Federated Learning (FL) is a novel distributed machine learning approach to leverage data from Internet of Things (IoT) devices while maintaining data privacy. However, the current FL algorithms face the challenges of non-independent and identically distributed (non-IID) data, which causes high communication costs and model accuracy declines. To address the statistical imbalances in FL, we propose a clustered data sharing framework which spares the partial data from cluster heads to credible associates through device-to-device (D2D) communication. Moreover, aiming at diluting the data skew on nodes, we formulate the joint clustering and data sharing problem based on the privacy-preserving constrained graph. To tackle the serious coupling of decisions on the graph, we devise a distribution-based adaptive clustering algorithm (DACA) basing on three deductive cluster-forming conditions, which ensures the maximum yield of data sharing. The experiments show that the proposed framework facilitates FL on non-IID datasets with better convergence and model accuracy under a limited communication environment.


翻译:联邦学习(FL)作为一种新型分布式机器学习方法,能够利用物联网(IoT)设备数据同时保护数据隐私。然而,当前FL算法面临非独立同分布(non-IID)数据带来的挑战,导致通信成本升高和模型精度下降。针对FL中的统计不均衡问题,本文提出一种聚类数据共享框架,通过设备到设备(D2D)通信将簇头节点的部分数据分配给可信关联节点。为稀释节点间的数据偏斜,我们基于隐私保护约束图构建联合聚类与数据共享问题。为解决图中决策的强耦合性,基于三条推导出的聚类形成条件,设计了一种基于分布的自适应聚类算法(DACA),确保数据共享收益最大化。实验表明,在有限通信环境下,所提框架能促进non-IID数据集上的联邦学习,实现更优的收敛性与模型精度。

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