陳詩(shī)軍 林利成 徐小龍 陳大偉 王園園

摘要 基于位置服務(wù)給人們的生活帶來(lái)極大的便利，而目前定位系統(tǒng)特別是室內(nèi)定位普遍依賴于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào).很多情況下，用戶有位置隱私保護(hù)的需求，然而，在目前的大數(shù)據(jù)時(shí)代，基于網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位服務(wù)要求用戶將個(gè)人位置信息實(shí)時(shí)提供給服務(wù)提供商，這導(dǎo)致用戶隱私的泄露.如何有效實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的基于位置服務(wù)，并且保護(hù)用戶的個(gè)人位置信息就成了大數(shù)據(jù)時(shí)代的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.本文介紹了一種面向位置數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的離線地磁定位模型，利用加速度傳感器和微機(jī)電磁力計(jì)檢測(cè)行人步態(tài)和地球磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位.本模型利用加速度計(jì)檢測(cè)行人的步態(tài)信息，配合磁力計(jì)檢測(cè)的磁場(chǎng)信息與指紋地圖進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位需求的同時(shí)又解決了用戶位置信息泄露的問(wèn)題，為大數(shù)據(jù)時(shí)代如何保護(hù)用戶的位置信息提供了一個(gè)有效的解決辦法.

關(guān)鍵詞 隱私保護(hù)；位置隱私；地磁指紋地圖；離線定位

中圖分類號(hào)TP309；TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0 引言

基于位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）在測(cè)繪、導(dǎo)航、救援、交通以及軍事領(lǐng)域都得到了豐富的應(yīng)用.目前典型定位方法從實(shí)現(xiàn)定位所依賴的設(shè)備可以將其分為基于衛(wèi)星、基于網(wǎng)絡(luò)和基于傳感器3大類[1].主流的定位服務(wù)提供商主要提供基于衛(wèi)星、移動(dòng)基站和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的室外定位服務(wù).定位的算法分為三邊匹配[2]和模式匹配[3]2種模式.三邊匹配的原理是通過(guò)測(cè)量定位主體到信號(hào)源的距離或者角度，通過(guò)幾何公式計(jì)算出定位主體的具體位置，包括基于到達(dá)時(shí)間差算法（Time Difference of Arrival，TDOA）、基于到達(dá)時(shí)間算法（Time of Arrival，TOA）、基于信號(hào)飛行時(shí)間的算法（Time of Flight，TOF）等.這種定位方法一般用于蜂窩基站中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)也可以用這種方式.然而在范圍較小的室內(nèi)環(huán)境中，一般采用模式匹配的方法進(jìn)行定位，這種定位方法的原理是首先將室內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)的信息采集到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，然后在定位階段通過(guò)采集實(shí)時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù)庫(kù)匹配進(jìn)行定位.

隨著城市化進(jìn)程的加快，人們80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的[4].因此，人們對(duì)基于位置服務(wù)的需求也漸漸從室外延伸到室內(nèi).由于全球定位系統(tǒng)（GPS）信號(hào)在障礙物遮擋的情況下衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境下的定位精度很低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位以及提供相關(guān)的基于位置服務(wù).因此在室內(nèi)環(huán)境下的基于位置服務(wù)已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的重點(diǎn)[5].和室外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境具有活動(dòng)范圍小、人口密度高、環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn).因此，室內(nèi)定位對(duì)定位精度的要求相比于室外定位有很大的提高.同時(shí)，隨著智能移動(dòng)終端的普及和室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，使得在定位設(shè)備的部署上有一定的優(yōu)勢(shì).

目前主流的室內(nèi)定位方案主要是基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[6]，例如基于Wi-Fi的定位技術(shù)和基于藍(lán)牙的iBeacon定位技術(shù)[7].這些定位的方案已經(jīng)可以提供很好的定位效果，但是和基于衛(wèi)星的定位服務(wù)一樣，都需要用戶保持設(shè)備在線以提供定位服務(wù).這種定位方法會(huì)使智能手機(jī)消耗大量的電量，并且用戶的實(shí)時(shí)位置信息會(huì)被服務(wù)提供商通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取.用戶位置關(guān)鍵隱私信息泄露會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患.在大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何保護(hù)用戶的個(gè)人隱私已經(jīng)成為大眾和業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)[8].

地磁場(chǎng)是地球上固有的自然資源，雖然人類無(wú)法直接觀察到它的存在，但是通過(guò)傳感器就可以探測(cè)到其豐富的信息資源.利用地磁場(chǎng)進(jìn)行室內(nèi)定位有以下優(yōu)勢(shì)：

1）全天候自然存在：地磁場(chǎng)是地球上天然存在的信息，且穩(wěn)定存在.

