[論文レビュー] Toward Practical Differential Privacy in Smart Grid with Capacity-Limited Rechargeable Batteries

Zijian Zhang, Zhan Qin+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2015

Smart Grid Security and Resilience参考文献 19被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、再充電式バッテリをノイズ源として用いることで微分プライバシーを達成する、ステートレスおよびステートフルなプライバシー保護方式を提案する。充電・放電レート制約下でも標準的な微分プライバシーを満たすために、境界を変更可能なノイズ分布を導入し、容量制限下でのステートフル方式では緩和された微分プライバシー定義を用いることで、先行研究に比べてプライバシー漏洩の安定性が向上する。

ABSTRACT

The technology of differential privacy, adding a noise drawn from the Laplace distribution, successfully overcomes a difficulty of keeping both the privacy of individual data and the utility of the statistical result simultaneously. Therefore, it is prevalent to use a rechargeable battery as the noise for achieving differential privacy in the application of smart grid. Unfortunately, to the best of our knowledge, we observe that the existing privacy protection mechanisms cannot satisfy differential privacy, when considering physical restrictions of the battery in practice. In this paper, we first classify two types of challenges caused by two physical restrictions, the maximum charging/discharging rate and the capacity of battery. We then propose a stateless privacy protection scheme by exploring a boundary-changeable distribution for noise, and prove this scheme satisfies differential privacy, with regard to the first type of challenge. We further explain the difficulty to achieve differential privacy under the second type of challenge, and formalize the definition of a relaxed differential privacy. Finally, we present a stateful privacy protection scheme that satisfies the relaxed differential privacy. Experimental analysis shows that the maximum privacy leakage of our privacy protection schemes at each time point stably outperforms that of the existing work.

研究の動機と目的

• 現実のバッテリ物理的制約下で失敗する既存の微分プライバシー機構におけるギャップを埋める。
• 最大充電・放電レート制限および有限なバッテリ容量という2つの主要な物理的課題を特定・分類する。
• レート制限下でも標準的な微分プライバシーを満たすステートレス方式を開発し、境界を変更可能なノイズ分布を用いる。
• 容量制限を扱うために、プライバシーとバッテリ容量のトレードオフを形式的に定式化した緩和された微分プライバシー定義を形式化する。
• 容量制限下でも緩和された微分プライバシー定義を満たすように、バッテリ状態を追跡してノイズ生成を調整するステートフル方式を設計する。

提案手法

• バッテリ状態に応じてノイズの境界を動的に調整できる境界を変更可能なラプラス型ノイズ分布を提案し、レート制限下でも微分プライバシーを満たす。
• 数学的に、ステートレス方式が最大充電・放電レート制限下でも標準的な(ε, δ)-微分プライバシーを満たすことを証明する。
• 容量制限下での有限なプライバシー漏洩を許容する緩和された微分プライバシー定義を導入し、プライバシーとバッテリ容量のトレードオフを形式化する。
• バッテリ状態を追跡し、それに応じてノイズ生成を調整するステートフル方式を設計し、緩和されたプライバシー定義を満たすようにする。
• 実験的評価を通じて、提案方式と既存方式との間で時間経過に伴う最大プライバシー漏洩量を比較する。
• 物理的制約下でもプライバシーとユーティリティのバランスを取るために、修正されたノイズパラメータを用いたラプラスメカニズムを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッテリの充電・放電レート制限下でも、ステートレスなノイズ生成方式が標準的な微分プライバシーを満たすことは可能か？
• RQ2 有限なバッテリ容量を扱える緩和された微分プライバシーの正式な定義は何か？
• RQ3 容量制限下でも緩和された微分プライバシー定義を満たすように設計されたステートフル方式は可能か？
• RQ4 提案方式の最大プライバシー漏洩量は、時間経過に伴って既存のメカニズムと比較してどのように変化するか？

主な発見

• 提案されたステートレス方式は、境界を変更可能なノイズ分布を用いることで、最大充電・放電レート制限下でも標準的な(ε, δ)-微分プライバシーを満たす。
• 本稿では、有限なバッテリ容量の課題に対処するため、緩和された微分プライバシー定義を形式化し、実用的導入を可能にする。
• ステートフル方式はバッテリ状態を追跡し、それに応じてノイズ生成を調整することで、緩和された微分プライバシー保証を達成する。
• 実験結果から、提案方式の最大プライバシー漏洩量は、各時間点において既存手法よりも安定して低いことが示された。
• 提案方式は、先行手法が失敗する現実的なバッテリ物理的制約下でも、強固なプライバシー保証を維持する。
• 境界を変更可能なノイズ分布は、状態追跡を必要とせずに、レート制限下でのプライバシー漏洩を効果的に低減する。