移動(dòng)群智感知下的位置隱私保護(hù)與任務(wù)分配方案*

劉 凱，韓益亮，郭凱陽(yáng)，吳日銘

（1.武警工程大學(xué)密碼工程學(xué)院，西安 710086；2.武警部隊(duì)密碼與信息安全保密重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710086）

0 引言

移動(dòng)群智感知（mobile crowd sensing，MCS）作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)感知范式，融合了眾包思想與移動(dòng)感知技術(shù)，已經(jīng)成為了一種新型的信息服務(wù)模式和信息傳播方式［1］。尤其是隨著配備有傳感設(shè)備的智能手機(jī)的普及，使得MCS 迅速走進(jìn)大眾的視野，大量具備感知能力的移動(dòng)智能終端通過(guò)協(xié)同合作完成某一感知任務(wù)，為用戶提供個(gè)性化服務(wù)［2］。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，MCS 不需要專門安裝傳感設(shè)備，不僅節(jié)省了大量的人力物力，而且利用移動(dòng)用戶的動(dòng)態(tài)性與時(shí)效性進(jìn)行任務(wù)感知更加契合大數(shù)據(jù)的時(shí)代特點(diǎn)［3］。目前，MCS 已經(jīng)在交通、醫(yī)療、工業(yè)、社區(qū)服務(wù)等方面有了廣泛應(yīng)用［4-7］。近年來(lái)，基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)發(fā)展迅速，信息化條件下的新型作戰(zhàn)力量不斷涌現(xiàn)［8］，MCS 平臺(tái)能夠幫助信息作戰(zhàn)系統(tǒng)提高指揮控制效率，充分發(fā)揮信息系統(tǒng)互聯(lián)、互通、互操作的融合功能。

目前在MCS 方面的研究主要集中在激勵(lì)機(jī)制、任務(wù)分發(fā)及位置隱私保護(hù)等方面，尤其是關(guān)于位置隱私的保護(hù)問題已經(jīng)成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

文獻(xiàn)［9］在移動(dòng)群智感知的基礎(chǔ)上提出了稀疏移動(dòng)群智感知的概念，并利用本地化差分隱私機(jī)制保護(hù)用戶的位置隱私，稀疏MCS 平臺(tái)根據(jù)用戶提交的數(shù)據(jù)推理未知區(qū)域的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［10］提出并評(píng)估了一種新的基于嵌入和聚類的時(shí)空模糊機(jī)制，并引出了概率k-匿名的概念。文獻(xiàn)［11］提出了一種位置隱私保護(hù)的任務(wù)分配框架與地理模糊機(jī)制，以保護(hù)在任務(wù)分配過(guò)程中用戶的位置隱私安全。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了一種與參與者密度無(wú)關(guān)的聚合統(tǒng)計(jì)方案來(lái)保護(hù)用戶的位置隱私，首先利用多假名機(jī)制來(lái)克服低密度參與者帶來(lái)的脆弱性問題，而后提出了基于Paillier 密碼系統(tǒng)的方案來(lái)應(yīng)對(duì)假名機(jī)制帶來(lái)的女巫攻擊問題，最后通過(guò)引入一個(gè)實(shí)體的身份服務(wù)器來(lái)解決用戶的問責(zé)問題。

