车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法技术

本发明专利技术公开了一种车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括：全局设置、注册、建立安全信道、位置证明步骤。本发明专利技术针对现有的多数车载定位系统只能实现2D定位，无法实现准确的3D定位以及车辆隐私保护等问题，提出了分别基于V2R通信和基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，使得一辆未知3D位置的车辆借助路边单元或者已知3D位置的车辆在保护隐私的前提下高效的、准确的获取3D位置。

【技术实现步骤摘要】
车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法
本专利技术属于车载网信息安全领域，关于车载网中车辆定位以及隐私保护问题，涉及到3D定位技术和密钥交换协议。
技术介绍
车载网是一种用于提高交通效率和道路安全的新型技术。一个典型的车载网主要由车辆和路边单元(RSU)组成。一辆车或者一个RSU和周围的车辆或者RSU之间进行车与车(V2V)、车与RSU(V2R)、RSU与车(R2V)通信来交换信息。短程通信(DSRC)协议被设计用来支持车载网中的V2V、V2R、R2V通信。车载网中的很多应用比如碰撞警告、速度警告、车辆自动导航等都是基于车辆位置的。车载网中大多数现在使用的定位系统都是基于GPS、BeiDou、GALILEO、GLONASS。一般情况下，这些定位系统具有比较准确的水平定位即2D定位。但是，这些系统中的垂直定位精度远低于水平定位精度，其中一个原因是卫星的几何分布。比如说以GPS为基础的定位系统在95％的时间里，定位精度为15米。如今，随着城市交通环境变得越来越复杂。建造了越来越多的高架桥用来满足交通系统的需求，道路结构的发展也给车载网中的车辆定位带来了新的挑战。车载网中现存的车辆定位服务主要是提供2D定位，并不能很好的处理当前城市交通环境中的定位问题。这些系统很难判断出一辆车是行驶在高架之上还是高架之下。除了定位问题，安全和隐私也是车载网中非常重要的问题。安全就是要保障车辆或者RSU接收的消息是来自认证的实体并且在传输过程中不会被篡改。隐私就是要保证驾驶者的身份、位置以及其他的敏感信息不被入侵和肆意收集。如果没有为一个车辆提供安全和隐私机制，那么这个车辆的位置系统会遭受到不同的攻击。例如，如果没有提供安全机制，靠近目标车辆的攻击者可以伪造位置信息误导需要定位的车辆，这可能会导致交通违规和事故。如果不考虑车辆的隐私，一个攻击者可以容易的找到具有定位车辆的位置和身份。这些信息可被不法分子用于犯罪(例如，攻击者可能发起堵塞目标地区通信的干扰攻击)或者被用于商业意图。合作定位(CP)是一种基于网络节点之间交换位置相关数据来提高定位精度的方法。现有的CP方法大致分为三类，即：基于到达角度(AOA)的方法，基于无线电信号强度(RSS)的方法和基于距离的方法。基于AOA的方法需要大型天线阵列，这对于VANET中的车辆来说并不实用。基于RSS的方法需要了解信道条件和信号传输功率，这些可能随时间而变化。基于距离的方法可以进一步分为到达时间(TOA)，到达时间差(TDOA)和往返时间(RTT)。TOA和TDOA需要高精度的时钟同步。RTT只需要使用在CP系统中的节点之间共享的时间戳(例如，信号到达时间和信号发送时间)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种车载网中基于V2R或V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，该方法保证认证性，车辆的隐私保护，保证车辆高效地、精确地实现3D定位。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，路边单元即RSU，具体包括下列步骤：步骤1：全局设置TA根据初始的安全参数λ运行算法生成系统公开参数是一个阶为素数q的乘法循环群，g0是系统主公钥，g是的生成元，是一个对称加密方案，是一个生成消息验证码(MAC)方案，K1，K2均为对称密钥。步骤2：注册车辆和RSU在TA那里注册，TA为车辆和RSU生成对应的证书并将证书发送给车辆和RSU。车辆和RSU在这一阶段也会生成各自的公私钥对。步骤3：建立安全信道一辆需要定位的车辆行驶到一个RSU的通信范围内，车辆和RSU互发证书，证书验证有效之后，车辆和RSU都会运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道。