一种具有隐私保护的定位系统及方法

本发明属于隐私保护定位领域，特别是涉及一种具有隐私保护的定位系统及方法。

背景技术：

1、零和噪声机制(zero-sum noise mechanism)是一种隐私保护技术，是指向数据中添加特殊噪声从而隐藏原始信息的方法。与传统差分隐私保护技术不同的是，为实现隐私信息保护所添加的噪声可以在后续的计算中相互抵消，因此不影响数据的可用性。通常零和噪声可通过以下过程产生：首先，目标节点和n个锚节点分别产生n+1维随机矩阵，该矩阵中所有的元素之和为0。然后，每个节点保留随机矩阵的一个元素，并将剩余的n个元素广播给其余个节点。最后，每个节点根据当前已有的元素构造新的矩阵，各个节点的噪声项是该矩阵所有元素之和，且各个节点得到的噪声项之和为0。当使用零和噪声保护隐私时，各个节点将各自的噪声项加入信息中并发送出去。在不降低定位性能的前提下，各个节点可以通过对接收信息进行求和并加上自己的噪声项来得到其余节点的信息之和。同时，由于零和噪声生成过程不存在长字节指数和乘积运算，使用零和噪声添加机制可以实现高效的隐私保护。

技术实现思路

1、基于此，本发明针对异步无线传感器网络定位中存在的节点隐私位置信息泄露问题，提出了一种异步无线传感器网络定位的隐私保护方法，可以在考虑异步时钟的影响的同时实现隐私保护定位。

2、本发明首先提供了一种解决无线传感器网络时钟异步和隐私保护的模型：

3、考虑了一个二维无线传感器网络，网络中传感器节点分为两类：锚节点和目标节点。锚节点的位置是事先规划好且已知的，目标节点是需要定位的传感器节点。假设网络中存在n个(n≥3)锚节点，并定义xi,i＝1,...,n和x0为锚节点和目标节点的位置坐标。

4、锚节点和目标节点通过两轮广播信号来实现彼此的相对同步，在广播过程中加入零和噪声来实现对目标节点位置的隐私保护。广播过程如下：当网络中目标节点存在定位请求，目标节点和锚节点依次广播信号，目标节点和锚节点合作生成一组零和噪声，并将对应的噪声项加入信号中广播出去。第一轮广播中，当锚节点i广播信号，其它锚节点和目标节点接收信号并分别测量其本地时钟的到达时间戳，锚节点q相对于它的本地时钟到达时间戳记为tqi(1)，锚节点i的本地时钟发送时间戳记为tii(1)。相应地，第二轮广播中，锚节点i广播信号，锚节点q相对于它的本地时钟到达时间戳为tqi(2)，其中i,q＝1,...,n。

5、为了解决时钟异步带来的影响以及实现隐私保护，基于上述模型，本发明还提供了一种时钟误差补偿和隐私保护方法，具体步骤如下：

6、步骤s1、利用零和噪声进行隐私保护并在目标节点处解出发送时间戳。零和噪声可以在不影响定位精度的前提下实现隐私保护。在各个节点广播信号前，各个节点联合生成一组零和噪声。广播信号时，各个节点将噪声项加入本地的发送时间戳后并广播。各个节点可得到除本身的本地发送时间戳以外所有节点本地发送时间戳之和，可联合解出各节点的本地发送时间戳；

7、步骤s2、通过广播信号记录的时间戳测量值估计目标节点与锚节点之间的相对时钟偏差。利用本地时间和理想时间之间的关系，通过两轮广播记录的本地时间戳，计算任意锚节点两轮广播的理想时间间隔，即可建立方程估计目标节点和锚节点之间的相对时钟偏差；

8、步骤s3、利用得到的相对时钟偏差和被零和噪声保护的时间戳对受异步时钟影响的飞行时间进行补偿并计算理想飞行时间。受异步时钟影响的飞行时间是由本地时间戳计算而来，利用相对时钟偏差来对异步时钟造成的误差进行补偿，得到理想的飞行时间；

9、步骤s4、使用理想飞行时间和已知锚节点位置对目标节点进行定位。锚节点的位置已知，目标节点与锚节点之间的距离可通过理想飞行时间计算，即可实现目标节点定位。

10、本发明的有益效果：本发明用于隐私保护的零和噪声生成方式简单，不需要消耗过多的计算和通信资源，噪声易于消除，不会影响定位的精度，适用于多种定位方案。本发明使用的系统结构简单，只需广播信号并简单地记录时间戳，对时间戳进行隐私保护和处理，就可以实现隐私保护的同时消除异步时钟对定位精度的影响。

技术特征：

1.一种具有隐私保护的定位系统及方法，其特征在于：包含位置未知的目标节点和锚节点；在目标节点定位时，目标节点和锚节点进行两轮广播信号，各个节点广播信号时会发送其本地发送时间戳或上一轮广播的本地接收时间戳；各个节点通过记录信号发送和到达的本地时间戳来计算目标节点和锚节点之间的相对时钟偏差，并对异步时钟造成的误差进行补偿，得到理想的无偏飞行时间；通过无偏飞行时间计算出目标节点与锚节点之间的距离，再使用基于距离的定位模型定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于零和噪声的隐私保护定位系统及方法，其特征在于，包含一种基于零和噪声添加的方法，防止异步定位过程中的隐私信息泄露，使用零和噪声保护信号并在目标节点处解出必要时间戳，从而保护定位过程中的隐私信息，包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于零和噪声的隐私保护定位系统及方法，其特征在于，包含一种异步时钟误差消除方法，包括以下步骤：

技术总结
随着无线传感器网络的快速发展，人们对高精度定位技术的需求日益强烈，传感器网络的异步时钟和安全问题使得定位更具挑战性。本发明关注无线传感器网络的隐私保护异步定位问题，提供了一种具有隐私保护的定位系统及方法。具体来说，构建了包括目标节点和锚节点的无线传感器网络。然后，提供了一种异步定位方法，通过两轮节点广播记录的时间戳来估计目标节点与各个锚节点之间的相对时钟偏差并对异步时钟造成的误差进行补偿，使用补偿后的无偏飞行时间估计目标传感器节点的位置。值得一提的是，所提出的定位算法实现了目标节点位置的隐私保护，但它们没有采用任何同态加密技术，也就意味着不会消耗过多计算资源。更重要的是，它们可以消除异步时钟的影响，即时钟偏差和偏移。本发明提出的定位方法可以避免位置信息的泄漏，同时与其他隐私保护的工作相比，定位精度可以不被影响。

技术研发人员：谢良波,李霖艺,杨小龙,聂伟,王勇,周牧
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23