Federated learning (FL) encounters scalability challenges when implemented over fog networks that do not follow FL's conventional star topology architecture. Semi-decentralized FL (SD-FL) has proposed a solution for device-to-device (D2D) enabled networks that divides model cooperation into two stages: at the lower stage, D2D communications is employed for local model aggregations within subnetworks (subnets), while the upper stage handles device-server (DS) communications for global model aggregations. However, existing SD-FL schemes are based on gradient diversity assumptions that become performance bottlenecks as data distributions become more heterogeneous. In this work, we develop semi-decentralized gradient tracking (SD-GT), the first SD-FL methodology that removes the need for such assumptions by incorporating tracking terms into device updates for each communication layer. Our analytical characterization of SD-GT reveals upper bounds on convergence for non-convex, convex, and strongly-convex problems. We show how the bounds enable the development of an optimization algorithm that navigates the performance-efficiency trade-off by tuning subnet sampling rate and D2D rounds for each global training interval. Our subsequent numerical evaluations demonstrate that SD-GT obtains substantial improvements in trained model quality and communication cost relative to baselines in SD-FL and gradient tracking on several datasets.


翻译:联邦学习(FL)在应用于不遵循传统星型拓扑架构的雾网络时面临可扩展性挑战。半去中心化联邦学习(SD-FL)为支持设备到设备(D2D)通信的网络提出了一种解决方案,将模型协作分为两个阶段:在底层阶段,利用D2D通信实现子网内的局部模型聚合;而上层阶段则通过设备-服务器(DS)通信处理全局模型聚合。然而,现有SD-FL方案基于梯度多样性假设,当数据分布变得更加异构时,这些假设会成为性能瓶颈。本研究开发了半去中心化梯度跟踪(SD-GT)方法,这是首个通过在每个通信层的设备更新中引入跟踪项来消除此类假设需求的SD-FL方法论。我们对SD-GT的理论分析揭示了非凸、凸及强凸问题的收敛上界。我们证明了这些上界如何支持开发一种优化算法,该算法通过调整每个全局训练间隔内的子网采样率和D2D通信轮数,在性能与效率之间实现权衡。后续数值评估表明,在多个数据集上,SD-GT相对于SD-FL基线和梯度跟踪方法,在训练模型质量和通信成本方面均取得显著提升。

0
下载
关闭预览

相关内容

梯度的本意是一个向量(矢量),表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值,即函数在该点处沿着该方向(此梯度的方向)变化最快,变化率最大(为该梯度的模)。
【CMU博士论文】异构网络可信可扩展学习,296页pdf
专知会员服务
33+阅读 · 2023年9月24日
专知会员服务
36+阅读 · 2021年7月9日
最新《联邦学习Federated Learning》报告,Federated Learning
专知会员服务
92+阅读 · 2020年12月2日
迁移学习在深度学习中的应用
专知
24+阅读 · 2017年12月24日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31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
1+阅读 · 2015年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
9+阅读 · 2015年12月31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
VIP会员
最新内容
(译文)认知战:以士兵为目标,塑造战略
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:12
(中文)认知战的本体论基础(2026报告)
专知会员服务
18+阅读 · 今天1:45
美空军条令(2026):外国对内防御
专知会员服务
3+阅读 · 今天1:32
美国与以色列如何在攻击伊朗中使用人工智能
专知会员服务
7+阅读 · 4月16日
《自动化战略情报管控》
专知会员服务
3+阅读 · 4月16日
得失评估:审视对伊朗战争的轨迹(简报)
专知会员服务
3+阅读 · 4月16日
【CMU博士论文】迈向可解释机器学习的理论基础
相关VIP内容
【CMU博士论文】异构网络可信可扩展学习,296页pdf
专知会员服务
33+阅读 · 2023年9月24日
专知会员服务
36+阅读 · 2021年7月9日
最新《联邦学习Federated Learning》报告,Federated Learning
专知会员服务
92+阅读 · 2020年12月2日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2015年12月31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
1+阅读 · 2015年12月31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 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
9+阅读 · 2015年12月31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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员