毛 典 輝 , 蔡 強(qiáng) , 李 海 生 , 曹 健
(1.北京工商大學(xué) 計(jì) 算機(jī)與信息工程學(xué)院,北京 100048;2.北京工商大學(xué) 國(guó) 有資產(chǎn)管理協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100048)
當(dāng)前基于位置的服務(wù)(Location-based Service,LBS)應(yīng)用中,大部分采用可信第三方匿名服務(wù)器(Trusted Third Party,TTP)與k匿名模型的架構(gòu)模式來(lái)保護(hù)用戶的位置隱私,但是并沒(méi)有一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)來(lái)評(píng)估TTP的可信度,而且TTP容易成為系統(tǒng)性能瓶頸和集中攻擊點(diǎn)[1].另外,以用戶合作為基礎(chǔ)的k匿名模型,因用戶時(shí)空情境變化影響了協(xié)作的穩(wěn)定性,使得隱私保護(hù)方法的匿名穩(wěn)定性無(wú)法得到保證,因此,無(wú)TTP、非用戶合作的獨(dú)立架構(gòu)模式成為當(dāng)前LBS中位置隱私保護(hù)方法的研究熱點(diǎn)[2].
移動(dòng)用戶在獨(dú)立架構(gòu)模式下保護(hù)位置隱私,最直接方法是發(fā)送假位置至LBS服務(wù)器進(jìn)行查詢,由服務(wù)器通過(guò)增量近鄰查詢返回查詢結(jié)果,如SpaceTwist方法[3].但是,隨機(jī)或者主觀設(shè)定查詢點(diǎn)容易導(dǎo)致位置隱私保護(hù)效果與通信開(kāi)銷(xiāo)失衡[4].因此,查詢點(diǎn)的選取應(yīng)視用戶的時(shí)空情境而定[5].該思想在實(shí)際應(yīng)用中存在3個(gè)難點(diǎn)終端的位置情境信息如何表征?終端如何實(shí)時(shí)獲取位置情境信息?如何根據(jù)用戶的位置情境選擇合適的查詢點(diǎn)?本文針對(duì)上述問(wèn)題,通過(guò)在服務(wù)器端建立多粒度抽象路網(wǎng)以及位置情境模型,并以此為基礎(chǔ),提出一種自適應(yīng)情境的位置隱私保護(hù)方法.該方法不僅能實(shí)現(xiàn)終端與LBS服務(wù)器的直接通信以及準(zhǔn)確的位置查詢服務(wù),而且通過(guò)自適應(yīng)情境感知技術(shù)可實(shí)現(xiàn)位置隱私保護(hù)度與通信開(kāi)銷(xiāo)的平衡.
移動(dòng)用戶在LBS服務(wù)中,當(dāng)其處于路網(wǎng)密集區(qū)域時(shí),該區(qū)域內(nèi)交叉路口多、人流量大(通常情況下,路網(wǎng)密集程度與人口密度成正比),較小的位置偏移量(假位置與真實(shí)位置間距離)即可獲得較高的位置隱私保護(hù);反之,在路網(wǎng)稀疏區(qū)域內(nèi)時(shí),交叉路口少、人口密度低,較大的位置偏移量才能保證一定的隱私保護(hù)效果[6].因此,用戶所處位置的路網(wǎng)密集程度直接決定了位置隱私保護(hù)效果.另外,用戶的通信開(kāi)銷(xiāo)主要包括服務(wù)器返回的查詢興趣點(diǎn)(POIs)以及路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)用戶所處區(qū)域的POIs分布較為密集時(shí),較小區(qū)域的子路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可滿足查詢要求.因此,POIs的空間分布狀況決定了用戶的通信開(kāi)銷(xiāo).
基于上述思想,引入路網(wǎng)密度、POIs密度等指標(biāo)表征用戶的位置情境.
定義1 路網(wǎng)G:定義無(wú)向圖G=(V,E),來(lái)表示交通公路網(wǎng)絡(luò),其中V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合,E為網(wǎng)絡(luò)邊集合,dG(n)表示圖G中節(jié)點(diǎn)n的度.
定義2 抽象路網(wǎng)G′:給定圖G的某一分割方案P={G1,G2,…,Gp},定義圖G的抽象網(wǎng)絡(luò)G′={V′,E′,W′},則 G ′ 中 的 每 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 均 代 表G 中 對(duì) 應(yīng) 的 分 割 子 圖,且 邊 集 合 ( i,j)∈E′ 滿 足 { (i′,j′)∈E|Sub(i′)=i∧Sub(j′)=j(luò)}.
