EPS$^{2}$: Privacy Preserving Set-Valued Data Analysis in the Shuffle Model

洗牌 符号 计算机科学 集合(抽象数据类型) 采样(信号处理) 理论计算机科学 数据集 算法 数据挖掘 情报检索 人工智能 数学 程序设计语言 算术 计算机视觉 滤波器(信号处理)
作者
Leixia Wang,Qingqing Ye,Haibo Hu,Xiaofeng Meng
出处
期刊:IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering [IEEE Computer Society]
卷期号:36 (11): 6084-6098 被引量:2
标识
DOI:10.1109/tkde.2023.3341171
摘要

Collecting and analyzing users' set-valued data with privacy-preserving is a common scenario in real life. However, the existing solutions in LDP are not efficient enough, where users perturbing their data locally introduces a large amount of noise. The shuffle model, which adds a shuffler in LDP to shuffle all perturbed values, can amplify privacy, then improve utility. Inspired by this, we study the frequency estimation and top- $k$ frequent item estimation of set-valued data in the shuffle model. To solve the challenges of different item quantities of users and further improve the utility, we combine sampling and shuffling together, and propose the Encoding, Padding, Sampling, and Shuffling framework, i.e., EPS $^{2}$ . Based on this framework, we propose three protocols for frequency estimation in different application scenarios, then assemble them into multi-phase protocols for the top- $k$ frequent item estimation. Theoretically, we identify all three protocols gain dual privacy amplification from sampling and shuffling. And by setting the size of users' set to 1, we can extend this amplified bound to the single-valued frequency estimation scenario, producing a tighter privacy bound than existing works. Finally, we perform experiments on both synthetic and real-world datasets to demonstrate the effectiveness of our protocols.
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