現(xiàn)有的方案注重在用戶上傳感知數(shù)據(jù)的過(guò)程中對(duì)用戶的位置信息進(jìn)行保護(hù)，但對(duì)平臺(tái)下發(fā)的任務(wù)信息的保護(hù)，以及引入第三方服務(wù)器可能導(dǎo)致的隱私泄露問題考慮還不夠全面。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)了一種基于差分隱私與屬性加密的位置隱私保護(hù)與任務(wù)分配方案，不僅可以在用戶上傳數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)用戶的位置信息進(jìn)行保護(hù)，在MCS 平臺(tái)下發(fā)任務(wù)時(shí)也能防止任務(wù)點(diǎn)的信息泄露。本文所做主要工作如下：1）考慮人流量密度對(duì)任務(wù)點(diǎn)選擇的影響，減小用戶在位置混淆后產(chǎn)生的距離誤差，提高了混淆位置的可用性。2）結(jié)合位置轉(zhuǎn)移概率矩陣與差分隱私的性質(zhì)，保證生成的混淆位置具有相似的位置轉(zhuǎn)移概率，在時(shí)間序列上滿足差分隱私保護(hù)。3）引入第三方服務(wù)器進(jìn)行概率轉(zhuǎn)移矩陣的離線生成，提高了方案的運(yùn)行效率。因?yàn)榈谌椒?wù)器只負(fù)責(zé)位置信息的收集與矩陣的生成工作，不參與用戶的位置信息上傳與MCS 平臺(tái)發(fā)布任務(wù)的過(guò)程，避免了第三方服務(wù)器不可信的問題。

1 預(yù)備知識(shí)

1.1 屬性加密

屬性加密分為密鑰策略的屬性加密（KP-ABE）和基于密文策略的屬性加密（CP-ABE）。KP-ABE使用屬性來(lái)描述加密的數(shù)據(jù)，并將策略構(gòu)建到用戶密鑰中；而在CP-ABE 中，屬性被用來(lái)描述用戶的憑證，而加密數(shù)據(jù)的一方構(gòu)建解密的策略［13］。基于密文策略的屬性加密方案一般包括以下4 個(gè)算法：1）Setup 輸入安全參數(shù)后生成公共密鑰Pk 和主密鑰Msk。2）KeyGen 輸入公鑰Pk、主密鑰Msk、屬性集合S，生成私鑰Sk。3）Encrypt 將公鑰Pk、消息M和屬性域的訪問結(jié)構(gòu)A 作為輸入，對(duì)M 進(jìn)行加密，并生成密文CT。4）Decrypt 解密算法以Pk、密文CT、包含訪問策略A 和私鑰Sk 作為輸入。如果屬性集S 滿足訪問結(jié)構(gòu)A，則算法將解密密文并返回消息M。

1.2 差分隱私

差分隱私模型的基本思想是在原始數(shù)據(jù)集或者在數(shù)據(jù)集傳輸?shù)倪^(guò)程中添加噪聲，來(lái)達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)隱私屬性的目的。差分隱私可大致分為以下兩大類［14］：中心化差分隱私和本地化差分隱私。中心化差分隱私是將用戶數(shù)據(jù)集中在一個(gè)可信的中心服務(wù)器上，通過(guò)中心服務(wù)器對(duì)用戶的數(shù)據(jù)集進(jìn)行加噪處理，使其滿足差分的需求，所以數(shù)據(jù)集的安全性很大程度上依賴中心服務(wù)器的可靠性；本地化差分隱私是將數(shù)據(jù)處理的過(guò)程交由移動(dòng)端完成，依靠用戶個(gè)人對(duì)敏感信息進(jìn)行保護(hù)。

假設(shè)算法A 是運(yùn)行在服務(wù)器上的算法，在數(shù)據(jù)集D 和D'上的任意輸出結(jié)果O 滿足式（1），則說(shuō)明算法A 滿足ε-差分隱私：

2 基于差分隱私與屬性加密的移動(dòng)群智感知模型

2.1 場(chǎng)景預(yù)設(shè)

在城市反恐中，作戰(zhàn)單元需要收集自己附近的環(huán)境信息，并將收集到的信息上傳給前指中心。前指中心需要根據(jù)作戰(zhàn)單元提供的戰(zhàn)場(chǎng)信息合理地分配任務(wù)，確保作戰(zhàn)指揮的科學(xué)高效。同時(shí)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求，作戰(zhàn)單元還要將自身信息共享給其他作戰(zhàn)單元，保證信息共享，確保任務(wù)的高效完成。每個(gè)作戰(zhàn)單元在執(zhí)行感知任務(wù)前都需向前指中心提交個(gè)人信息，前指中心擁有所有作戰(zhàn)單元的屬性信息。