定義3 路網(wǎng)密度λ:設(shè)C為路網(wǎng)G的一個(gè)子區(qū)域,s為C的面積,l為C內(nèi)道路總長(zhǎng)度,則定義λ=l s為區(qū)域C的路網(wǎng)密度.
定義4 POIs密度ε:設(shè)C為路網(wǎng)G的一個(gè)子區(qū)域,m為區(qū)域C中POIs的總數(shù),s為C的面積,則定義ε=m s為區(qū)域C的POIs密度.
基于上述定義,移動(dòng)用戶在某一時(shí)刻t的時(shí)空位置情境可表示為三元組〈p,λ,ε〉|t,其中,p為用戶在t時(shí)刻的空間位置,λ為用戶所處區(qū)域的路網(wǎng)密度,ε為用戶所處區(qū)域的POIs密度.
終端的位置隱私保護(hù)效果由查詢點(diǎn)偏移距離與用戶期望的查詢結(jié)果在POIs集合中返回次序決定,當(dāng)該次序越靠后時(shí),攻擊者推測(cè)的難度越大,用戶的位置隱私保護(hù)效果就越好.用戶的位置隱私保護(hù)效果與所處位置情境信息之間關(guān)系滿足定理1.
定理1 對(duì)于任意用戶,當(dāng)路網(wǎng)密度λ足夠小時(shí),用戶期望查詢結(jié)果在候選結(jié)果集中的返回次序E(k)中.查詢點(diǎn)偏移距離σ、POIs密度ε滿足:E(k)≤λεσ[6].
根據(jù)上述定理,文中自適應(yīng)情境的位置隱私保護(hù)方法為:首先在服務(wù)器端構(gòu)建多粒度抽象路網(wǎng)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)空位置情境模型,終端僅發(fā)送不包含真實(shí)位置的查詢主題(如銀行、醫(yī)院等)至服務(wù)器,服務(wù)器返回粗粒度抽象路網(wǎng)以及對(duì)應(yīng)的查詢主題POIs空間分布信息,若抽象路網(wǎng)精度不能滿足用戶要求,則重復(fù)該過(guò)程,直至返回的路網(wǎng)粒度滿足用戶要求為止;移動(dòng)用戶根據(jù)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)偏好以及通信開(kāi)銷(xiāo)承受力,預(yù)設(shè)通信成本(期望返回的候選結(jié)果集總數(shù))與位置隱私保護(hù)強(qiáng)度(期望查詢結(jié)果在候選結(jié)果集中的返回次序),并以上述位置情境信息為基礎(chǔ),估算查詢區(qū)域范圍與查詢點(diǎn)位置;終端發(fā)送查詢點(diǎn)與查詢區(qū)域至服務(wù)器,服務(wù)器在限定條件下進(jìn)行增量近鄰查詢,依次返回查詢區(qū)域?qū)?yīng)的高精度地圖以及候選結(jié)果集,終端根據(jù)真實(shí)位置進(jìn)行增量計(jì)算,直至完成位置服務(wù).
移動(dòng)終端因通信開(kāi)銷(xiāo)與性能局限無(wú)法實(shí)時(shí)下載完整高精度路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而位置情境感知?jiǎng)t以全局路網(wǎng)信息為基礎(chǔ),為了解決此矛盾,在服務(wù)器端引入路網(wǎng)粗糙化技術(shù)構(gòu)建多粒度的抽象路網(wǎng).由于實(shí)際路網(wǎng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)非均勻性,為了保證抽象路網(wǎng)重構(gòu)后信息的一致性,即抽象路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有相同的路網(wǎng)密度,且重構(gòu)前后節(jié)點(diǎn)的空間鄰近近性保持不變,引入非均勻Hilbert映射技術(shù)以及Voronoi圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)抽象路網(wǎng)重構(gòu).這樣,不僅粗糙化了原始路網(wǎng)的拓?fù)湫畔?,減少了終端的實(shí)時(shí)下載開(kāi)銷(xiāo),而且保證了終端位置情境信息的實(shí)時(shí)獲取.
