CN112188394A - 具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议 - Google Patents

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CN112188394A
CN112188394A CN202011072046.6A CN202011072046A CN112188394A CN 112188394 A CN112188394 A CN 112188394A CN 202011072046 A CN202011072046 A CN 202011072046A CN 112188394 A CN112188394 A CN 112188394A
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陈丹杰
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Abstract

本发明涉及锚点信息定位与保护技术领域，尤其涉及具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，包括以下步骤：步骤一、建立定位节点：收到定位请求后，锚点将与自身位置相关的信息发送给目标点，目标点通过发回的信息并采用TDOA定位技术确定自己的位置，步骤二、建立新的隐私保护等级标准，有效减少了位置信息的维度对隐私保护等级的影响，提高了标准的稳定性。本发明不仅可以通过调节节点间的通信量，使其适应不同的应用场景，而且还能在节点定位时对其隐私进行保护，另外，通过建立新的隐私保护等级标准，有效减少了位置信息的维度对隐私保护等级的影响，提高了标准的稳定性。

Description

具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议
技术领域
本发明涉及锚点信息定位与保护技术领域，尤其涉及具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议。
背景技术
随着通信领域的不断发展，定位技术已经广泛应用于我们的日常生活。定位技术主要有为以GPS和北斗为代表的卫星定位、根据网络中少数已知节点的位置信息，确定自身位置的节点定位等等。由于实现节点定位的无线传感网具有低成本，低功耗，可进行远程监控和维护等优点，节点定位被广泛应用于家庭，工业，军事，医疗，抢险救灾等领域。但与此同时，节点定位过程中隐私泄露的问题也愈加突出。
针对目标点和锚点获得的到达时差测量值的两种情况，提出了两种保护隐私的定位协议。在没有使用任何加密方法的情况下，通过限制可用信息来隐藏目标和锚节点的位置。但仍有不足之处：
1、在发送真正的隐私信息之前，节点间需要大量的通信生成随机矩阵；
2、隐私保护等级的标准稳定性差；
3、UTDOA-PPL存在冗余计算。
因此，我们提出了具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议用于解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议。
具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，包括以下步骤：
步骤一、建立定位节点：收到定位请求后，锚点将与自身位置相关的信息发送给目标点，目标点通过发回的信息并采用TDOA定位技术确定自己的位置；
其中，TDOA定位技术的计算方法如下：
(1)设信号传播的速度为c，结合时差信息tim可以计算出距离差dim＝timc；
(2)设目标点的位置信息为x0＝[x01,...,x0n]T，n为位置信息的维度，锚点的位置信息分别为x1,...,xm，其中m为锚点的数量，xi＝[xi1,...,xin]T，i＝1,...,m；
(3)若用||·||表示·的模，那么目标点到锚点i的距离di＝||xi-x0||，目标点到锚点m的距离dm＝||xm-x0||，这时dim也可以表示为dim＝di-dm+eim，其中eim表示计算距离的误差；
(4)利用距离与距离差，最小二乘估计问题可以表示为：
Figure BDA0002715391860000021
上式可以转换为线性最小二乘问题
Figure BDA0002715391860000022
式中，
Figure BDA0002715391860000023
Figure BDA0002715391860000031
Figure BDA0002715391860000032
经过化简后可以表示为
Figure BDA0002715391860000033
其中，
Figure BDA0002715391860000034
步骤二、建立节点隐私保护协议：根据节点定位的不同场景，建立对应的隐私保护协议，其中，用W泛指与隐私信息相对应的随机矩阵，PPP-AMT具体操作步骤如下：
(1)锚点1～m-1向锚点m发送xi+W，
Figure BDA0002715391860000035
dim+W，
Figure BDA0002715391860000036
锚点m通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000037
和
Figure BDA0002715391860000038
(2)设
Figure BDA0002715391860000039
锚点1～m-1向目标点发送Ωi+W，锚点m向目标点发送Ωm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000310
(3)设γi＝xidim,i＝1,...,m-1,
Figure BDA00027153918600000311
锚点1～m-1向目标点发送γi+W，锚点m向目标点发送γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000312