2）不依賴外部能源：使用地磁場(chǎng)作為室內(nèi)定位的最大優(yōu)勢(shì)是不依賴設(shè)備信號(hào)源，尤其在沒(méi)有電力支持的情況下依然可用.

3）無(wú)需增加任何設(shè)備：相比于 Wi-Fi 等定位方案，利用地磁場(chǎng)定位的方案無(wú)需在室內(nèi)架設(shè)任何輔助設(shè)備.

4）完全離線數(shù)據(jù)：只需要智能手機(jī)的傳感器就可以采集信息，不需要網(wǎng)絡(luò)交互，有效保護(hù)用戶的位置信息.

本文提出一種面向位置數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的離線地磁定位模型，利用智能手機(jī)所具備的地磁傳感器，將用戶的位置信息保存在智能手機(jī)里，既實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位的需求又能保證用戶的個(gè)人信息不會(huì)泄露.由于定位精度要求高，所以定位的信號(hào)源的選擇就成了一個(gè)關(guān)鍵因素.如何高效利用地磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向等建立指紋地圖成為目前室內(nèi)定位研究的熱點(diǎn).本文分析了地磁場(chǎng)所含有的信息，以及利用地磁場(chǎng)進(jìn)行定位的原理；在室內(nèi)環(huán)境下，利用地磁場(chǎng)信息構(gòu)建了離線指紋地圖，有效保護(hù)用戶的位置信息.

1 磁力計(jì)工作原理

地磁場(chǎng)是地球固有的特征，一直是人類及其他動(dòng)物確定方向的重要依據(jù).從司南到現(xiàn)在智能手機(jī)上的指南針，其應(yīng)用的工作原理均基于地磁場(chǎng).研究表明，目前的地球磁場(chǎng)可分為地核場(chǎng)和地殼場(chǎng)以及部分來(lái)自磁暴等快速變化的磁場(chǎng)，在平時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)中，地核場(chǎng)占95%，而當(dāng)磁暴等發(fā)生時(shí)，磁場(chǎng)變化范圍不大并且變化速度快[9].因此，可以利用現(xiàn)有的穩(wěn)定磁場(chǎng)作為定位導(dǎo)航的信號(hào)源.

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的發(fā)展，陀螺儀（gyroscope）、加速度計(jì)（accelerometer）和磁力計(jì)（magnetometer）等傳感器的技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟.其中，微機(jī)電磁力計(jì)采用各向異性磁致電阻材料來(lái)檢測(cè)空間中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.這種具有晶體結(jié)構(gòu)的合金材料對(duì)外界的磁場(chǎng)很敏感，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化會(huì)導(dǎo)致各向異性磁致電阻的電阻值發(fā)生變化.在制造過(guò)程中，將一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)加在各向異性磁致電阻材料上使其在某一方向上磁化，建立起一個(gè)主磁域.為了使測(cè)量結(jié)果以線性的方式變化，各向異性磁致電阻材料上的金屬導(dǎo)線呈45°角傾斜排列，電流從這些導(dǎo)線上通過(guò).當(dāng)有外界磁場(chǎng)時(shí)，電阻上主磁域方向就會(huì)發(fā)生變化而不再是初始的方向，那么磁場(chǎng)方向和電流的夾角也會(huì)發(fā)生變化.夾角的變化會(huì)引起各向異性磁致電阻自身阻值的變化，并且呈線性關(guān)系且電流的大小也呈線性關(guān)系.利用惠斯通電橋檢測(cè)各向異性磁致電阻的阻值變化，沒(méi)有外界磁場(chǎng)的情況下，電橋的輸出為零，而在有外界磁場(chǎng)時(shí)電橋的輸出為一個(gè)微小的電壓ΔV.通過(guò)檢測(cè)ΔV的大小來(lái)輸出磁場(chǎng)的大小[10].

在室外時(shí)，地球磁場(chǎng)只可以給我們指明方向，并不可以提供導(dǎo)航的必要信息.但是當(dāng)位置在室內(nèi)時(shí)，建筑物中的鋼筋結(jié)構(gòu)以及室內(nèi)的各種通電設(shè)備會(huì)影響室內(nèi)的地磁場(chǎng)[11].若使用磁感應(yīng)線的概念來(lái)描述磁場(chǎng)，那么磁感應(yīng)線上的每一個(gè)點(diǎn)的切線都是具有大小和方向的空間向量.這個(gè)空間向量的大小便是磁場(chǎng)的總強(qiáng)度，而這個(gè)總強(qiáng)度的大小和磁感應(yīng)線的疏密程度有關(guān).這樣就可以形象地理解磁場(chǎng)在室內(nèi)的分布情況了.

