Optimal Online Control Strategy for Differentially Private Federated Learning

计算机科学 差别隐私 钥匙(锁) 趋同(经济学) 差异(会计) 噪音(视频) 信息隐私 控制(管理) 最优控制 人为噪声 编配 相互依存 分布式计算 噪声测量 计算机网络 人工智能 机器学习
作者
Xin Yuan,A.V. Savkin,Wei Ni,Minhui Xue,Ren Ping Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:23 (2): 4164-4176
标识
DOI:10.1109/tdsc.2025.3643906
摘要

While differential privacy (DP) contributes to pre serving data privacy during federated learning (FL), DP-FL suffers from either premature convergence or underutilized privacy budgets and subsequently degraded accuracy. Some recent studies heuristically adjusted the variance of the DP noises but offered no guarantee of optimality, little insight, and limited scalability. This paper presents a new control framework for (ε, δ)-DP FL to address the prevalent issues of DP-FL, i.e., premature convergence or underutilized privacy budgets. The key idea is to interpret the DP perturbation of DP-FL as a control process, where the DP noise variance and communication rounds are interdependent and jointly and adaptively determined. An optimal control framework is proposed to adjust the communication rounds and DP noise variance, adapting to the training accuracy of DP-FL. The optimality gap of (ε, δ)-DP FL is derived under the optimal control framework. The importance of joint orchestration of the DP noise and communication rounds is delineated. Experiments on MLP, CNN, and ResNet-9 models show that, given a privacy level, our control framework allows DP-FL to converge much faster with better accuracy than existing techniques, including those with persistent or heuristically reconfigurable DP noise variances.
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