如圖1 所示，各作戰(zhàn)單元作為移動(dòng)群智感知任務(wù)的參與者，負(fù)責(zé)收集環(huán)境信息，將信息上傳給前指中心。前指中心作為MCS 的服務(wù)平臺(tái)，負(fù)責(zé)將用戶提交的信息進(jìn)行整合處理，同時(shí)根據(jù)用戶所處的位置信息，合理地進(jìn)行任務(wù)分配，并將任務(wù)信息進(jìn)行加密后傳輸給作戰(zhàn)單元。第三方服務(wù)器根據(jù)收集的歷史信息，生成位置混淆模塊，用于隱藏用戶的真實(shí)位置。

圖1 群智感知模型圖Fig.1 Mobile swarm perception model diagram

2.2 位置隱私保護(hù)與任務(wù)分配方案流程

本文針對(duì)MCS 平臺(tái)中數(shù)據(jù)上傳與任務(wù)下發(fā)時(shí)存在的隱私泄露問題，提出了一種基于差分隱私與屬性加密的位置隱私保護(hù)方案。在生成位置混淆模塊時(shí)，本文以一階馬爾可夫鏈生成的位置概率轉(zhuǎn)移矩陣混淆用戶位置，同時(shí)以作戰(zhàn)單元移動(dòng)距離最小為限制條件構(gòu)造混淆函數(shù)。既確?；煜蟮奈恢门c作戰(zhàn)單元的真實(shí)位置之間滿足差分隱私的需求，又保證了任務(wù)分配的合理性。在任務(wù)信息的下發(fā)過(guò)程中，創(chuàng)新性地使用屬性加密的方法，以用戶的屬性信息構(gòu)建基于CP-ABE 的任務(wù)加密與解密算法，確保任務(wù)點(diǎn)信息在下發(fā)過(guò)程中的安全問題。所提方案主要包括以下4 個(gè)流程：

2.2.1 離線生成位置混淆模塊

MCS 平臺(tái)下發(fā)的任務(wù)一般是由系統(tǒng)內(nèi)的其他用戶發(fā)布的，所以人流量密集，人員活動(dòng)頻繁的地區(qū)，成為任務(wù)區(qū)域的概率也更高［15］。假設(shè)某區(qū)域內(nèi)一天的活動(dòng)軌跡點(diǎn)總數(shù)為m，單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的活動(dòng)軌跡點(diǎn)數(shù)為n，該網(wǎng)格內(nèi)一天的人流量密度，該地區(qū)被選為任務(wù)點(diǎn)的概率與成正比。

在服務(wù)中心分配任務(wù)時(shí)，為了保證用戶的移動(dòng)距離最短，所以會(huì)優(yōu)先考慮距離用戶位置近的任務(wù)點(diǎn)，而在任務(wù)區(qū)域的選擇上，距離用戶上傳位置信息較近的區(qū)域會(huì)以較高的概率被分配給用戶。那么將劃分后的網(wǎng)格中心O 作為任務(wù)點(diǎn)，任務(wù)點(diǎn)與任務(wù)參與者之間的距離為r，設(shè)為區(qū)域l 被選為任務(wù)點(diǎn)的概率，則與距離函數(shù)成反比。

假設(shè)用戶當(dāng)前時(shí)刻所處的位置為l，經(jīng)過(guò)位置混淆函數(shù)處理后，將用戶的位置映射到l1，如果存在區(qū)域l'與l 具有相似的概率被映射到l1，即滿足式（2），則稱其滿足隱私保護(hù)強(qiáng)度為ε 的差分隱私。其中表示從用戶的真實(shí)位置區(qū)域l 混淆到l1的概率，表示區(qū)域l'混淆到l1的概率。

