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Amplitude-Varying Perturbation for Balancing Privacy and Utility in Federated Learning

计算机科学 差别隐私 振幅 高斯噪声 人工智能 噪音(视频) 人工神经网络 摄动(天文学) 感知器 机器学习 算法 物理 量子力学 图像(数学)
作者
Xin Yuan,Wei Ni,Ming Ding,Kang Wei,Jun Li,H. Vincent Poor
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Forensics and Security [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:18: 1884-1897 被引量:25
标识
DOI:10.1109/tifs.2023.3258255
摘要

While preserving the privacy of federated learning (FL), differential privacy (DP) inevitably degrades the utility (i.e., accuracy) of FL due to model perturbations caused by DP noise added to model updates. Existing studies have considered exclusively noise with persistent root-mean-square amplitude and overlooked an opportunity of adjusting the amplitudes to alleviate the adverse effects of the noise. This paper presents a new DP perturbation mechanism with a time-varying noise amplitude to protect the privacy of FL and retain the capability of adjusting the learning performance. Specifically, we propose a geometric series form for the noise amplitude and reveal analytically the dependence of the series on the number of global aggregations and the (ϵ,δ)-DP requirement. We derive an online refinement of the series to prevent FL from premature convergence resulting from excessive perturbation noise. Another important aspect is an upper bound developed for the loss function of a multi-layer perceptron (MLP) trained by FL running the new DP mechanism. Accordingly, the optimal number of global aggregations is obtained, balancing the learning and privacy. Extensive experiments are conducted using MLP, supporting vector machine, and convolutional neural network models on four public datasets. The contribution of the new DP mechanism to the convergence and accuracy of privacy-preserving FL is corroborated, compared to the state-of-the-art Gaussian noise mechanism with a persistent noise amplitude.
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