毛典輝，曹健，蔡強，李海生

（北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京 100048）

1 引言

近年來，隨著移動智能終端的普及與發(fā)展，與位置相關(guān)的空間信息服務(wù)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，如移動用戶通過終端設(shè)備查詢“離我最近的銀行在哪？”、“我所在的高速公路上的道路交通情況如何？”、“到達XX大廈最近的路徑”等，或者在移動社交網(wǎng)絡(luò)中向好友分享自己的實時行蹤，這些基于位置的服務(wù)（LBS, location based service）使得用戶能夠?qū)崟r獲取位置情境信息，從而極大地改善人們的生活以及信息服務(wù)方式。然而，用戶在消費LBS服務(wù)的同時，需向服務(wù)器發(fā)送包含個人位置信息的數(shù)據(jù)，而服務(wù)提供商不能保證用戶信息被其他惡意攻擊者竊取或被非法使用，攻擊者可據(jù)此推斷出用戶的生活習(xí)慣、工作背景等諸多個人隱私信息[1]，因此這引發(fā)了用戶的擔(dān)憂，故位置隱私信息能否得到妥善保護成為制約LBS系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展的瓶頸[2]。

目前已有的位置隱私保護方法大都通過模糊用戶真實位置或混淆用戶真實身份的方式保護位置隱私，這些方法適用于特定的時空情境，而在LBS實際應(yīng)用中，用戶位置變化不定，其隱私保護意識個性化、主觀化，容易因身份、環(huán)境、應(yīng)用甚至心情的不同而改變，這使得如何根據(jù)用戶位置情境以及個性化隱私保護需求提供相應(yīng)的隱私保護服務(wù)成為一個亟待解決的難題[3]，因此，研究情境感知的位置隱私保護技術(shù)成為當前 LBS應(yīng)用中極具潛力的發(fā)展方向。本文將從位置隱私與時空情境的特點出發(fā)，對現(xiàn)有的位置隱私保護方法進行了分類總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上對情境感知的位置隱私保護方法進行綜述，討論該領(lǐng)域存在的研究難點以及今后的發(fā)展趨勢。

2 位置隱私保護概述

隱私是指個人、機構(gòu)等實體不愿意被外部知曉的信息，而位置隱私是一種特殊的信息隱私，是防止其他人以任何方式獲知對象過去、現(xiàn)在的位置。在基于位置的服務(wù)中，用戶的位置隱私信息既包括與時空相關(guān)的位置信息，也包含能推斷用戶個人隱私（如個人的家庭工作地點、收入水平、生活習(xí)慣、健康狀況等）的查詢請求，因此，位置隱私保護的目的是保證用戶的敏感信息不泄露，同時防止攻擊者在未經(jīng)授權(quán)的情況下獲取用戶的原始數(shù)據(jù)，并計算推理出與位置相關(guān)的個人隱私信息[4]。

在LBS服務(wù)實現(xiàn)過程中，用戶需經(jīng)歷位置感知與移動信息服務(wù)2個階段：位置感知的目的是通過感知環(huán)境中與對象時空位置相關(guān)的可用信息, 使得計算設(shè)備自動自主地進行推理、決策和計算，從而實現(xiàn)透明的、精確的服務(wù)。移動信息服務(wù)是指在移動環(huán)境中依據(jù)用戶顯式或隱式的請求提供與用戶所處情境相關(guān)的信息載體[5]。在基于情境感知的LBS服務(wù)中，服務(wù)的準確性與用戶提供的情境信息精確性直接相關(guān)，當用戶的位置情境信息越精確，其服務(wù)質(zhì)量越高，但導(dǎo)致用戶位置隱私泄露的風(fēng)險增加，因此，二者之間存在著天然的矛盾。

為了實現(xiàn)隱私保護度與服務(wù)質(zhì)量間的平衡，相應(yīng)的隱私保護方法必須從位置隱私的基本特性以及用戶所處情境的上下文信息綜合分析，這決定了位置隱私保護是一個動態(tài)變化的過程?？傮w來說，基于情境感知的位置隱私保護具有以下特征。

1) 位置隱私與情境感知信息具有個體性。位置隱私的界定受到社會因素和個體因素的共同影響，其界定過程是主觀的，不同文化背景的個體對同一信息往往表現(xiàn)出差異性的價值取向和界定標準，因而位置隱私具有個體性。同時，用戶感知的情境信息與其當前位置、環(huán)境相關(guān)，因此用戶的情境信息表現(xiàn)出較大的差異性與個體性。

