Federated learning is an effective approach to realize collaborative learning among edge devices without exchanging raw data. In practice, these devices may connect to local hubs instead of connecting to the global server (aggregator) directly. Due to the (possibly limited) computation capability of these local hubs, it is reasonable to assume that they can perform simple averaging operations. A natural question is whether such local averaging is beneficial under different system parameters and how much gain can be obtained compared to the case without such averaging. In this paper, we study hierarchical federated learning with stochastic gradient descent (HF-SGD) and conduct a thorough theoretical analysis to analyze its convergence behavior. In particular, we first consider the two-level HF-SGD (one level of local averaging) and then extend this result to arbitrary number of levels (multiple levels of local averaging). The analysis demonstrates the impact of local averaging precisely as a function of system parameters. Due to the higher communication cost of global averaging, a strategy of decreasing the global averaging frequency and increasing the local averaging frequency is proposed. Experiments validate the proposed theoretical analysis and the advantages of HF-SGD.


翻译:联邦学习是在不交换原始数据的情况下实现边缘装置之间协作学习的有效方法,实际上,这些装置可能与地方中心连接,而不是直接连接到全球服务器(聚合器),由于这些地方中心具有(可能有限的)计算能力,因此有理由假定它们能够进行简单的平均作业。自然的问题是,在不同系统参数下,这种地方平均是否有益,与没有平均数据的情况相比,能取得多大的收益。在本文中,我们研究以随机梯度下降(HF-SGD)进行分级联合学习,并进行透彻的理论分析,分析其趋同行为。特别是,我们首先考虑两级的HF-SGD(当地平均水平的1级),然后将这一结果扩大到任意数量(当地平均水平的多重水平),分析表明地方平均率作为系统参数的函数是否准确产生影响。由于全球平均通信成本较高,我们提出了降低全球平均频率和增加当地平均频率的战略。实验证实了拟议的理论分析以及高频-SGD的优势。

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