[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种无状态和一种有状态的隐私保护方案，利用可充电电池作为噪声源，以实现差分隐私。该方案引入了一种可变边界的噪声分布，以在充放电速率约束下满足标准差分隐私；并提出一种有状态方案下的宽松差分隐私定义，以应对容量限制，在隐私泄漏稳定性方面优于以往工作。

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.

研究动机与目标

• 填补现有差分隐私机制在智能电网中因无法满足真实世界电池物理约束而失效的空白。
• 识别并分类两个关键物理挑战：最大充放电速率限制与有限电池容量。
• 设计一种无状态方案，在速率约束下通过可变边界噪声分布满足标准差分隐私。
• 形式化一种宽松差分隐私定义，以应对容量约束。
• 设计一种有状态方案，在容量限制下满足宽松差分隐私定义。

提出的方法

• 提出一种可变边界的拉普拉斯类噪声分布，根据电池状态动态调整噪声边界，确保在速率约束下满足差分隐私。
• 数学证明表明，无状态方案在最大充放电速率限制下满足标准(ε, δ)-差分隐私。
• 引入一种宽松差分隐私定义，允许在容量约束下存在有界隐私泄漏，形式化隐私与电池容量之间的权衡。
• 设计一种有状态方案，通过跟踪电池状态并相应调整噪声生成，以满足宽松隐私定义。
• 通过实验评估，比较所提方案与现有方案在各时间点的最大隐私泄漏。
• 应用修改噪声参数的拉普拉斯机制，在物理约束下平衡隐私与效用。

实验结果

研究问题

• RQ1 无状态噪声生成方案是否能在电池充放电速率限制下满足标准差分隐私？
• RQ2 何种形式化的宽松差分隐私定义可容纳有限电池容量？
• RQ3 能否设计一种有状态方案，在容量约束下满足宽松差分隐私定义？
• RQ4 所提方案的最大隐私泄漏与现有机制相比，在时间维度上的表现如何？

主要发现

• 所提无状态方案通过使用可变边界噪声分布，在最大充放电速率约束下满足标准(ε, δ)-差分隐私。
• 本文形式化了一种宽松差分隐私定义，以应对有限电池容量的挑战，从而实现实际部署。
• 有状态方案通过跟踪电池状态并相应调整噪声生成，实现了宽松差分隐私保证。
• 实验结果表明，所提方案在各时间点的最大隐私泄漏均稳定低于现有工作。
• 所提方案在先前机制失效的真实电池物理约束下，仍能维持强隐私保障。
• 可变边界噪声分布有效缓解了在速率约束下的隐私泄漏，且无需状态跟踪。