同时可以得到
Figure BDA00027153918600000313
(4)锚点m直接向目标点发送
Figure BDA00027153918600000314
目标点将其作为A22保存；
(5)锚点1～m-1向目标点发送
Figure BDA00027153918600000315
目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000316
(6)设
Figure BDA0002715391860000041
锚点1～m-1向目标点发送ψi+W，锚点m向目标点发送ψm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000042
(7)设
Figure BDA0002715391860000043
锚点1～m-1向目标点发送Θi+W，锚点m向目标点发送Θm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000044
(8)设
Figure BDA0002715391860000045
锚点1～m-1向目标点发送Γi+W，锚点m向目标点发送Γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000046
(9)最后目标点通过公式
Figure BDA0002715391860000047
得到位置估计值
Figure BDA0002715391860000048
步骤三、仿真分析：用MATLAB仿真PPP-AMT和PPP-TMT，通过改变定位系统中锚点的数量m，观察其对节点间通信次数的影响，分别计算m∈[4,30]每个值下，PPP-AMT和PPP-TMT二者与UTDOA-PPL之间的通信次数，并得出结论。
优选的，所述PPP-AMT中，目标点每次定位，节点间需要通信10km+10m-15k-4次。
优选的，所述PPP-AMT能够实现以下隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}。目标点和锚点m对其保持级隐私；对于锚点j∈{1,...,m-1}∧j≠i对其保持1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点和其他锚点对其保持m-1-3n-1级隐私；
(3)对于目标点，如果m＞0.5n+3n-1+3.5，那么所有锚点可以对其保持m-(0.5n+3n-1+3.5)级隐私。
优选的，所述PPP-TMT下，目标点每次定位，节点间需要通信7km-9k+9m-4次。
优选的，所述PPP-TMT能够实现以下的隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}，目标点和其他锚点对其保持m-2n-1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点对其保持1级隐私；其他锚点对其保持m-2-n-1级隐私；
(3)对于目标点，所有锚点可以对其保持m-(0.5n+mn-1+3.5)级隐私。
优选的，所述隐私保护等级是指若一组节点A除了用已知信息能够构建的方程外，还需要额外构建Np个方程才能估计另一组节B点隐私信息，且B组节点隐私信息的维度为n，那么称B组结点能够对A组节点保持Np/n级隐私。
优选的，所述步骤二中在PPP-AMT情况下的公式
Figure BDA0002715391860000051
的推理过程如下：
将
Figure BDA0002715391860000052
中ΑTΑ的计算结果根据参与运算的隐私信息需要划分为四部分：A11、A12、A21和A22，即
Figure BDA0002715391860000053
同样的，将ΑTb划分为B11、B12、B21和B22四部分，即
Figure BDA0002715391860000061
其中，
Figure BDA0002715391860000062
Figure BDA00027153918600000610
Figure BDA00027153918600000611
Figure BDA0002715391860000063
Figure BDA0002715391860000064
Figure BDA0002715391860000065
Figure BDA0002715391860000066
Figure BDA0002715391860000067
综合以上改写，
Figure BDA0002715391860000068
最终可以表示为
Figure BDA0002715391860000069
相比于现有技术，本发明的有益效果是：
1、通过对PPS生成的随机矩阵的锚点数量进行改变，调节节点间的通信量，使其能够适应不同的应用场景中。
2、通过将PPS-AT应用于TDOA节点定位技术中，提出具体场景下的定位协议，实现了节点定位时的隐私保护功能。
3、建立新的隐私保护等级标准，有效减少了位置信息的维度对隐私保护等级的影响，提高了标准的稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在AMT场景下的隐私保护协议示意图；
图2为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在MATLAB仿真PPP-AMT时的通信量图；
图3为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在MATLAB仿真PPP-TMT时的通信量图；
图4为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在调节参数时，PPP-AMT和PPP-TMT通信量的变化示意图；
图5为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在AMT场景下协议的隐私保护等级示意图；
