密码学安全且实际有效的动态频谱拍卖机制研究

Current research on dynamic spectrum auctions mainly focuses on the design of truthful auction mechanisms, while the privacy preservation problem in auctions is rarely considered. A handful of proposed privacy-preserving schemes for spectrum auctions do not achieve either cryptographical security or good practical efficiency. Besides, secure two-party computation, especially the technology of garbled circuits is greatly improved in running efficiency with many years’ development, and initially meets the practical requirements. Therefore, aiming at the privacy preservation problem in spectrum auctions, this project will design cryptographically secure and practically efficient mechanisms for dynamic spectrum auctions, by adopting technological means of secure two-party computation. Its research contents include (1) designing secure mechanisms for spectrum auctions; (2) analyzing and proving the cryptographical security of the mechanisms; (3) optimizing the running efficiency of the mechanisms; (4) implementing the mechanisms and performing experimental verifications. Starting from practical application requirements, we will design secure mechanisms for spectrum auctions in different application situations. Then, we will analyze and prove the mechanisms’ security with the definition of cryptographical security, and optimize the mechanisms’ running efficiency from application-dependent and application-independent two levels. The implementation of the project will probably boost the development and application of dynamic spectrum auction and secure two-party computation technologies.

目前有关动态频谱拍卖问题的研究，主要集中在诚实拍卖机制的设计，很少考虑到拍卖中的隐私保护问题。少数已提出的保护隐私频谱拍卖方案，要么没有实现密码学安全性，要么没有实现良好的实际效率。另外，安全双方计算，尤其是加密电路技术经多年的发展，其运行效率已有很大提高，初步具备实用化的条件。因此，本项目拟针对频谱拍卖的隐私保护问题，采用安全双方计算的技术手段，设计密码学安全且实际有效的动态频谱拍卖机制，研究内容包括：（1）设计安全的频谱拍卖机制；（2）分析和证明机制的密码学安全性；（3）优化机制的运行效率；（4）实现机制和实验验证。我们拟从实际应用需求出发，以加密电路为主要技术，辅以同态加密和秘密分享技术，设计不同应用情景下的安全频谱拍卖机制，运用密码学安全性定义来分析和证明机制的安全性，并从应用相关和应用无关两层面优化运行效率。本项目的实施有望促进动态频谱拍卖和安全双方计算技术的发展和应用。

无线频谱资源的短缺，催生了动态频谱拍卖。而在动态频谱拍卖中，竞标者的隐私信息（如报价、位置等）泄露问题严重。隐私问题极大阻碍了动态频谱拍卖的应用与推广。针对此安全问题，本项目主要研究如何在动态频谱拍卖的计算过程中，保护竞标者报价信息等隐私不泄露，从而保证频谱拍卖的安全性。本项目设计不同应用场景下的安全频谱拍卖方案，并从理论上对方案安全性进行严格分析与证明，另外，在保证一定安全性的同时，对方案的运行性能进行优化改进，最终实现安全实用的频谱拍卖方案。取得的主要成果如下：. （1）安全单向频谱拍卖设计成果。发现对某些单向频谱拍卖方案，报价信息与位置信息紧密相关，单纯保护报价或位置隐私并不能实现所需安全性，为此，提出了同时保护报价隐私与位置隐私的频谱拍卖方案，并实现良好运行性能。此外，设计了一个安全的单向组合拍卖机制，实现了密码学安全性与性能实用性。. （2）安全双向频谱拍卖设计成果。提出了一个安全且可验证的数据库驱动双向频谱共享方案，可抵抗恶意攻击；设计了一个安全的，经济高效且性能高效的双向频谱拍卖方案；提出了首个安全的双向多频段频谱拍卖方案，并优化性能。. （3）安全异质频谱拍卖设计成果。考虑频谱异质性与竞标者需求异质性，结合同态加密与加密电路，分别设计了单向和双向的安全异质频谱拍卖方案，并在适当松弛安全性的情况下，较大地提高方案的实用性。. （4）安全抗合谋频谱拍卖设计成果。采用差分隐私技术，设计了保护竞标者报价隐私且抗合谋攻击的双向频谱拍卖方案，并从多方面进行性能改进。理论分析与实验验证显示该方案具有差分隐私性和良好的性能。. 以上这些成果，可以在多种典型应用场景下，实现安全动态频谱拍卖计算，同时获得良好的运行性能，为动态频谱拍卖机制的实际应用提供安全保障。