Federated learning (FL) enables distributed learning across edge devices while protecting data privacy. However, the learning accuracy decreases due to the heterogeneity of devices' data, and the computation and communication latency increase when updating large-scale learning models on devices with limited computational capability and wireless resources. We consider a novel FL framework with partial model pruning and personalization to overcome these challenges. This framework splits the learning model into a global part with model pruning shared with all devices to learn data representations and a personalized part to be fine-tuned for a specific device, which adapts the model size during FL to reduce both computation and communication latency and increases the learning accuracy for the device with non-independent and identically distributed (non-IID) data. Then, the computation and communication latency and the convergence analysis of the proposed FL framework are mathematically analyzed. To maximize the convergence rate and guarantee learning accuracy, Karush Kuhn Tucker (KKT) conditions are deployed to jointly optimize the pruning ratio and bandwidth allocation. Finally, experimental results demonstrate that the proposed FL framework achieves a remarkable reduction of approximately 50 percents computation and communication latency compared with the scheme only with model personalization.


翻译:联邦学习(FL)能够在保护数据隐私的前提下实现跨边缘设备的分布式学习。然而,设备数据的异构性会导致学习精度下降,且当在计算能力与无线资源受限的设备上更新大规模学习模型时,计算与通信延迟会显著增加。为克服这些挑战,本文提出了一种结合部分模型剪枝与个性化的新型联邦学习框架。该框架将学习模型分为全局部分与个性化部分:全局部分通过模型剪枝与所有设备共享以学习数据表征,个性化部分则针对特定设备进行微调。该框架在联邦学习过程中自适应调整模型规模,从而降低计算与通信延迟,同时提升非独立同分布(non-IID)数据设备的学习精度。随后,本文对所提联邦学习框架的计算与通信延迟及收敛性进行了数学分析。为最大化收敛速率并保证学习精度,采用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件对剪枝比例与带宽分配进行联合优化。实验结果表明,与仅采用模型个性化的方案相比,所提联邦学习框架在计算与通信延迟上实现了约50%的显著降低。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
35+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
61+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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
47+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
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
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
10+阅读 · 2021年2月26日
Advances and Open Problems in Federated Learning
Arxiv
18+阅读 · 2019年12月10日
VIP会员
最新内容
综述 | 多模态大模型的不确定性感知决策
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:39
综述 | Deep Academic Survey:有状态闭环综述自动化
专知会员服务
0+阅读 · 今天14:37
综述 | 触觉与力觉感知机器人学习
专知会员服务
6+阅读 · 8月18日
综述 | AI科学家的过去与未来
专知会员服务
6+阅读 · 8月18日
论文 | OmniScientist:全模态全学科AI科学家
专知会员服务
10+阅读 · 8月16日
无人机已改变战场,但并未解决指挥问题
专知会员服务
11+阅读 · 8月14日
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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
47+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
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
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