被建筑和通電設(shè)備影響以后的地磁場(chǎng)無(wú)疑是一個(gè)天然的信息源，具有天然固有、無(wú)輻射和無(wú)需外置信號(hào)源等優(yōu)點(diǎn).因此若使用其作為定位的依據(jù)則會(huì)減少很多成本.若想利用地磁場(chǎng)進(jìn)行定位，就需要對(duì)磁場(chǎng)固有的豐富信息進(jìn)行研究.首先，智能手機(jī)的傳感器所獲取的數(shù)據(jù)是三軸的數(shù)據(jù).當(dāng)我們面對(duì)智能手機(jī)屏幕時(shí)，垂直屏幕向外是z軸，沿著屏幕向右為x軸，沿著屏幕向上為y軸.其坐標(biāo)系如圖1所示.

在這樣的坐標(biāo)系基礎(chǔ)上，智能手機(jī)所采集的地磁場(chǎng)信息由3個(gè)軸分量表示，將其復(fù)合以后就能表示其豐富的磁場(chǎng)信息.圖2為磁場(chǎng)信息分析圖.其中M為該點(diǎn)的磁感應(yīng)線切線，具有大小和方向2個(gè)屬性，它在z軸上的投影稱為垂直分量Z，它在x-y平面上的投影稱為水平分量H，由x、y分量合成得到.

僅僅通過(guò)用戶在行走時(shí)的傳感器采集數(shù)據(jù)就可以在完全離線的情況下獲取到用戶的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)離線室內(nèi)定位并提供相應(yīng)的位置服務(wù).

3 磁力指紋地圖

3.1 地磁指紋地圖定位原理

為了利用地磁信息進(jìn)行定位，本文采用引言中介紹的模式匹配法.同樣需要構(gòu)建出離線的地磁指紋地圖[12-13].如圖5所示，首先將室內(nèi)環(huán)境分割為網(wǎng)格狀，然后在地磁指紋地圖構(gòu)建階段將每個(gè)點(diǎn)的地磁信息采集處理后，保存在地磁指紋地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中.由于地磁信息的特殊性，也可以采用多點(diǎn)間的路徑來(lái)存儲(chǔ)地磁信息.不論如何處理，最后需要獲取基于該環(huán)境的地磁場(chǎng)信息指紋庫(kù)，這樣就完成了離線指紋地圖的構(gòu)建工作.

在定位階段，將智能手機(jī)采集的點(diǎn)或路徑上的地磁信息與地磁指紋地圖庫(kù)的信息進(jìn)行匹配，這樣就可以給出智能手機(jī)所在的位置或者路徑，從而達(dá)到定位的目的.

由上述對(duì)地磁場(chǎng)以及其所含有的信息和磁力計(jì)的工作原理可知，如何利用這些豐富的信息進(jìn)行地磁指紋地圖的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)離線定位的關(guān)鍵.由于室內(nèi)的地磁場(chǎng)強(qiáng)度在室內(nèi)分布不均，并且是較穩(wěn)定的存在，因此很容易想到通過(guò)對(duì)室內(nèi)不同地點(diǎn)的強(qiáng)度信息進(jìn)行采集從而建立一張指紋地圖.然而在實(shí)際的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，使用Nexus 5的AK8963 磁力傳感器測(cè)得的室內(nèi)地磁強(qiáng)度一般在40～60 μT，這樣的數(shù)值差異性不足以建立一張標(biāo)準(zhǔn)的地磁指紋定位地圖.通過(guò)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，由于不同智能手機(jī)廠商提供的傳感器型號(hào)、校準(zhǔn)算法等的不同，不同智能手機(jī)對(duì)于同一個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量會(huì)有一定的偏差[14].因此這也將給地磁指紋地圖構(gòu)建工作帶來(lái)難度.

本文的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為南京郵電大學(xué)的計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)科樓1樓，場(chǎng)地平面如圖6所示.

3.2 地磁指紋地圖構(gòu)建方案

地磁場(chǎng)總強(qiáng)度在同一地點(diǎn)保持穩(wěn)定，且在一段距離內(nèi)會(huì)產(chǎn)生明顯的變化.Zhang等[15]提出一種通過(guò)記錄實(shí)際的路徑和對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)總強(qiáng)度變化的方法來(lái)構(gòu)建用于定位的地磁指紋地圖.他們通過(guò)對(duì)比不同型號(hào)的智能手機(jī)采集同一段路徑的磁場(chǎng)總強(qiáng)度值，發(fā)現(xiàn)在相同路徑上的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律是一樣的，這就可以解決不同傳感器廠商的傳感器校準(zhǔn)數(shù)值不同的問(wèn)題.