步骤4：位置证明一旦车辆和RSU之间建立了会话密钥，车辆和RSU运行基于V2R通信的3D定位协议。协议分为两步。第一步，车辆和RSU在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二步，车辆根据第一步记录的相关信息计算出3D位置信息。一种车载网中基于V2V通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，具体包括下列步骤：步骤1：全局设置TA根据初始的安全参数λ＇运行算法生成系统公开参数是一个阶为素数q＇的乘法循环群，g0′是系统主公钥，g′是的生成元，是一个对称加密方案，是一个生成消息验证码(MAC)方案，K1′，K2′均为对称密钥。步骤2：注册车辆在TA那里注册，TA为车辆生成对应的证书并将证书发送给车辆。车辆在这一阶段也会生成各自的公私钥对。步骤3：建立安全信道一辆需要定位的车辆Vi＇行驶到一辆已知位置的车辆Vj＇的通信范围内，Vi＇和Vj＇互发证书，证书验证有效之后，Vi＇和Vj＇运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道。步骤4：位置证明车辆Vi＇和Vj＇之间建立了会话密钥，Vi′和Vj′运行基于V2V通信的3D定位协议。协议分为两步。第一步，Vi＇和Vj＇在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二步，Vi′根据第一步记录的相关信息计算出3D位置信息。本专利技术针对的情况是，一辆车行驶在3D环境里，借助路边单元或者其它已知位置的车辆在保护隐私的前提下实现3D定位，从而获取准确的位置信息。本专利技术主要解决了以下几个问题：(1)认证性：为了保证通信的安全性，车辆和路边单元之间或者车辆和车辆之间必须互相认证。进一步就是，在通信过程中发送的消息不应该被攻击者篡改。并且两种方法中使用抗后门的伪随机数生成器来生成随机数，因此可以抵抗随机数后门攻击来保证认证性。(2)车辆的隐私保护：除了正在通信的双方以外，其他的实体均无法获取正在实现定位的车辆的任何信息。(3)低误率：保证车辆高效地、精确地实现3D定位，即低延时、高精度。附图说明图1为本专利技术的流程图。具体实施方式一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构(TA)，车辆，路边单元(RSU)，具体包括下列步骤：步骤1：全局设置输入一个安全参数λ，TA执行如下操作：1)选取一个阶为q的循环乘法群选取一个生成元2)生成一个系统主密钥s以及对应的主公钥g0。TA使用s为车辆和RSU颁发证书。g0是用来验证证书的有效性；3)选择一个对称加密方案以及一个MAC方案对称加密方案中的对称密钥K1和MAC方案中的对称密钥K2具有相同的长度；4)选取一个哈希函数H：{0，1}*→{0，1}l，l是和中使用的密钥的比特长度；5)公开作为系统参数。步骤2：注册车辆和RSU在TA那里注册。对于一个RSURj，首先运行一个nonce生成器NG生成一个noncenj和下一个状态St′j，生成的过程为(nj，St′j)←NG(μj，Stj)，其中Stj是当前的状态，μj是一个nonce选择器；然后使用一个对冲提取器(HE)生成一个随机数rsj，生成过程为rsj←HE(xkj，(mj，nj))，其中xkj是一个随机种子，mj是一个消息；最后计算公钥(rpj，rsj)作为Rj的公私钥对。TA给Rj发送一个证书中包含Rj的位置信息分别表示Rj的经纬度，表示Rj距离地面的高度。由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，路边单元即RSU，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：全局设置TA根据初始的安全参数λ运行算法生成系统公开参数

【技术特征摘要】
1.一种车载网中基于V2R通信的具有隐私保护的车辆3D定位方法，包括如下实体：生成和发布系统参数的可信机构即TA，车辆，路边单元即RSU，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：全局设置TA根据初始的安全参数λ运行算法生成系统公开参数是一个阶为素数的乘法循环群，H是一个哈希函数，g0是系统主公钥，g是的生成元，是一个对称加密方案，是一个生成消息验证码MAC方案，K1，K2均为对称密钥；步骤2：注册车辆和RSU在TA那里注册，TA为车辆和RSU生成对应的证书并将证书发送给车辆和RSU；车辆和RSU在这一阶段也生成各自的公私钥对；步骤3：建立安全信道一辆需要定位的车辆行驶到一个RSU的通信范围内，车辆和RSU互发证书，证书验证有效之后，车辆和RSU运行一个密钥交换协议生成会话密钥，建立一条安全信道；步骤4：位置证明一旦车辆和RSU之间建立了会话密钥，车辆和RSU运行基于V2R通信的3D定位协议；协议分为两个阶段，第一阶段，车辆和RSU在一段时间内重复的交换位置相关信息，并记录下这些信息；第二阶段，车辆根据第一步记录的位置相关信息计算出3D位置信息。