Differentially Private Federated Learning With an Adaptive Noise Mechanism

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作者
Rui Xue,Kaiping Xue,Bin Zhu,Xinyu Luo,Tianwei Zhang,Quansen Sun,Jun Lü
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Forensics and Security [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19: 74-87
标识
DOI:10.1109/tifs.2023.3318944
摘要

Federated Learning (FL) enables multiple distributed clients to collaboratively train a model with owned datasets. To avoid the potential privacy threat in FL, researchers propose the DP-FL strategy, which utilizes differential privacy (DP) to add elaborate noise to the exchanged parameters to hide privacy information. DP-FL guarantees the privacy of FL at the cost of model performance degradation. To balance the trade-off between model accuracy and security, we propose a differentially private federated learning scheme with an adaptive noise mechanism. This is challenging, as the distributed nature of FL makes it difficult to appropriately estimate sensitivity, where sensitivity is a concept in DP that determines the scale of noise. To resolve this, we design a generic method for sensitivity estimates based on local and global historical information. We also provide instances on four commonly used optimizers to verify its effectiveness. The experiments on MNIST, FMNIST and CIFAR-10 convincingly prove that our proposed scheme achieves higher accuracy while keeping high-level privacy protection compared to prior works.
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