2) 位置隱私與情境感知信息具有動態(tài)性。即使用戶主體確定，但隨著用戶所處場景的不同，用戶位置隱私的界定發(fā)生變化，其情境信息也隨著變化，因此二者具有較大的動態(tài)可變性。

3) 位置隱私與情境感知信息具有整體性和綜合性。位置隱私是自然要素、社會要素、經(jīng)濟要素共同作用的對象，因而對位置隱私的研究必然要涉及到自然、社會與經(jīng)濟等多種因素。而位置情境信息與用戶的所處環(huán)境有關(guān)（交通路網(wǎng)密集程度、人流量、移動速度與方向等信息），因此對二者的研究必須從整體上綜合考慮。

3 位置隱私保護方法研究現(xiàn)狀分析

目前 LBS中已取得的位置隱私保護方法大體上可以分為2類：基于隱私保護策略和基于隱私保護模型，前者是指用戶通過設(shè)置 LBS 應(yīng)用中所提供的策略與規(guī)則實現(xiàn)位置隱私保護；后者則指通過特定模型與算法將用戶位置模糊化或虛假化從而保護用戶位置隱私[6]。

3.1 基于隱私保護策略

在 LBS消費過程中，用戶作為位置隱私的持有者對位置信息具有絕對的控制權(quán)，在信息生命周期內(nèi)，用戶根據(jù)風(fēng)險偏好可自主設(shè)置隱私保護要求，系統(tǒng)通過上下文感知可自動完成隱私策略的制定[7]，如文獻[8]從普適計算的角度研究了隱私策略的表示及其策略推理演變，但是沒有明確給出具體的隱私保護解決方案。另外，現(xiàn)有的隱私保護策略研究大多通過提高策略覆蓋的完整性、策略描述的準確性來增強隱私保護策略的合理性，同時對用戶以及服務(wù)請求進行分類實現(xiàn)簡化用戶使用體驗的策略設(shè)置[9]，如文獻[10]基于 SPPF樹結(jié)構(gòu)的策略索引模型優(yōu)化了策略庫的管理。然而，該類研究成果存在一個共性不足：即大部分隱私保護策略是根據(jù)特定情境而制定，不同LBS應(yīng)用系統(tǒng)的隱私保護策略缺乏通用性與可讀性，這使得在不同情境間的策略遷移與傳遞問題制約了該技術(shù)的發(fā)展，因此，越來越多的研究傾向使用隱私保護模型。

3.2 基于隱私保護模型

用戶位置隱私信息由個人標識信息和位置信息組成，位置隱私保護模型的目標是混淆用戶身份或者位置信息，故采取的方法主要有：空間匿名、假地址查詢、假名查詢等，而隱私保護模型總體上可歸納為2種：位置K-匿名模型[11]以及SpaceTwist模型[12]。前者將單一用戶位置點替換為k個用戶組成的群組區(qū)域，使得攻擊者無法進行用戶區(qū)分，從而實現(xiàn)用戶身份與位置信息保護；后者通過移動終端直接發(fā)送假位置點至服務(wù)提供商進行增量近鄰查詢，直至返回用戶所需的近鄰結(jié)果為止。

上述的隱私保護模型在實際LBS系統(tǒng)中因應(yīng)用情境差異表現(xiàn)出諸多局限性，主要體現(xiàn)為如下幾點。

1) 模型參數(shù)主觀設(shè)置影響隱私保護效果。模型應(yīng)用于特定的時空情境時，模型參數(shù)一般由用戶主觀設(shè)定，如K-匿名模型中K值設(shè)置、SpaceTwist模型中初始位置點的偏移距離，而用戶隱私保護意識具有較強的主觀性與隨意性，因此在同一時空情境中，不同的參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致隱私保護效果表現(xiàn)出較大差異[13]。文獻[14]從關(guān)系數(shù)據(jù)的角度提出了K-匿名模型中K值的優(yōu)選策略，但是沒有在空間數(shù)據(jù)應(yīng)用中進行討論。文獻[15]針對SpaceTwist模型提出了使用用戶群組中心點代替隨機挑選初始位置的策略，但是在用戶合作模式下，用戶數(shù)量無法得到保證，因此該策略的有效性值得懷疑。

