This paper introduces subject granular privacy in the Federated Learning (FL) setting, where a subject is an individual whose private information is embodied by several data items either confined within a single federation user or distributed across multiple federation users. We formally define the notion of subject level differential privacy for FL. We propose three new algorithms that enforce subject level DP. Two of these algorithms are based on notions of user level local differential privacy (LDP) and group differential privacy respectively. The third algorithm is based on a novel idea of hierarchical gradient averaging (HiGradAvgDP) for subjects participating in a training mini-batch. We also introduce horizontal composition of privacy loss for a subject across multiple federation users. We show that horizontal composition is equivalent to sequential composition in the worst case. We prove the subject level DP guarantee for all our algorithms and empirically analyze them using the FEMNIST and Shakespeare datasets. Our evaluation shows that, of our three algorithms, HiGradAvgDP delivers the best model performance, approaching that of a model trained using a DP-SGD based algorithm that provides a weaker item level privacy guarantee.


翻译:本文在联邦学习(FL)设置中介绍了主题颗粒隐私权,在联邦学习(FL)设置中,一个主体是个人个人,其私人信息由若干数据项目组成,或者局限于一个联邦用户内部,或者分布在多个联邦用户之间。我们正式界定FL的主体水平差异隐私概念。我们提议了三种新的算法,以强制执行主题水平DP。其中两种算法分别基于用户一级地方差异隐私(LDP)和群体差异隐私的概念。第三个算法基于参与培训微型批量的主体的等级梯度平均(HiGradAvgDP)的新概念。我们还为多个联邦用户引入了隐私损失的横向构成。我们表明横向构成相当于最坏情况下的顺序构成。我们证明我们所有算法的主体水平DP保证,并用FEMNIST和莎士比数据集进行实验性分析。我们的评估表明,在我们三种算法中,HigradAvgDP提供最佳的模型性表现,接近使用DP-SGD计算法进行较弱的项目隐私保障的模型。

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