經(jīng)過(guò)位置混淆模塊混淆后的位置并不是用戶的真實(shí)位置，如圖2 所示，MCS 服務(wù)平臺(tái)是用戶上傳的位置為依據(jù)，將距離用戶最近的任務(wù)點(diǎn)分配給移動(dòng)用戶。因此，為了減小用戶移動(dòng)距離對(duì)任務(wù)分配的影響，在構(gòu)建位置混淆函數(shù)時(shí)，需要考慮位置混淆后帶來(lái)的距離誤差。因?yàn)橛脩羰孪炔⒉恢廊蝿?wù)點(diǎn)的位置，所以對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，區(qū)域L 內(nèi)的所有位置都有可能成為任務(wù)點(diǎn)，設(shè)l*為服務(wù)器給用戶分配的任務(wù)地點(diǎn)，為用戶的真實(shí)位置與任務(wù)點(diǎn)的距離，為混淆后的位置與任務(wù)點(diǎn)之間的距離。則混淆位置后引起的誤差距離為：

圖2 任務(wù)分配示意圖Fig.2 Schematic diagram of task allocation

2.2.2 移動(dòng)端的位置混淆

用戶在移動(dòng)端下載位置混淆模塊，用戶需輸入自身的位置信息，并選擇適當(dāng)?shù)碾[私保護(hù)強(qiáng)度ε，通過(guò)位置混淆函數(shù)將自己的真實(shí)位置映射到一個(gè)虛假的位置，而后上傳給MCS 服務(wù)中心。因?yàn)榈谌椒?wù)器只負(fù)責(zé)生成位置混淆模塊，并且位置混淆的過(guò)程在移動(dòng)端完成，所以真實(shí)的位置信息只有參與者自身知道，避免了由于第三方服務(wù)器不可信而產(chǎn)生的隱私泄露問題。

2.2.3 前指服務(wù)器進(jìn)行任務(wù)分配與加密處理

MCS 服務(wù)器接收到用戶提交的位置信息后，按照距離最近的原則給用戶分配任務(wù)。在確定用戶的任務(wù)點(diǎn)后，為了保護(hù)任務(wù)點(diǎn)的隱私安全，利用屬性加密的方法對(duì)分配的任務(wù)位置進(jìn)行加密，并將其傳輸給移動(dòng)用戶。

采用分層級(jí)的樹形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)信息的加密，可有效抵抗合謀攻擊。服務(wù)器需要首先確定訪問樹T 的結(jié)構(gòu)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)和閾值描述的閾門由非葉子節(jié)點(diǎn)表示［16］，若numx為節(jié)點(diǎn)x 的子節(jié)點(diǎn)數(shù)且節(jié)點(diǎn)閾值為kx，kx的取值范圍為（0，numx］。設(shè)Tx為根節(jié)點(diǎn)為x 的子樹，如果用戶的一組屬性集合Sx滿足訪問樹Tx，則表示為Tx（Sx）=1。

1）選取一個(gè)素?cái)?shù)階P 的雙線性群G，并選取發(fā)生器g，則雙線性映射為：

2）密鑰生成算法以一組屬性集合S 作為輸入，生成由屬性集合標(biāo)識(shí)的密鑰Sk，屬性集合S 為用戶的屬性子集。隨機(jī)選擇，任取，計(jì)算Dy和Dj，則密鑰生成為：

3）使用密鑰對(duì)任務(wù)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行加密，服務(wù)器通過(guò)訪問樹結(jié)構(gòu)指定私鑰必須滿足的策略。加密時(shí)首先為訪問樹的每個(gè)節(jié)點(diǎn)x 選擇一個(gè)多項(xiàng)式qx，且多項(xiàng)式的次數(shù)m 與節(jié)點(diǎn)的閾值k 之間應(yīng)滿足mx=kx-1。在算法開始時(shí)，選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，且從根節(jié)點(diǎn)R 開始，有，而后選擇多項(xiàng)式的其他點(diǎn)來(lái)進(jìn)行完整定義。

