In cross-device federated learning (FL) with millions of mobile clients, only a small subset of clients participate in training in every communication round, and Federated Averaging (FedAvg) is the most popular algorithm in practice. Existing analyses of FedAvg usually assume the participating clients are independently sampled in each round from a uniform distribution, which does not reflect real-world scenarios. This paper introduces a theoretical framework that models client participation in FL as a Markov chain to study optimization convergence when clients have non-uniform and correlated participation across rounds. We apply this framework to analyze a more general and practical pattern: every client must wait a minimum number of $R$ rounds (minimum separation) before re-participating. We theoretically prove and empirically observe that increasing minimum separation reduces the bias induced by intrinsic non-uniformity of client availability in cross-device FL systems. Furthermore, we develop an effective debiasing algorithm for FedAvg that provably converges to the unbiased optimal solution under arbitrary minimum separation and unknown client availability distribution.


翻译:在涉及数百万移动客户端的跨设备联邦学习(FL)中,每个通信轮次仅有一小部分客户端参与训练,而联邦平均(FedAvg)是实践中最流行的算法。现有的FedAvg分析通常假设参与客户端在每轮中是从均匀分布中独立采样的,这并不能反映真实场景。本文引入了一个理论框架,将FL中的客户端参与建模为马尔可夫链,以研究当客户端在跨轮次中具有非均匀且相关的参与模式时的优化收敛性。我们应用此框架分析一种更通用且实际的模式:每个客户端在重新参与之前必须等待至少$R$轮(最小间隔)。我们从理论上证明并通过实验观察到,增加最小间隔可以减少跨设备FL系统中客户端固有可用性的非均匀性所引入的偏差。此外,我们为FedAvg开发了一种有效的去偏算法,该算法在任意最小间隔和未知客户端可用性分布下,可证明地收敛到无偏最优解。

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
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
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
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
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+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
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
Arxiv
10+阅读 · 2021年2月26日
Deep Anomaly Detection with Outlier Exposure
Arxiv
17+阅读 · 2018年12月21日
VIP会员
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
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
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
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25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
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
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+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
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
Top
微信扫码咨询专知VIP会员