2) 模型隱私保護效果與服務(wù)質(zhì)量易失衡。隱私保護度與服務(wù)質(zhì)量是一對矛盾，模型參數(shù)的主觀設(shè)置不僅影響隱私保護效果，而且影響服務(wù)質(zhì)量。當用戶不合理的參數(shù)設(shè)置使得K-匿名模型的模糊區(qū)域過大或者 SpaceTwist模型的假位置偏移距離過遠，從而增加了終端與服務(wù)器的計算開銷以及通信開銷，降低了系統(tǒng)通信效率[16,17]。文獻[18]在K-匿名模型研究中提出δp-隱私模型和δq-質(zhì)量模型來均衡隱私保護與服務(wù)質(zhì)量的矛盾，但是缺乏理論分析與定量結(jié)果比較。

3) 模型隱私保護效果無法適應(yīng)時空情境變換?，F(xiàn)有研究成果大都是針對特定時空情境改進上述模型從而提高隱私保護強度或系統(tǒng)性能，如K-匿名模型，文獻[19]在快照查詢情境下利用其思想提出隱匿子圖的位置保護方法、文獻[20]在連續(xù)導(dǎo)航查詢應(yīng)用中利用其思想擴展 Mix-Zone實現(xiàn)軌跡隱私保護；然而必須指出的是，該類方法的隱私保護效果都是以用戶合作為基礎(chǔ)，當系統(tǒng)中用戶密度較大時，上述方法能獲得較好的保護效果，但當用戶較為稀疏時，系統(tǒng)的匿名性無法得到保證，因此在復(fù)雜的時空情境變化中，系統(tǒng)內(nèi)用戶密度無法保持一致，這將導(dǎo)致模型匿名穩(wěn)定性無法獲得保障。另外，在SpaceTwist模型應(yīng)用中，查詢點的偏移距離應(yīng)與用戶所處情境相關(guān)，當用戶處于路網(wǎng)密集區(qū)域，人流量大、交叉路口多，較小的位置偏移量即可獲得較好的隱私保護效果；反之，路網(wǎng)稀疏區(qū)域，較大的位置偏移量才能保證一定的隱私保護效果[5]，因此，模型的改進必須具備自適應(yīng)用戶時空情境變化的要求。

4) 模型應(yīng)用性能受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)局限。位置隱私保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前主要有基于 TTP（trusted third party）結(jié)構(gòu)[21]、P2P網(wǎng)絡(luò)（peer-to-peer network）結(jié)構(gòu)[22]以及獨立結(jié)構(gòu)，盡管當前TTP應(yīng)用最為廣泛，但是該結(jié)構(gòu)的中心服務(wù)器角色使之容易成為系統(tǒng)性能瓶頸和集中攻擊點，而且并沒有一個權(quán)威機構(gòu)來評估TTP的可信度，因此TTP并不完全可信；而文獻[23]提出P2P結(jié)構(gòu)具備良好的容錯性與擴展性，且無可信第三方，但是P2P資源管理以及通信開銷控制等問題到目前為止還沒有得到解決，因此該結(jié)構(gòu)暫時無法進行實際應(yīng)用[24]；另外，基于上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的隱私保護方法均是以用戶合作為基礎(chǔ)，在時空情境變化中，系統(tǒng)用戶無法保持一致，這將使得模型匿名穩(wěn)定性無法得到保證，因此，無可信第三方、非用戶合作的獨立結(jié)構(gòu)模式因移動用戶的自主性成為當前發(fā)展趨勢。

4 位置隱私保護的關(guān)鍵問題與發(fā)展趨勢

從上述位置隱私保護方法的研究現(xiàn)狀分析來看，建立移動情境感知的位置隱私保護方法成為當前 LBS隱私保護研究的發(fā)展趨勢[25]，而國內(nèi)外在該問題上的研究尚處于起步階段。目前，大部分情境感知的位置隱私保護方法是從普適計算的角度出發(fā)，研究情境感知建模以及情境感知計算，如文獻[25]在普適計算環(huán)境下利用多種隱私保護技術(shù)，實現(xiàn)了安全中間件PPSM平臺型，達到多層次、多角度的用戶隱私保護，但是在降低干擾保護系統(tǒng)中的服務(wù)負載、隱私保護策略描述上缺乏通用性和可讀性。文獻[26]在綜合通用情境感知計算模型的基礎(chǔ)上提出了“外觀—內(nèi)省”情境感知計算流程，但是該計算模式上還不夠完善，缺乏未來位置情境計算策略與情境判定，也沒有完成用戶移動意圖語義感知基礎(chǔ)上進行語義推理、服務(wù)推送。