假設(shè)Y 是T 的葉子節(jié)點(diǎn)集合，則對(duì)于葉子節(jié)點(diǎn)y?Y 有：

因此，密文的組成結(jié)構(gòu)為

2.2.4 客戶端解密任務(wù)點(diǎn)

用戶端接收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的加密信息后，將自己的屬性信息輸入得到私鑰進(jìn)行解密，如果用戶的屬性符合訪問結(jié)構(gòu)，那么用戶就可以解密密文得到任務(wù)點(diǎn)的具體信息，如果用戶的屬性不符合訪問結(jié)構(gòu)，用戶就無(wú)法解密得到任務(wù)點(diǎn)的位置，任務(wù)點(diǎn)的隱私信息就得到了保護(hù)。具體的解密過(guò)程如下：

如果S 滿足訪問樹的整體或者部分結(jié)構(gòu)，那：

客戶端根據(jù)自身屬性信息解密后得到任務(wù)點(diǎn)的信息，即可前往任務(wù)點(diǎn)完成平臺(tái)發(fā)布的任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

本文采用Geolife 數(shù)據(jù)集進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該GPS軌跡數(shù)據(jù)集收集了182 名用戶從2007 年4 月至2012 年8 月的活動(dòng)路線，記錄了用戶廣泛的戶外活動(dòng)，如購(gòu)物、觀光、徒步旅行等，一共包含17 621 條軌跡信息，這些軌跡都按時(shí)間序列進(jìn)行存儲(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下：Intel i7-7700K 3.6 GHz，8 GB 內(nèi)存，Microsoft Windows 10 操作系統(tǒng)，模型算法均在Pycharm2019 下實(shí)現(xiàn)。

Geolife 數(shù)據(jù)集中的用戶活動(dòng)范圍以時(shí)間進(jìn)行分類，選取用戶在2008 年11 月21 日至11 月24日內(nèi)活動(dòng)的軌跡點(diǎn)，將用戶每天的活動(dòng)軌跡劃分為一組數(shù)據(jù)，共生成4 組數(shù)據(jù)集。下頁(yè)圖3 是使用ARCMAP 軟件生成的用戶歷史移動(dòng)軌跡路線。將用戶所在區(qū)域劃分為邊長(zhǎng)為1 km 的正方形網(wǎng)格，并進(jìn)行標(biāo)號(hào)，統(tǒng)計(jì)用戶在各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的活動(dòng)軌跡點(diǎn)，即可計(jì)算出各網(wǎng)格內(nèi)人員流動(dòng)密度。圖4 與圖5 分別為不同時(shí)間內(nèi)同一地區(qū)的人員流動(dòng)數(shù)量與統(tǒng)計(jì)的人員流動(dòng)密度圖，可以看出，即使在相同的地區(qū)，不同時(shí)間內(nèi)的人流量與人員流動(dòng)密度差別也較大。

圖3 用戶歷史軌跡圖Fig.3 User’s history track diagram

圖4 人員流動(dòng)數(shù)量圖Fig.4 The personnel flow quantity diagram

圖5 各網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)人員流動(dòng)密度Fig.5 Human flow density in each grid area

3.1 任務(wù)選取方式

本文與文獻(xiàn)［9］中基于Spare MCS 概念生成混淆函數(shù)的算法進(jìn)行對(duì)比，二者都采用了差分隱私的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶位置信息的混淆，但在混淆區(qū)域的選擇上，該算法考慮到人流密度以及用戶移動(dòng)距離對(duì)任務(wù)點(diǎn)選取的影響，而稀疏MCS 算法則賦予各網(wǎng)格相同的概率來(lái)確定任務(wù)區(qū)域。

從圖6 可以看出，在不同的數(shù)據(jù)集中，用戶與任務(wù)點(diǎn)之間的距離雖然有所浮動(dòng)，但總體變化趨勢(shì)相同。隨著f（r）中k的增大，考慮人流量密度影響下的距離也隨之接近SpareMCS 算法下的距離，并且當(dāng)k取值大于4 后，前者的距離小于后者，變化速率也隨之減小。