图6为本发明提出的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议在TMT场景下协议的隐私保护等级示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
参照图1-6，具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，包括以下步骤：
步骤一、建立定位节点：收到定位请求后，锚点将与自身位置相关的信息发送给目标点，目标点通过发回的信息并采用TDOA定位技术确定自己的位置；
其中，TDOA定位技术的计算方法如下：
(1)设信号传播的速度为c，结合时差信息tim可以计算出距离差dim＝timc；
(2)设目标点的位置信息为x0＝[x01,...,x0n]T，n为位置信息的维度，锚点的位置信息分别为x1,...,xm，其中m为锚点的数量，xi＝[xi1,...,xin]T，i＝1,...,m；
(3)若用||·||表示·的模，那么目标点到锚点i的距离di＝||xi-x0||，目标点到锚点m的距离dm＝||xm-x0||，这时dim也可以表示为dim＝di-dm+eim，其中eim表示计算距离的误差；
(4)利用距离与距离差，最小二乘估计问题可以表示为：
Figure BDA0002715391860000081
上式可以转换为线性最小二乘问题
Figure BDA0002715391860000082
式中，
Figure BDA0002715391860000083
Figure BDA0002715391860000084
Figure BDA0002715391860000085
经过化简后可以表示为
Figure BDA0002715391860000086
其中，
Figure BDA0002715391860000087
步骤二、建立节点隐私保护协议：根据节点定位的不同场景，建立对应的隐私保护协议，其中，用W泛指与隐私信息相对应的随机矩阵，PPP-AMT具体操作步骤如下：
(1)锚点1～m-1向锚点m发送xi+W，
Figure BDA0002715391860000088
dim+W，
Figure BDA0002715391860000089
锚点m通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000091
和
Figure BDA0002715391860000092
(2)设
Figure BDA0002715391860000093
锚点1～m-1向目标点发送Ωi+W，锚点m向目标点发送Ωm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000094
(3)设γi＝xidim,i＝1,...,m-1,
Figure BDA0002715391860000095
锚点1～m-1向目标点发送γi+W，锚点m向目标点发送γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000096
同时可以得到
Figure BDA0002715391860000097
(4)锚点m直接向目标点发送
Figure BDA0002715391860000098
目标点将其作为A22保存；
(5)锚点1～m-1向目标点发送
Figure BDA0002715391860000099
目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000910
(6)设
Figure BDA00027153918600000911
锚点1～m-1向目标点发送ψi+W，锚点m向目标点发送ψm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000912
(7)设
Figure BDA00027153918600000913
锚点1～m-1向目标点发送Θi+W，锚点m向目标点发送Θm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA00027153918600000914
(8)设
Figure BDA00027153918600000915
锚点1～m-1向目标点发送Γi+W，锚点m向目标点发送Γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure BDA0002715391860000101
(9)最后目标点通过公式
Figure BDA0002715391860000102
得到位置估计值
Figure BDA0002715391860000103
步骤三、仿真分析：用MATLAB仿真PPP-AMT和PPP-TMT，通过改变定位系统中锚点的数量m，观察其对节点间通信次数的影响，分别计算m∈[4,30]每个值下，PPP-AMT和PPP-TMT二者与UTDOA-PPL之间的通信次数，并得出结论。
进一步的，PPP-AMT中，目标点每次定位，节点间需要通信10km+10m-15k-4次，PPP-AMT能够实现以下隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}。目标点和锚点m对其保持级隐私；对于锚点j∈{1,...,m-1}∧j≠i对其保持1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点和其他锚点对其保持m-1-3n-1级隐私；
(3)对于目标点，如果m＞0.5n+3n-1+3.5，那么所有锚点可以对其保持m-(0.5n+3n-1+3.5)级隐私。
