Federated learning (FL), as an emerging distributed machine learning paradigm, allows a mass of edge devices to collaboratively train a global model while preserving privacy. In this tutorial, we focus on FL via over-the-air computation (AirComp), which is proposed to reduce the communication overhead for FL over wireless networks at the cost of compromising in the learning performance due to model aggregation error arising from channel fading and noise. We first provide a comprehensive study on the convergence of AirComp-based FedAvg (AirFedAvg) algorithms under both strongly convex and non-convex settings with constant and diminishing learning rates in the presence of data heterogeneity. Through convergence and asymptotic analysis, we characterize the impact of aggregation error on the convergence bound and provide insights for system design with convergence guarantees. Then we derive convergence rates for AirFedAvg algorithms for strongly convex and non-convex objectives. For different types of local updates that can be transmitted by edge devices (i.e., local model, gradient, and model difference), we reveal that transmitting local model in AirFedAvg may cause divergence in the training procedure. In addition, we consider more practical signal processing schemes to improve the communication efficiency and further extend the convergence analysis to different forms of model aggregation error caused by these signal processing schemes. Extensive simulation results under different settings of objective functions, transmitted local information, and communication schemes verify the theoretical conclusions.


翻译:联邦学习(FL)作为一种新兴的分布式机器学习范式,允许大量边缘设备在保护隐私的同时协同训练全局模型。本教程重点研究基于空中计算(AirComp)的联邦学习,该方法旨在降低无线网络FL的通信开销,但会因信道衰落与噪声导致的模型聚合误差而牺牲学习性能。我们首先系统研究了基于AirComp的FedAvg(AirFedAvg)算法在强凸与非凸场景下的收敛性,涵盖数据异构条件下常数与递减学习率的情形。通过收敛性与渐近分析,刻画聚合误差对收敛界的影响,并为保证收敛性的系统设计提供见解。随后推导了面向强凸与非凸目标的AirFedAvg算法收敛速率。针对边缘设备可传输的不同局部更新类型(即局部模型、梯度与模型差异),揭示AirFedAvg中传输局部模型可能导致训练过程发散。此外,我们考虑更实际的信号处理方案以提升通信效率,并进一步将收敛性分析扩展至这些信号处理方案引发的不同形式模型聚合误差。不同目标函数、传输局部信息类型与通信方案设置下的广泛仿真结果验证了理论结论。

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
《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
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
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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26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
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
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
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
12+阅读 · 2023年1月19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
《人工智能在网络防御中的机遇》
专知会员服务
2+阅读 · 今天12:49
认知战:定义与能力发展
专知会员服务
4+阅读 · 今天9:25
乌军利用美国“黄蜂”无人机摧毁俄军后勤
专知会员服务
7+阅读 · 6月7日
《支持作战级人机协同智能的交互式OODA流程》
专知会员服务
15+阅读 · 6月7日
ICML 2026 | SARDI:扩散语言模型的自增强检索
专知会员服务
8+阅读 · 6月6日
相关资讯
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
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
Single-Shot Object Detection with Enriched Semantics
统计学习与视觉计算组
14+阅读 · 2018年8月29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
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
2+阅读 · 2017年12月31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
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
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