＝{D_i,rad_i}；其中D_i为第i段频谱s_i的描述，rad_i为第i段频谱s_i的干扰半径；

步骤1.2、第j个频谱竞买方的需求为r_j＝{X_j,B_j,L_j}，其中X_j表示第j个频谱竞买方的请求信息，并有X_j＝{x_i,j}_1≤i≤m，x_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i是否感兴趣，若x_i,j＝1，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i感兴趣；若x_i,j＝0，表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i不感兴趣；

令第j个频谱竞买方的报价集合为B_j＝{b_i,j}_1≤i≤m，b_i,j表示第j个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

令L_j＝{l_i,j}_1≤i≤m表示第j个频谱竞买方想要接入频谱的地理位置的集合，其中，l_i,j表示竞第j个频谱竞买方接入第i段频谱s_i的具体地理位置j₁；

步骤1.3、定义C＝(c_j,k,i)_n*n*m表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方同时接入第i段频谱s_i时的冲突情况，当c_j,k,i＝1，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方不能同时接入第i段频谱s_i；当c_j,k,i＝0，表示第j个频谱竞买方和第k个频谱竞买方能同时接入第i段频谱s_i；当且仅当l_i,j和l_i,k之间的距离小于两倍的rad_i时，令c_j,k,i＝1；

步骤1.4、所述拍卖者提供一组定价

其中p_i为第i段频谱s_i的定价，且p_i∈(0,V_max]，其中，V_max为所有频谱竞买方对单个频谱报价的最大值；

为定价集合；

步骤1.5、定义最终支付单价组为

其中

为第i段频谱s_i的最终定价；

步骤2、计算分配及定价：

步骤2.1、利用式(1)得到拍卖者对竞买方的总报价Q_j：

步骤2.2、从定价集合

中选择一组定价(p₁,p₂,…p_m)，并利用式(2)计算总支付价格P_j：

步骤2.3、初始化j＝1；

步骤2.4、比较总报价Q_j与总支付价格P_j的大小，当Q_j＞P_j时，将第j个频谱竞买方加入候选集W′中，并执行步骤2.5；当Q_j＜P_j时，直接执行步骤2.5；

步骤2.5、将j+1赋值给j后，判断j＞n的是否成立，若成立，则表示得到最终的候选集W′，并执行步骤3；否则，返回步骤2.4；

步骤3、确定最终胜利集：

步骤3.1、根据平均单价

对最终的候选集W′中的频谱竞买方降序排序；

步骤3.2、将降序排序后的候选集W″中的第一个频谱竞买方加入胜利集W中；

步骤3.3、根据频谱冲突情况，更新降序排序后的候选集W″中频谱竞买方的请求信息，以实现异质频谱分配；

步骤3.3.1、将候选集W″中第一个竞买方j′与其余频谱竞买方均做冲突判断；当d(l_i,j′,l_i,a)＜2·rad_i时，令c_j′,a,i＝1，并更新x_i,a＝0；其中，l_i,a表示第a个频谱竞买方对第i段频谱s_i的报价；

步骤3.3.2、将第一个竞买方j′从候选集W″中删除，从而得到更新后的候选集并赋值给W″；

步骤3.3.3、重复步骤3.3.1和步骤3.3.2，直到候选集W″为空时，从而得到胜利集W，并利用式(3)计算总收益值Φ：

式(3)中，当x_i,j＝1时，表示第i段频谱s_i分配给第j个频谱竞买方；

步骤4、使用差分隐私保护频谱竞买方的报价并输出最终定价组以及最终定价组对应的胜利集W中的频谱分配情况；

步骤4.1、为定价集合

中的所有定价组执行步骤2.2至步骤3，得到不同定价组的胜利集以及对应的总收益；

步骤4.2、从定价集

中选择满足式(4)的最终定价组

并输出：

式(4)中，Pr表示概率函数，M(B,X,r)表示指数机制，Δ为敏感度；ε为隐私预算，Φ^w为最终的定价组的总收益值，以总收益值Φ为可用性函数。