抽象路網(wǎng)重構(gòu)算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:對(duì)高精度的實(shí)際路網(wǎng)設(shè)置某一路網(wǎng)密度λ值,依據(jù)空間層次分解方法,將路網(wǎng)空間分為4個(gè)子空間C0、C1、C2、C3,如果Ci(i∈ [0,3])內(nèi)路網(wǎng)密度λi>λ,則對(duì)Ci繼續(xù)迭代劃分,直到λi≤λ為止(如圖1(a)所示).對(duì)于劃分后的子空間集合,選擇區(qū)域Ci的中心Pi作為該區(qū)域的投影點(diǎn),這樣二維的空間區(qū)域投影為離散的空間點(diǎn)集P={p1,p2,…,pn}[7],引入Voronoi圖技術(shù)進(jìn)行空間近鄰判斷(如圖1(b)所示),保證重構(gòu)前后的節(jié)點(diǎn)間空間鄰近性不變.判斷Voronoi圖中近鄰點(diǎn)間的連通性,形成節(jié)點(diǎn)鄰接矩陣,即
節(jié)點(diǎn)矩陣W中,元素wij取值均為0或1.其中,0表示相鄰區(qū)域無(wú)路網(wǎng)交點(diǎn),1表示相鄰區(qū)域存在路網(wǎng)交點(diǎn),形成最終的抽象路網(wǎng)(如圖1(c)所示).
圖1 抽象路網(wǎng)重構(gòu)示意圖
上述抽象路網(wǎng)重構(gòu)保證了情境信息表達(dá)的一致性,同時(shí)解決了終端情境感知的實(shí)時(shí)通信,為了進(jìn)一步控制終端查詢過(guò)程中的通信開(kāi)銷(xiāo),用戶需取得POIs密度分布信息.該信息的處理過(guò)程為:終端發(fā)送不包含位置信息的查詢主題至服務(wù)器,服務(wù)器端以抽象路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的子區(qū)域?yàn)閱挝唬y(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)POIs數(shù)量形成空間分布直方圖[8]返回至用戶.POIs空間分布直方圖數(shù)據(jù)量一般極?。↘B級(jí)),對(duì)終端的通信開(kāi)銷(xiāo)的影響有限,但服務(wù)器端的計(jì)算較為費(fèi)時(shí),為了降低服務(wù)器端的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),可將常用的查詢主題(如銀行、餐廳等)進(jìn)行預(yù)處理,形成數(shù)據(jù)包以供用戶下載,避免服務(wù)器端重復(fù)實(shí)時(shí)計(jì)算.
在終端與LBS服務(wù)器直接通信模式下,攻擊者可能獲取的信息途徑為:
(1)從用戶終端處直接獲取查詢信息,由于用戶作為位置隱私的持有者對(duì)位置信息具有絕對(duì)的控制權(quán),在非合作模式下,攻擊者無(wú)法直接與用戶聯(lián)系,因此也無(wú)法獲取位置信息.
(2)從服務(wù)器端截取用戶查詢內(nèi)容以及服務(wù)器返回結(jié)果等信息,在該情形下,攻擊者推測(cè)用戶準(zhǔn)確位置的可能性為:假定q為終端實(shí)際位置,q′為查詢點(diǎn)位置,pj為終端取得的第j個(gè)查詢結(jié)果,λ為用戶所在區(qū)域的路網(wǎng)密度,ε為對(duì)應(yīng)的POIs密度.攻擊者獲取的信息包括:路網(wǎng)區(qū)域C、查詢點(diǎn)q′、以q′為中心的有序結(jié)果集{p1,p2,p3,…,pm},并且已知用戶采取增量近鄰查詢.
假定攻擊者認(rèn)為pk為用戶的期望查詢結(jié)果,根據(jù)增量查詢結(jié)束條件[9]可知,攻擊者推測(cè)的用戶位置q滿足如下不等式方程:其中,dist(·,·)代表攻擊者推測(cè)用戶位置與用戶查詢點(diǎn)之間的距離,不等式方程的解代表攻擊者推測(cè)用戶可能存在的位置區(qū)域.
上述不等式方程解代表用戶可能存在的一個(gè)位置區(qū)域,由于用戶真實(shí)查詢結(jié)果保存于終端,攻擊者無(wú)法得到.因此,上述不等式方程存在多個(gè)解,即多種可能區(qū)域,故攻擊者無(wú)法確定用戶的具體位置.
終端的位置隱私保護(hù)效果是由用戶期望查詢結(jié)果在返回的POIs集合中出現(xiàn)的順序E(k)決定的,E(k)越靠后,攻擊者推測(cè)難度越大,用戶的位置隱私保護(hù)效果越好.同時(shí),終端的查詢通信開(kāi)銷(xiāo)滿足M=min{j∈N|Dj?Sj},其中,Dj=Θ(q,),為需求空間,為前j個(gè)查詢結(jié)果與q間距離的最小值;Sj=Θ(q′,Rj),為供應(yīng)空間,Rj為pj與q′ 間的距離.
