[논문 리뷰] Toward Practical Differential Privacy in Smart Grid with Capacity-Limited Rechargeable Batteries

Zijian Zhang, Zhan Qin외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 10.

Smart Grid Security and Resilience참고 문헌 19인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 재충전 가능한 배터리를 노이즈 원천으로 사용하여 차등 프라이버시를 달성하기 위해 무상태성 및 상태 기반 프라이버시 보호 기법을 제안한다. 충전/방전 속도 제약 조건 하에서 표준 차등 프라이버시를 만족시키기 위해 경계를 변경할 수 있는 노이즈 분포를 도입하였으며, 용량 제약 조건 하에서 상태 기반 기법을 사용한 완화된 차등 프라이버시 정의를 제안하여 기존 기법들에 비해 프라이버시 泄露 안정성에서 뛰어난 성능을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 배터리 물리적 제약 조건 하에서 실패하는 기존 차등 프라이버시 메커니즘의 격차를 보완하기 위해.
• 최대 충전/방전 속도 제한 및 유한한 배터리 용량이라는 두 가지 핵심 물리적 과제를 식별하고 분류하기 위해.
• 경계를 변경할 수 있는 노이즈 분포를 사용하여 최대 충전/방전 속도 제약 조건 하에서 표준 차등 프라이버시를 만족하는 무상태성 기법을 개발하기 위해.
• 용량 제약 조건 하에서 허용 가능한 프라이버시 泄露를 허용하는 완화된 차등 프라이버시 정의를 정식화하기 위해.
• 용량 제약 조건 하에서 완화된 차등 프라이버시 정의를 만족하는 상태 기반 기법을 설계하기 위해.

제안 방법

• 배터리 상태에 따라 노이즈 범위를 동적으로 조정할 수 있는 경계를 변경할 수 있는 라플라스 유사 노이즈 분포를 제안하여, 속도 제약 조건 하에서 차등 프라이버시를 보장하기 위해.
• 수학적으로 무상태성 기법이 최대 충전/방전 속도 제한 조건 하에서 표준 (ε, δ)-차등 프라이버시를 만족함을 증명하기 위해.
• 용량 제약 조건 하에서 제한된 프라이버시 泄露를 允許하는 완화된 차등 프라이버시 정의를 도입하여, 프라이버시와 배터리 용량 간의 상호 교환 관계를 정식화하기 위해.
• 배터리 상태를 추적하고 노이즈 생성을 적절히 조정하여 완화된 프라이버시 정의를 만족하는 상태 기반 기법을 설계하기 위해.
• 실험적 평가를 통해 제안된 기법과 기존 기법 간의 시간대별 최대 프라이버시 泄露를 비교하기 위해.
• 물리적 제약 조건 하에서 프라이버시와 유틸리티의 균형을 맞추기 위해 수정된 노이즈 파rameter를 사용한 라플라스 기법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무상태성 노이즈 생성 기법이 배터리 충전/방전 속도 제한 조건 하에서 표준 차등 프라이버시를 만족할 수 있는가?
• RQ2 유한한 배터리 용량을 수용할 수 있는 완화된 차등 프라이버시의 공식 정의는 무엇인가?
• RQ3 용량 제약 조건 하에서 완화된 차등 프라이버시 정의를 만족하는 상태 기반 기법을 설계할 수 있는가?
• RQ4 제안된 기법의 최대 프라이버시 泄露가 시간 경과에 따라 기존 메커니즘과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 제안된 무상태성 기법은 경계를 변경할 수 있는 노이즈 분포를 사용하여 최대 충전/방전 속도 제약 조건 하에서 표준 (ε, δ)-차등 프라이버시를 만족한다.
• 논문은 유한한 배터리 용량 문제를 다루기 위해 완화된 차등 프라이버시 정의를 정식화하여 실용적 구현을 가능하게 하였다.
• 상태 기반 기법은 배터리 상태를 추적하고 노이즈 생성을 적절히 조정하여 완화된 차등 프라이버시 보장을 달성하였다.
• 실험 결과, 제안된 기법의 최대 프라이버시 泄露가 각 시간대에서 기존 기법보다 안정적으로 낮게 나타났다.
• 기존 기법이 실패하는 현실적인 배터리 물리적 제약 조건 하에서도 제안된 기법은 강력한 프라이버시 보장을 유지하였다.
• 경계를 변경할 수 있는 노이즈 분포가 상태 추적 없이도 속도 제약 조건 하에서 프라이버시 泄露를 효과적으로 완화하였다.