傳統(tǒng)的普適計算大都針對異構(gòu)、復(fù)雜的計算環(huán)境，且要求計算過程“不可見”，因此對普適服務(wù)進行信任評估非常困難，而在位置隱私保護研究中信息要求被用戶知情且能選擇，因此二者間的矛盾使得用戶行為更偏向于保守，并且現(xiàn)有的普適計算理論也難以直接應(yīng)用到該領(lǐng)域[27]。目前，已有研究者在現(xiàn)有位置隱私保護技術(shù)的基礎(chǔ)上，從LBS系統(tǒng)特點出發(fā)開展相關(guān)研究，文獻[28]在無 TTP、用戶協(xié)作模式下開展了適合快照（snapshot）查詢的位置隱私保護方法研究，建立了用戶位置情境表達模型，并提出了自適應(yīng)通信開銷預(yù)算的隱私保護算法。文獻[5]在無 TTP、無用戶協(xié)作模式下提出了CAP隱私保護方法，解決了終端與位置服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸問題，探討了隱私保護強度與用戶位置情境間的關(guān)系。

從上述的研究成果可以看出，情境感知計算是位置隱私保護方法的研究重點，無可信第三方、非用戶合作模式是未來LBS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，而在目前的技術(shù)基礎(chǔ)上，建立無可信第三方、非用戶合作模式的基于情境感知的位置隱私保護方法還存在著諸多技術(shù)障礙，主要表現(xiàn)為如下幾方面。

1) 系統(tǒng)時空情境感知、計算能力與信息傳輸要求與終端性能不足的矛盾。移動終端的位置情境感知是以大規(guī)模地理、交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，且表征連續(xù)變化的時空情境信息具有海量性，而終端的存儲、計算能力存在較大差異，無法保證終端能預(yù)存大規(guī)?；A(chǔ)空間數(shù)據(jù)，以及終端與服務(wù)器間無法實現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)與情境信息實時傳輸[29]，因此，這將導(dǎo)致時空情境信息感知、傳輸要求與終端性能不匹配的矛盾。

2) 時空情境信息的不確定性與服務(wù)準確性間的矛盾。移動對象時空位置情境信息的不確定性來自空間、時間、時空運動關(guān)系三者的不確定性以及數(shù)據(jù)離散化帶來的不確定性，這直接導(dǎo)致信息服務(wù)查找過程中的概率性[30]，而用戶在消費 LBS服務(wù)時，要求信息服務(wù)具有準確性、及時性，因此需要引入新的技術(shù)平衡二者間的矛盾，同時要求情境感知系統(tǒng)引入不確定性語義、新的理論判定模型和新的判定算法支持保護不確定性的時空位置情境推理[31]。

3) 用戶位置隱私保護要求個性化與情境感知計算的統(tǒng)一性間的矛盾。在情境感知計算中，位置情境的產(chǎn)生、過濾、推理、使用的過程是連續(xù)的、統(tǒng)一的、動態(tài)的，而用戶的隱私保護要求與服務(wù)質(zhì)量要求均具有個性化，因此要求情境感知計算中時空統(tǒng)一模型在理論上能自適應(yīng)用戶個性要求，實現(xiàn)隱私保護效果與服務(wù)質(zhì)量的平衡[32]。

5 結(jié)束語

隨著移動定位設(shè)備、無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們在方便地獲取LBS服務(wù)的同時，也存在著嚴重的隱私泄露風(fēng)險，因此位置隱私保護技術(shù)是LBS應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點之一，而移動情境感知的位置隱私保護方法研究則是該領(lǐng)域的一個前沿課題。本文對近年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域的主要研究成果進行了綜述，總結(jié)了現(xiàn)有的位置隱私保護技術(shù)共性特點以及存在的不足，指出了發(fā)展趨勢以及研究方向。總體來說，位置隱私保護技術(shù)的研究仍然處于起步階段，仍然有大量關(guān)鍵的問題還需要做深入細致的研究。

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