Staden i västra Tyskland sätter 2 500 poliser på gatorna för den veckolånga händelsen.
Tyskland chockerades av nyårsövergreppen, som till stor del skyllde på invandrare. Mer än 100 kvinnor blev offer, men den fulla skalan kom först senare.
Polisen har arresterat tre islamistiska militanter i räder.
Kölns sexattacker: Kvinnor beskriver "fruktansvärda" övergrepp
Rädslan mot lägenheter och kontor ägde rum på torsdag i Berlin, Niedersachsen och Nordrhein-Westfalen.
De två männen och en kvinna som hålls fängslade är bland fyra misstänkta för kopplingar till den så kallade islamiska statsgruppen.
En av dem som hölls var eftersökt av algeriska myndigheter, och de kan ha planerat en attack i Tyskland, sade polisen.
Nyårets oroligheter i Köln orsakade den tyska oron över en enorm tillströmning av asylsökande.
Två män - en tunisisk och en marockansk - har åtalats för brotten i Köln.
Men totalt 945 klagomål till Kölnpolisen efter nyårsproblemet, 559 av dem anklagelser om sexuella övergrepp. Trettiofem misstänkta utreds.
Tyska myndigheter talade om en ny typ av brott, där gäng av berusade män - som beskrivs som nordafrikanska - riktade sig mot kvinnor.
Mirjam, som bodde i Köln, blev attackerad när hon och en vän kom hem på nyårsafton.
Hon sa att hon skulle gå på karnevalfirandet "men med riktigt blandade känslor".
"Jag undrar om nåt sånt kan hända igen."
Miriams mor, Jozi, sade att händelsen förändrade hennes sätt att se invandrare.
"Vi bor i ett mångkulturellt område med massor av marockaner, jag har aldrig tänkt en sekund tidigare - vi är vänner, vi hälsar på varandra, pratar med varandra. Allt var bra. Men nu tittar jag på det med olika ögon."
Organisatörerna har inte sagt hur många som har deltagit i årets karneval, men korrespondenterna säger att antalet är mycket lägre än under tidigare år.
Polisen kommer att närvara vid en ny "säkerhetspunkt" för kvinnor i närheten av Kölns katedral - det område där de flesta övergreppen ägde rum under nyårsfirandet.
Polisen har testat "kroppskameror" som kan filma misstänkta under incidenter.
De tyska myndigheterna har också fört in experter på erkännande i brittiskt ansikte för att hjälpa till att identifiera dem som är inblandade i attackerna på nyårsafton.
Känd som "super-recogniners" kan poliserna från London Metropolitan Police känna igen upp till 95% av de ansikten de har sett - jämfört med cirka 20% för de flesta människor.
Migrationen till Tyskland från länder utanför EU steg till rekordhöga 1,1 miljoner förra året.
Övergreppen i Köln bidrog till en nedgång i kansler Angela Merkels godkännande.
Hon har kritiserats av konservativa allierade, liksom av många oppositionspolitiker, för att ha välkomnat så många asylsökande till Tyskland.
De många syriska och irakiska flyktingarna får i allmänhet asyl, men många ekonomiska invandrare från länder utanför EU försöker också bosätta sig i Tyskland.
Köln har stärkt säkerheten för stadens årliga karneval, efter att många kvinnor utsattes för sexuella övergrepp och rån där på nyårsafton.