进一步的，PPP-TMT下，目标点每次定位，节点间需要通信7km-9k+9m-4次，PPP-TMT能够实现以下的隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}，目标点和其他锚点对其保持m-2n-1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点对其保持1级隐私；其他锚点对其保持m-2-n-1级隐私；
(3)对于目标点，所有锚点可以对其保持m-(0.5n+mn-1+3.5)级隐私。
进一步的，隐私保护等级是指若一组节点A除了用已知信息能够构建的方程外，还需要额外构建Np个方程才能估计另一组节B点隐私信息，且B组节点隐私信息的维度为n，那么称B组结点能够对A组节点保持Np/n级隐私。
进一步的，步骤二中在PPP-AMT情况下的公式
Figure BDA0002715391860000111
的推理过程如下：
将
Figure BDA0002715391860000112
中ΑTΑ的计算结果根据参与运算的隐私信息需要划分为四部分：A11、A12、A21和A22，即
Figure BDA0002715391860000113
同样的，将ΑTb划分为B11、B12、B21和B22四部分，即
Figure BDA0002715391860000114
其中，
Figure BDA0002715391860000115
Figure BDA0002715391860000116
Figure BDA0002715391860000117
Figure BDA0002715391860000118
Figure BDA0002715391860000119
Figure BDA00027153918600001110
Figure BDA00027153918600001111
Figure BDA00027153918600001112
综合以上改写，
Figure BDA00027153918600001113
最终可以表示为
Figure BDA0002715391860000121
本实施例中，用MATLAB仿真PPP-AMT和PPP-TMT，通过改变定位系统中锚点的数量m，观察其对节点间通信次数的影响。分别计算m∈[4,30]每个值下，PPP-AMT和PPP-TMT二者与UTDOA-PPL之间的通信次数，结果如图2和图3所示。结果表明PPP-AMT节点间的通信量以及PPP-TMT节点间的通信量都明显小于UTDOA-PPL。
①为了验证参数k对节点间通信次数的影响，设置锚点的数量m＝20，调节参数k观察PPP-AMT和PPP-TMT通信量的变化，如图4所示，可以看出，通信量随着k的增长线性增加。在实际应用过程中，可以通过调节k的值来平衡通信量、定位时间。k值越大，定位所需的通信量越大，定位时间越久。
②为了探究在AMT场景下，新的隐私保护等级标准是否比UTDOA-PPL协议中的标准更加稳定。利用MATLAB设置锚点的数量m＝10，模拟了新旧两套标准在不同维度的位置信息下，各设备的隐私保护等级。为方便表述，将UTDOA-PPL协议中的标准称为旧标准，本技术方案中提出的标准称为新标准，结果如图5所示，且由图5可知，在旧标准下，AMT场景中设备的隐私等级随维度的大幅度变化，而在新标准下，隐私等级的稳定性明显增强。
③为了探究在TMT场景下，新的隐私保护等级标准是否比UTDOA-PPL协议中的标准更加稳定。利用MATLAB设置锚点的数量m＝10，模拟了新旧两套标准在不同维度的位置信息下，各设备的隐私保护等级。为方便表述，将UTDOA-PPL协议中的标准称为旧标准，本技术方案中提出的标准称为新标准，结果如图6所示，且由图6可知，在旧标准下，AMT场景中设备的隐私等级随维度的大幅度变化，而在新标准下，隐私等级的稳定性明显增强，但隐私信息维度为1的时候，不满足隐私保护的充分条件，目标点无法对锚点隐藏隐私信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立定位节点：收到定位请求后，锚点将与自身位置相关的信息发送给目标点，目标点通过发回的信息并采用TDOA定位技术确定自己的位置；
其中，TDOA定位技术的计算方法如下：
(1)设信号传播的速度为c，结合时差信息tim可以计算出距离差dim＝timc；
(2)设目标点的位置信息为x0＝[x01,...,x0n]T，n为位置信息的维度，锚点的位置信息分别为x1,...,xm，其中m为锚点的数量，xi＝[xi1,...,xin]T，i＝1,...,m；
(3)若用||·||表示·的模，那么目标点到锚点i的距离di＝||xi-x0||，目标点到锚点m的距离dm＝||xm-x0||，这时dim也可以表示为dim＝di-dm+eim，其中eim表示计算距离的误差；
(4)利用距离与距离差，最小二乘估计问题可以表示为：
Figure FDA0002715391850000011
上式可以转换为线性最小二乘问题
Figure FDA0002715391850000012
式中，
Figure FDA0002715391850000013
Figure FDA0002715391850000014
Figure FDA0002715391850000021
经过化简后可以表示为
Figure FDA0002715391850000022
其中，
Figure FDA0002715391850000023
步骤二、建立节点隐私保护协议：根据节点定位的不同场景，建立对应的隐私保护协议，其中，用W泛指与隐私信息相对应的随机矩阵，PPP-AMT具体操作步骤如下：
(1)锚点1～m-1向锚点m发送xi+W，
Figure FDA0002715391850000024
dim+W，
Figure FDA0002715391850000025
锚点m通过PPS-AT计算
Figure FDA0002715391850000026
和
Figure FDA0002715391850000027
(2)设
Figure FDA0002715391850000028
锚点1～m-1向目标点发送Ωi+W，锚点m向目标点发送Ωm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA0002715391850000029
