Federated learning (FL) enables distributed clients to collaboratively train a machine learning model without sharing raw data with each other. However, it suffers the leakage of private information from uploading models. In addition, as the model size grows, the training latency increases due to limited transmission bandwidth and the model performance degrades while using differential privacy (DP) protection. In this paper, we propose a gradient sparsification empowered FL framework over wireless channels, in order to improve training efficiency without sacrificing convergence performance. Specifically, we first design a random sparsification algorithm to retain a fraction of the gradient elements in each client's local training, thereby mitigating the performance degradation induced by DP and and reducing the number of transmission parameters over wireless channels. Then, we analyze the convergence bound of the proposed algorithm, by modeling a non-convex FL problem. Next, we formulate a time-sequential stochastic optimization problem for minimizing the developed convergence bound, under the constraints of transmit power, the average transmitting delay, as well as the client's DP requirement. Utilizing the Lyapunov drift-plus-penalty framework, we develop an analytical solution to the optimization problem. Extensive experiments have been implemented on three real life datasets to demonstrate the effectiveness of our proposed algorithm. We show that our proposed algorithms can fully exploit the interworking between communication and computation to outperform the baselines, i.e., random scheduling, round robin and delay-minimization algorithms.


翻译:联邦学习(FL)允许分布式客户端在互不共享原始数据的情况下协同训练机器学习模型。然而,由于上传模型会泄露私人信息,因此FL受到了保护隐私的限制。另外,随着模型大小的增加,由于传输带宽有限,训练延迟增加以及模型性能受差分隐私的保护影响而下降。在本文中,我们提出了一种在无线信道上使用梯度稀疏化的FL框架,以提高训练效率而不影响收敛性能。具体而言,我们首先设计了一种随机稀疏化算法,以保留每个客户端的局部训练梯度元素的一部分,从而减轻了DP引起的性能退化并减少了在无线信道上传输的参数数量。然后,我们通过建模非凸FL问题来分析所提出算法的收敛界限。接下来,我们将一个时间序列随机优化问题制定为最小化发展出的渐进界限,同时满足传输功率、平均传输延迟和客户端的差分隐私需求。利用Lyapunov漂移加惩罚框架,我们开发了一个分析解来解决优化问题。我们在三个真实数据集上进行了大量实验来证明我们所提出的算法的有效性。我们展示了我们的算法可以充分利用通信和计算之间的相互作用,以胜过基线,即随机调度、轮流和延迟最小化算法。

0
下载
关闭预览

相关内容

移动边缘网络中联邦学习效率优化综述
专知会员服务
44+阅读 · 2022年7月9日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
115+阅读 · 2022年4月21日
最新《联邦学习Federated Learning》报告,Federated Learning
专知会员服务
86+阅读 · 2020年12月2日
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2010年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年5月25日
Arxiv
19+阅读 · 2022年10月10日
VIP会员
相关VIP内容
移动边缘网络中联邦学习效率优化综述
专知会员服务
44+阅读 · 2022年7月9日
【2022新书】高效深度学习,Efficient Deep Learning Book
专知会员服务
115+阅读 · 2022年4月21日
最新《联邦学习Federated Learning》报告,Federated Learning
专知会员服务
86+阅读 · 2020年12月2日
相关资讯
Multi-Task Learning的几篇综述文章
深度学习自然语言处理
15+阅读 · 2020年6月15日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
23+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
26+阅读 · 2019年5月18日
逆强化学习-学习人先验的动机
CreateAMind
15+阅读 · 2019年1月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
41+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
16+阅读 · 2018年12月24日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2010年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员