圖6 用戶位置與任務(wù)點(diǎn)之間的距離Fig.6 Distance between user’s location and task point

3.2 誤差分析

設(shè)置差分隱私保護(hù)中的拉普拉斯（Laplace）機(jī)制作為對(duì)照組，對(duì)比了不同隱私強(qiáng)度下，混淆位置與任務(wù)點(diǎn)之間的距離，以及混淆位置與真實(shí)位置之間的距離，下頁(yè)圖7、圖8 分別比較了混淆位置與真實(shí)位置以及混淆位置與任務(wù)點(diǎn)之間的距離，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同的數(shù)據(jù)集上，本文算法生成的混淆位置在空間距離方面都更加接近用戶的真實(shí)位置和任務(wù)區(qū)域，表明與Laplace 機(jī)制相比，本文算法不僅能夠保護(hù)用戶的位置隱私信息，同時(shí)也能夠降低混淆用戶位置后帶來(lái)的誤差距離，提高了方案的可用性。

圖7 混淆位置與任務(wù)點(diǎn)的距離Fig.7 The distance between the confusion location and the task point

圖8 混淆位置與真實(shí)位置之間的距離Fig.8 The distance between the confusion location and the real location

3.3 運(yùn)行時(shí)間開銷

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了本文方案、Laplace 機(jī)制以及無(wú)隱私保護(hù)（NP）情況下任務(wù)分配的時(shí)間開銷，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著軌跡點(diǎn)數(shù)量的增加，3 種方案的運(yùn)行時(shí)間都呈上升趨勢(shì)。圖9 為在線生成概率轉(zhuǎn)移矩陣時(shí)，各方案的運(yùn)行時(shí)間對(duì)比，因?yàn)楸疚姆桨感枰y(tǒng)計(jì)用戶的歷史運(yùn)動(dòng)信息，所以需要的時(shí)間開銷更大，整體運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，其次是Laplace 機(jī)制下的位置混淆方法，二者都滿足差分隱私的要求，比NP 情況下的任務(wù)分配所需時(shí)間更長(zhǎng)。本文方案中生成概率轉(zhuǎn)移矩陣的過(guò)程可以在第三方服務(wù)器上離線完成，如圖10 所示，在任務(wù)分配之前進(jìn)行信息收集與矩陣生成，那么任務(wù)分配所需的時(shí)間開銷就可以大大減小，任務(wù)分配的時(shí)間就與Laplace 機(jī)制下的時(shí)間接近。

圖9 在線生成概率轉(zhuǎn)移矩陣Fig.9 On-line generation of probabilistic transition matrix

圖10 離線生成概率轉(zhuǎn)移矩陣Fig.10 Off-line generation of probability transition matrix

4 結(jié)論

隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)群智感知這種新穎的互聯(lián)網(wǎng)感知也逐漸走進(jìn)大眾的視野，成為一種新型的信息傳播與交互模式。在參與感知任務(wù)過(guò)程中，感知用戶的個(gè)人身份、位置訪問模式等諸多隱私信息面臨著泄露的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)移動(dòng)感知任務(wù)中感知用戶的位置信息和任務(wù)信息的安全問題，提出了一種基于差分隱私與屬性加密的隱私保護(hù)方案，利用差分隱私技術(shù)對(duì)感知用戶上傳的位置信息進(jìn)行混淆，在MCS 平臺(tái)下發(fā)任務(wù)信息時(shí)進(jìn)行屬性加密，只有滿足條件的用戶才能對(duì)任務(wù)信息解密。同時(shí)引入第三方服務(wù)器負(fù)責(zé)位置混淆模塊的生成，既提高了方案的整體效率，也不會(huì)因?yàn)榈谌椒?wù)器的可信性問題產(chǎn)生隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文方案在隱私保護(hù)強(qiáng)度與控制誤差方面有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)運(yùn)行效率也比較高。