在測(cè)試開(kāi)始前，本文使用智能手機(jī)的傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境的磁場(chǎng)總強(qiáng)度進(jìn)行了采集，并且根據(jù)采樣點(diǎn)的數(shù)值估算出了室內(nèi)地磁強(qiáng)度的示意圖，如圖7所示.

從靜態(tài)采集的室內(nèi)總強(qiáng)度可以了解到，室內(nèi)環(huán)境確實(shí)存在磁場(chǎng)總強(qiáng)度的變化.為了驗(yàn)證磁場(chǎng)總強(qiáng)度變化是否可以作為定位的依據(jù)，本文對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了多路徑測(cè)試，其中會(huì)有重復(fù)路徑.在室內(nèi)環(huán)境規(guī)劃了3條測(cè)試路徑如圖8所示，其中AB段為相同路徑，BC、BD、BE為不同路徑.

通過(guò)使用 Nexus 5對(duì)上述路徑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示.通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在相同路徑AB上，傳感器3次采集的數(shù)據(jù)基本吻合.在不同的路徑 BC、BD和BE段，傳感器采集的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)完全不同.

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為Zhang等[15]提出的采用路徑和磁場(chǎng)總強(qiáng)度結(jié)合并記錄總強(qiáng)度變化的方法來(lái)構(gòu)建地磁指紋地圖，并且用來(lái)作為室內(nèi)定位的依據(jù)是可行的.我們?cè)谡{(diào)研中發(fā)現(xiàn)，在智能手機(jī)的產(chǎn)品多元化、姿態(tài)變化頻繁的情況下，利用地磁場(chǎng)總強(qiáng)度進(jìn)行定位是目前較為可行的地磁定位方法.

4 離線定位

在確定地磁指紋地圖構(gòu)建方案以后，我們按照模式匹配的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)地磁指紋地圖的采集模塊和定位模塊.為了更好地驗(yàn)證離線定位模型的可行性，我們使用 Android 平臺(tái)開(kāi)發(fā)了測(cè)試系統(tǒng)，并且使用如圖10所示的數(shù)據(jù)庫(kù)表存儲(chǔ)地磁指紋信息.

我們?cè)跀?shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)加速度計(jì)和磁力計(jì)采集的原始數(shù)據(jù)，并且在指紋地圖構(gòu)建階段通過(guò)慣導(dǎo)模型將采集的軌跡坐標(biāo)存儲(chǔ)在 paths表中，將處理后得到的地磁指紋地圖存儲(chǔ)到 FingerPrintMap表中.

為了高效地進(jìn)行指紋地圖的構(gòu)建，根據(jù)實(shí)際情況在平面圖上標(biāo)記了8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)高效的路徑采集.如圖11所示，采用點(diǎn)和點(diǎn)之間的路徑作為存儲(chǔ)地磁信息的基本單元.

將采樣路徑的磁場(chǎng)信息處理以后，以平面圖的寬作為x軸，高作為y軸，將地磁場(chǎng)的總強(qiáng)度作為z軸數(shù)據(jù)表示，未涉及的位置用線性插值的方法處理后可得結(jié)果如圖12所示.

由圖12可見(jiàn)，地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的分布具有特異性且構(gòu)建的采集模塊可以有效采集這些信息用于構(gòu)建地磁指紋地圖，并且用作實(shí)現(xiàn)定位的依據(jù).圖13是本定位模型實(shí)現(xiàn)定位的效果：

藍(lán)色點(diǎn)為定位模塊通過(guò)實(shí)時(shí)采集地磁信息和慣導(dǎo)信息與地址指紋地圖匹配后返回的結(jié)果，以坐標(biāo)的形式顯示在平面圖上，實(shí)現(xiàn)了離線的定位方法.

5 結(jié)束語(yǔ)

定位服務(wù)給我們的出行帶來(lái)了極大的便利，但由于目前的定位服務(wù)主要依靠衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線定位，這不僅僅讓智能手機(jī)的電量消耗巨大，同時(shí)也帶來(lái)了位置隱私的安全問(wèn)題.

本文分析了地磁場(chǎng)所具備的信息，并且通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用磁場(chǎng)總強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的方案.地磁場(chǎng)是天然存在的信息源，并且具有豐富的信息.本文通過(guò)使用智能手機(jī)的磁力計(jì)和加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)離線地磁指紋地圖的構(gòu)建，并且基本實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)的定位需求，不僅降低了定位時(shí)的能源消耗而且也保證了用戶在完全離線的情況下可以達(dá)到室內(nèi)定位的目的.通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)的離線定位模型有效地解決了用戶的位置信息泄露問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在大數(shù)據(jù)背景下的位置信息隱私保護(hù)的目的.

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