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：车辆和RSU在TA那里注册；对于一个RSURj，首先运行一个nonce生成器NG生成一个noncej和下一个状态St′j，生成的过程为(nj，St′j)←NG(μj,Stj)，其中Stj是当前的状态，μj是一个nonce选择器；然后使用一个对冲提取器HE生成一个随机数rsj，生成过程为rsj←HE(xkj,(mj,nj))，其中xkj是一个随机种子，mj是一个消息；最后计算公钥(rpj,rsj)作为Rj的公私钥对；TA给Rj发送一个证书中包含Rj的位置信息分别表示Rj的经纬度，表示Rj距离地面的高度；由于Rj所在的位置是固定的，因此是已知不变的；对于一个车辆Vi，首先运行NG生成一个nonceni和下一个状态St′i，生成的过程为(ni,St′i)←NG(μi，Sti)，其中Sti是当前的状态，μi是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数vsi，生成过程为vsi←HE(xki,(mi,ni))，其中xki是一个随机种子，mi是一个消息；最后计算公钥(vpi,vsi)作为Vi的公私钥对；TA给Vi发送一个证书3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：RSU不停地在通信范围内广播证书，并且RSU距离地面的高度高于高架桥的高度h；车辆Vi直接与距离最近的RSURj连接，建立一个安全的信道；Vi进入到Rj的通信范围内时，Vi首先验证证书的有效性，验证成功之后，Vi首先运行NG生成一个noncen1i和下一个状态St′i，生成的过程为(n1i,St′1i)←NG(μ1i,St1i)，其中St1i是当前的状态，μ1i是一个nonce选择器；然后使用HE生成一个随机数r，生成过程为r←HE(xk1i,(m1i,n1i))，其中xk1i是一个随机种子，m1i是一个消息；最后计算一个中间值u＝gr，发送给Rj；Vi计算会话密钥和pidi分别是Rj和Vi的身份标识；Rj接收到之后，首先验证证书的有效性，然后计算会话密钥命名会话密钥为用来建立安全信道。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：Vi和Rj建立安全信道之后，Vi和Rj运行基于V2R通信的3D定位协议；协议分为两个阶段，第一阶段是Vi和Rj在一段时间内连续的通信交互位置信息，第二阶段Vi计算3D位置信息；第一阶段分为如下三个步骤：1)Rj执行如下操作：ⅰ、发送一个时间戳给Vi，η表示交互的次数，初始值为1；ⅱ、生成一个消息认证码然后将发送给Vi；2)Vi在时刻接收到时间戳并获取此时的2D坐标和代表Vi经纬度；Vi执行如下操作：ⅰ、发送时间戳给Rj；ⅱ、接收到来自Rj的消息检查等式是否成立，成立则继续执行下列步骤，否则终止；ⅲ、生成一个位置密文以及一个消息认证码ⅳ、将发送给Rj；3)Rj在接收到时间戳然后Rj执行下列操作：ⅰ、接收到来自Vi的消息检查等式是否成立，如果成立则计算位置坐标否则终止；ⅱ、令η＝η+1，重复上述操作；在第一阶段结束之时Vi和Rj交互了n轮，即η＝n；接下来是Vi在第二阶段计算3D位置信息；计算位置信息过程中用到的距离公式为L1和L2分别表示形为(x1,y1)和(x2,y2)的坐标，Δ表示坐标的误差；在第二阶段Vi执行如下操作：1)计算Vi在高架桥上时和Rj之间的理论距离范围然后累加理论距离范围得到2)计算Vi在高架桥下时和Rj之间的理论距离范围然后累加理论距离范围得到3)计算Vi和Rj之间的可计算距离C为光速然后累加可计算距离4)通过比较和计算Vi在高架桥之上的概率以及Vi在高架桥之下的概率具体的计算方法如下：(a)当有下面三种情况：i.当则ii.当则iii.当并且则(b)当有下面三种情况：i.当则ii.当则iii.当并且则(c)通过计算的概率和来判断车辆Vi的位置；当则Vi在高架桥上；当则Vi在高架桥下，由此来确定Vi距离地面的高度。5.一种车载网中基...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，裴倩文，康步荣，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海,31