Critical learning periods (CLPs) in federated learning (FL) refer to early stages during which low-quality contributions (e.g., sparse training data availability) can permanently impair the performance of the global model owned by the cloud server. However, existing incentive mechanisms typically assume temporal homogeneity, treating all training rounds as equally important, thereby failing to prioritize and attract high-quality contributions during CLPs. This inefficiency is compounded by information asymmetry due to privacy regulations, where the cloud lacks knowledge of client training capabilities, leading to adverse selection and moral hazard. Thus, in this article, we propose a time-aware contract-theoretic incentive framework, named Right Reward Right Time (R3T), to encourage client involvement, especially during CLPs, to maximize the utility of the cloud server. We formulate a cloud utility function that captures the trade-off between the achieved model performance and rewards allocated for clients' contributions, explicitly accounting for client heterogeneity in time and system capabilities, effort, and joining time. Then, we devise a CLP-aware incentive mechanism deriving an optimal contract design that satisfies individual rationality, incentive compatibility, and budget feasibility constraints, motivating rational clients to participate early and contribute efforts. By providing the right reward at the right time, our approach can attract the highest-quality contributions during CLPs. Simulation and proof-of-concept studies show that R3T mitigates information asymmetry, increases cloud utility, and yields superior economic efficiency compared to conventional incentive mechanisms. Our proof-of-concept results demonstrate up to a 47.6% reduction in the total number of clients and up to a 300% improvement in convergence time while achieving competitive test accuracy.


翻译:联邦学习中的关键学习期是指早期阶段,在此期间低质量贡献(如稀疏训练数据可用性)可能永久损害云服务器所拥有的全局模型性能。然而,现有激励机制通常假设时间同质性,将所有训练轮次视为同等重要,从而无法在关键学习期优先吸引高质量贡献。由于隐私法规导致的信息不对称加剧了这种低效性,云服务器缺乏对客户端训练能力的了解,从而引发逆向选择和道德风险。因此,本文提出一种时间感知的契约理论激励框架,称为“适时适奖”,以鼓励客户端参与,特别是在关键学习期,从而最大化云服务器效用。我们构建了一个云效用函数,该函数捕捉了所达模型性能与为客户端贡献分配奖励之间的权衡,并明确考虑了客户端在时间与系统能力、努力程度和加入时间上的异质性。随后,我们设计了一种关键学习期感知激励机制,推导出满足个体理性、激励相容和预算可行性约束的最优契约设计,激励理性客户端尽早参与并付出努力。通过在正确时间提供适当奖励,我们的方法能够在关键学习期吸引最高质量的贡献。仿真与概念验证研究表明,与传统激励机制相比,R3T能够缓解信息不对称、提升云服务器效用,并产生更优的经济效率。我们的概念验证结果表明,在实现具有竞争力的测试准确率的同时,客户端总数最多可减少47.6%,收敛时间最多可提升300%。

0
下载
关闭预览

相关内容

云服务是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式,通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。
联邦长尾学习研究综述
专知会员服务
15+阅读 · 2025年5月1日
联邦学习中的成员推断攻击与防御:综述
专知会员服务
17+阅读 · 2024年12月15日
【剑桥大学博士论文】联邦自监督学习,141页pdf
专知会员服务
19+阅读 · 2024年6月15日
【MIT博士论文】联邦学习实用方法,143页pdf
专知会员服务
66+阅读 · 2022年9月24日
移动边缘网络中联邦学习效率优化综述
专知会员服务
49+阅读 · 2022年7月9日
联邦学习研究综述
专知会员服务
151+阅读 · 2021年12月25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
联邦学习研究综述
专知
11+阅读 · 2021年12月25日
联邦学习安全与隐私保护研究综述
专知
12+阅读 · 2020年8月7日
【资源】联邦学习相关文献资源大列表
专知
10+阅读 · 2020年2月25日
CCCF专栏 | 联邦学习
中国计算机学会
26+阅读 · 2018年11月19日
国家自然科学基金
42+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+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
9+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
31+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 1月20日
VIP会员
相关VIP内容
联邦长尾学习研究综述
专知会员服务
15+阅读 · 2025年5月1日
联邦学习中的成员推断攻击与防御:综述
专知会员服务
17+阅读 · 2024年12月15日
【剑桥大学博士论文】联邦自监督学习,141页pdf
专知会员服务
19+阅读 · 2024年6月15日
【MIT博士论文】联邦学习实用方法,143页pdf
专知会员服务
66+阅读 · 2022年9月24日
移动边缘网络中联邦学习效率优化综述
专知会员服务
49+阅读 · 2022年7月9日
联邦学习研究综述
专知会员服务
151+阅读 · 2021年12月25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
42+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
17+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
9+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
31+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
11+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员