To effectively manage and utilize massive distributed data at the network edge, Federated Learning (FL) has emerged as a promising edge computing paradigm across data silos. However, FL still faces two challenges: system heterogeneity (i.e., the diversity of hardware resources across edge devices) and statistical heterogeneity (i.e., non-IID data). Although sparsification can extract diverse submodels for diverse clients, most sparse FL works either simply assign submodels with artificially-given rigid rules or prune partial parameters using heuristic strategies, resulting in inflexible sparsification and poor performance. In this work, we propose Learnable Personalized Sparsification for heterogeneous Federated learning (FedLPS), which achieves the learnable customization of heterogeneous sparse models with importance-associated patterns and adaptive ratios to simultaneously tackle system and statistical heterogeneity. Specifically, FedLPS learns the importance of model units on local data representation and further derives an importance-based sparse pattern with minimal heuristics to accurately extract personalized data features in non-IID settings. Furthermore, Prompt Upper Confidence Bound Variance (P-UCBV) is designed to adaptively determine sparse ratios by learning the superimposed effect of diverse device capabilities and non-IID data, aiming at resource self-adaptation with promising accuracy. Extensive experiments show that FedLPS outperforms status quo approaches in accuracy and training costs, which improves accuracy by 1.28%-59.34% while reducing running time by more than 68.80%.


翻译:为有效管理和利用网络边缘的海量分布式数据,联邦学习(FL)已成为跨数据孤岛的一种有前景的边缘计算范式。然而,FL仍面临两大挑战:系统异构性(即边缘设备间硬件资源的多样性)和统计异构性(即非独立同分布数据)。尽管稀疏化可为不同客户端提取多样化子模型,但现有稀疏联邦学习研究大多仅通过人为给定的刚性规则分配子模型,或采用启发式策略剪枝部分参数,导致稀疏化过程缺乏灵活性且性能不佳。本文提出面向异构联邦学习的可学习个性化稀疏化方法(FedLPS),该方法通过重要性关联模式与自适应比例实现异构稀疏模型的可学习定制,以同时应对系统与统计异构性问题。具体而言,FedLPS通过局部数据表征学习模型单元的重要性,进而基于重要性推导稀疏模式(最小化启发式干预),从而在非独立同分布场景中精确提取个性化数据特征。此外,我们设计了提示上置信界方差方法(P-UCBV),通过学习设备能力差异与非独立同分布数据的叠加效应自适应确定稀疏比例,实现兼顾资源自适应与精度保障的目标。大量实验表明,FedLPS在精度与训练成本方面均优于现有方法:精度提升1.28%-59.34%,同时运行时间降低超68.80%。

1
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+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
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
11+阅读 · 2023年3月8日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
Arxiv
20+阅读 · 2021年9月22日
Arxiv
14+阅读 · 2021年7月20日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关论文
Arxiv
11+阅读 · 2023年3月8日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
Arxiv
20+阅读 · 2021年9月22日
Arxiv
14+阅读 · 2021年7月20日
Arxiv
13+阅读 · 2021年5月25日
Arxiv
14+阅读 · 2018年5月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
3+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
3+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
2+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员