由于q、q′、POIs均是獨(dú)立的,且σ= q′-q 變化值服從正態(tài)分布,則通信開(kāi)銷(xiāo)M滿足概率分布[8]:
其中,M 的均值E(M)=α2+2αs1/2+2,方差V(M)= (5-π)α2+π1/2α,α= (πρ)1/2l.
由上述隱私保護(hù)度與通信開(kāi)銷(xiāo)的分析可知:用戶根據(jù)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)偏好設(shè)置的E(k)值較大時(shí),其通信開(kāi)銷(xiāo)會(huì)呈指數(shù)增大.因此,用戶在可承受的隱私保護(hù)強(qiáng)度范圍內(nèi)盡可能設(shè)置較少的E(k)與POIs返回?cái)?shù)量.
為了評(píng)價(jià)位置隱私保護(hù)方法的性能,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用業(yè)界認(rèn)可的Thomas Brinkhoff路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成器仿真平臺(tái)[9],算法采用Java實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)機(jī)器配置為Intel雙核1.73GHz CPU、2GB內(nèi)存,路網(wǎng)數(shù)據(jù)為Oldenburg城市道路結(jié)構(gòu)(區(qū)域面積為23.57km×26.92km),500個(gè)POIs由路網(wǎng)數(shù)據(jù)生成器隨機(jī)生成.
為了分析路網(wǎng)密度λ對(duì)用戶的通信開(kāi)銷(xiāo)影響,實(shí)驗(yàn)中設(shè)置返回POIs數(shù)量R=10,針對(duì)同一R值,分別取不同的λ值,比較不同λ取值下系統(tǒng)據(jù)此估算出最小路網(wǎng)區(qū)域,每組參數(shù)算法運(yùn)算100次,統(tǒng)計(jì)每組參數(shù)對(duì)應(yīng)的路網(wǎng)區(qū)域Ce的平均大小,比較結(jié)果如圖2(a)所示.
為了分析路網(wǎng)密度λ對(duì)用戶位置隱私保護(hù)強(qiáng)度的影響,在上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,同時(shí)設(shè)置用戶期望查詢
圖2 位置隱私保護(hù)方法性能示意圖
結(jié)果的返回次序k,k分別取值為1、2、3、4、5,每組參數(shù)設(shè)置下算法計(jì)算100次,統(tǒng)計(jì)每組參數(shù)對(duì)應(yīng)的查詢點(diǎn)平均偏移距離σ,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2(b)所示.
從圖2(a)的分析可知:在用戶通信開(kāi)銷(xiāo)預(yù)算下,終端實(shí)際通信開(kāi)銷(xiāo)與路網(wǎng)密度λ正相關(guān),但λ取值大于6后,用戶實(shí)際通信開(kāi)銷(xiāo)趨于穩(wěn)定.這是因?yàn)楫?dāng)λ值較小時(shí),增大λ值可使得單個(gè)投影點(diǎn)對(duì)應(yīng)的路網(wǎng)區(qū)域面積增大,故包含相同POIs數(shù)的路網(wǎng)范圍也相對(duì)增大,當(dāng)該范圍面積增大到一定程度后,滿足最小通信成本路網(wǎng)空間區(qū)域趨于不變.因此,該方法保證了服務(wù)器能以最小通信開(kāi)銷(xiāo)返回用戶所需情境信息.
從圖2(b)的分析可知:用戶的位置隱私保護(hù)效果與用戶風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)、路網(wǎng)密度正相關(guān),當(dāng)路網(wǎng)密度值較大時(shí),終端存儲(chǔ)粗粒度的位置情境信息,而據(jù)此設(shè)置較高隱私保護(hù)強(qiáng)度將導(dǎo)致查詢點(diǎn)偏移量相對(duì)較大,從而使得通信開(kāi)銷(xiāo)增大.因此,用戶可下載粒度相對(duì)較細(xì)的情境信息,實(shí)現(xiàn)通信開(kāi)銷(xiāo)與位置隱私保護(hù)的平衡.
為了比較自適應(yīng)情境位置隱私保護(hù)方法性能,進(jìn)行了兩組相關(guān)實(shí)驗(yàn).
試驗(yàn)1 不同系統(tǒng)架構(gòu)下位置保護(hù)方法對(duì)比.
實(shí)驗(yàn)中分別選取基于TTP的PrivacyGrid方法[10]和無(wú)TTP基于用戶協(xié)作的CoPrivacy方法[11]與文中方法進(jìn)行對(duì)比.實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:PrivacyGrid方法與CoPrivacy方法的移動(dòng)用戶數(shù)量為4 000,匿名參數(shù)m為5~25,用戶近鄰查詢需要的近鄰個(gè)數(shù)為10.文中方法中λ取值為6,用戶設(shè)置返回的POIs數(shù)量為10,期望查詢結(jié)果返回次序?yàn)?.以上方法均查詢100次,統(tǒng)計(jì)服務(wù)器端查詢結(jié)果平均值Savg和平均響應(yīng)時(shí)間Tavg.算法比較結(jié)果如圖3所示.