(3)设γi＝xidim,i＝1,...,m-1,
Figure FDA00027153918500000210
锚点1～m-1向目标点发送γi+W，锚点m向目标点发送γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA00027153918500000211
同时可以得到
Figure FDA00027153918500000212
(4)锚点m直接向目标点发送
Figure FDA00027153918500000213
目标点将其作为A22保存；
(5)锚点1～m-1向目标点发送
Figure FDA00027153918500000214
目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA00027153918500000215
(6)设
Figure FDA00027153918500000216
锚点1～m-1向目标点发送ψi+W，锚点m向目标点发送ψm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA0002715391850000031
(7)设
Figure FDA0002715391850000032
锚点1～m-1向目标点发送Θi+W，锚点m向目标点发送Θm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA0002715391850000033
(8)设
Figure FDA0002715391850000034
锚点1～m-1向目标点发送Γi+W，锚点m向目标点发送Γm+W，目标点通过PPS-AT计算
Figure FDA0002715391850000035
(9)最后目标点通过公式
Figure FDA0002715391850000036
得到位置估计值
Figure FDA0002715391850000037
步骤三、仿真分析：用MATLAB仿真PPP-AMT和PPP-TMT，通过改变定位系统中锚点的数量m，观察其对节点间通信次数的影响，分别计算m∈[4,30]每个值下，PPP-AMT和PPP-TMT二者与UTDOA-PPL之间的通信次数，并得出结论。
2.根据权利要求1所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述PPP-AMT中，目标点每次定位，节点间需要通信10km+10m-15k-4次。
3.根据权利要求1所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述PPP-AMT能够实现以下隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}。目标点和锚点m对其保持级隐私；对于锚点j∈{1,...,m-1}∧j≠i对其保持1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点和其他锚点对其保持m-1-3n-1级隐私；
(3)对于目标点，如果m＞0.5n+3n-1+3.5，那么所有锚点可以对其保持m-(0.5n+3n-1+3.5)级隐私。
4.根据权利要求1所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述PPP-TMT下，目标点每次定位，节点间需要通信7km-9k+9m-4次。
5.根据权利要求1所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述PPP-TMT能够实现以下的隐私保护等级：
(1)对于锚点i∈{1,...,m-1}，目标点和其他锚点对其保持m-2n-1级隐私；
(2)对于锚点m，目标点对其保持1级隐私；其他锚点对其保持m-2-n-1级隐私；
(3)对于目标点，所有锚点可以对其保持m-(0.5n+mn-1+3.5)级隐私。
6.根据权利要求3或5所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述隐私保护等级是指若一组节点A除了用已知信息能够构建的方程外，还需要额外构建Np个方程才能估计另一组节B点隐私信息，且B组节点隐私信息的维度为n，那么称B组结点能够对A组节点保持Np/n级隐私。
7.根据权利要求1所述的具有锚点位置隐私信息保护能力的通信可调节点定位协议，其特征在于，所述步骤二中在PPP-AMT情况下的公式
Figure FDA0002715391850000051
的推理过程如下：
将
Figure FDA0002715391850000052
中ΑTΑ的计算结果根据参与运算的隐私信息需要划分为四部分：A11、A12、A21和A22，即
Figure FDA0002715391850000053
同样的，将ΑTb划分为B11、B12、B21和B22四部分，即
Figure FDA0002715391850000054
其中，
Figure FDA0002715391850000055
Figure FDA0002715391850000056
Figure FDA0002715391850000057
Figure FDA0002715391850000058
Figure FDA0002715391850000059
Figure FDA00027153918500000510
Figure FDA00027153918500000511
Figure FDA00027153918500000512
综合以上改写，
Figure FDA00027153918500000513
最终可以表示为
Figure FDA00027153918500000514
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