圖3 不同系統(tǒng)架構(gòu)下位置隱私保護(hù)方法比較圖
從圖3的分析可知:PrivacyGrid方法因匿名個(gè)數(shù)增長(zhǎng),其查詢區(qū)域、查詢結(jié)果、響應(yīng)時(shí)間均顯著增長(zhǎng);CoPrivacy方法雖然因P2P多跳通信使得網(wǎng)絡(luò)通信代價(jià)增大,但是增量近鄰查詢減少了查詢結(jié)果,因此也降低了響應(yīng)時(shí)間;自適應(yīng)情境的位置隱私保護(hù)方法采取了增量近鄰查詢的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)在系統(tǒng)架構(gòu)上使得終端直接與服務(wù)器直接通信,減少了中間通信環(huán)節(jié),因此該方法在通信開(kāi)銷(xiāo)與響應(yīng)時(shí)間均優(yōu)于前兩種方法.
試驗(yàn)2 相同系統(tǒng)架構(gòu)下位置保護(hù)方法對(duì)比.
實(shí)驗(yàn)中分別選取自適應(yīng)情境位置隱私保護(hù)方法與隨機(jī)選取查詢點(diǎn)的SpaceTwist隱私保護(hù)方法進(jìn)行對(duì)比分析.實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:前者的參數(shù)設(shè)置與不同系統(tǒng)架構(gòu)下位置隱私保護(hù)方法對(duì)比實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)保持一致;后者的設(shè)置查詢點(diǎn)偏移距離l為1、5、10.以上實(shí)驗(yàn)均查詢100次,統(tǒng)計(jì)平均通信開(kāi)銷(xiāo)Savg值和平均響應(yīng)時(shí)間Tavg.算法比較結(jié)果如圖4所示.
圖4 相同系統(tǒng)架構(gòu)下位置隱私保護(hù)方法比較圖
從圖4的分析可知:隨機(jī)選取查詢點(diǎn)的SpaceTwist方法通信開(kāi)銷(xiāo)與查詢點(diǎn)偏移距離正相關(guān),當(dāng)查詢點(diǎn)偏移真實(shí)位置較遠(yuǎn)時(shí),移動(dòng)終端獲得較高的位置隱私保護(hù)強(qiáng)度,但是增大了與服務(wù)器的通信開(kāi)銷(xiāo),而且查詢點(diǎn)的隨機(jī)選取導(dǎo)致通信開(kāi)銷(xiāo)不可控;而文中提出的位置隱私保護(hù)方法通信開(kāi)銷(xiāo)與用戶設(shè)置的期望值基本一致,因此用戶的通信開(kāi)銷(xiāo)可控,而且還保證了一定的隱私保護(hù)強(qiáng)度,故該方法對(duì)用戶具有較高的可控性與自主性.從移動(dòng)終端的平均響應(yīng)時(shí)間來(lái)看,當(dāng)SpaceTwist方法查詢點(diǎn)偏移距離較近時(shí),該方法較文中方法計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)要小,這是由于后者在情境感知與查詢點(diǎn)估算時(shí)需要一定的時(shí)間與計(jì)算開(kāi)銷(xiāo),但是前者的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)優(yōu)勢(shì)是以犧牲用戶位置隱私保護(hù)效果為代價(jià)的.由此可得,文中提出的方法較SpaceTwist方法實(shí)現(xiàn)了隱私保護(hù)度與通信開(kāi)銷(xiāo)、計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的平衡.
在不改變現(xiàn)有LBS系統(tǒng)架構(gòu)的條件下,提出了一種自適應(yīng)情境的位置隱私保護(hù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器的直接通信.該方法不僅通過(guò)服務(wù)器端構(gòu)建了多粒度抽象路網(wǎng)與位置情境模型,解決了終端位置情境信息感知時(shí)交互通信的難點(diǎn),而且終端根據(jù)用戶的個(gè)性化設(shè)置,實(shí)現(xiàn)了位置隱私保護(hù)度與通信開(kāi)銷(xiāo)、計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的平衡.但是文中提出的位置隱私保護(hù)方法的性能主要由路網(wǎng)密度決定的,而該值的選取一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn).因此,如何提高終端性能與路網(wǎng)密度選取的自適應(yīng)性將是下一步研究的重點(diǎn).
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