聚集的联合学习（FL）已显示通过将客户分组为群集，从而产生有希望的结果。这在单独的客户群在其本地数据的分布方面有显着差异的情况下特别有效。现有的集群FL算法实质上是在试图将客户群体组合在一起，以便同一集群中的客户可以利用彼此的数据来更好地执行联合学习。但是，先前的群集FL算法试图在培训期间间接学习这些分布相似性，这可能会很耗时，因为可能需要许多回合的联合学习，直到群集的形成稳定为止。在本文中，我们提出了一种新的联合学习方法，该方法直接旨在通过分析客户数据子空间之间的主要角度来有效地识别客户之间的分布相似性。每个客户端都以单一的方式在其本地数据上应用截断的奇异值分解（SVD）步骤，以得出一小部分主向量，该量提供了一个签名，可简洁地捕获基础分布的主要特征。提供了一组主要的主向量，以便服务器可以直接识别客户端之间的分布相似性以形成簇。这是通过比较这些主要向量跨越的客户数据子空间之间主要角度的相似性来实现的。该方法提供了一个简单而有效的集群FL框架，该框架解决了广泛的数据异质性问题，而不是标签偏斜的更简单的非iids形式。我们的聚类FL方法还可以为非凸目标目标提供融合保证。我们的代码可在https://github.com/mmorafah/pacfl上找到。

在存在参与者的非IID数据分布的情况下，经典联合学习方法会产生明显的绩效降解。当每个本地数据集的分布与全局数据集有很大不同时，每个客户端的本地目标将与全局Optima不一致，从而导致本地更新中的漂移。这种现象极大地影响了客户的表现。这是为了让客户参加联合学习的主要动力是获得更好的个性化模型。为了解决上述问题，我们提出了一种新的算法弗利斯（Flis），该算法通过利用客户模型的推理相似性，将客户人口与可共同训练数据分布的群集分组。该框架捕获了设置，其中不同的用户组具有自己的目标（学习任务），但通过在同一集群（相同的学习任务）中汇总其数据以执行更有效和个性化的联合学习。我们提出了实验结果，以证明FLIS比CIFAR-100/10，SVHN和FMNIST数据集的最先进基准的好处。我们的代码可在https://github.com/mmorafah/flis上找到。

An oft-cited open problem of federated learning is the existence of data heterogeneity at the clients. One pathway to understanding the drastic accuracy drop in federated learning is by scrutinizing the behavior of the clients' deep models on data with different levels of "difficulty", which has been left unaddressed. In this paper, we investigate a different and rarely studied dimension of FL: ordered learning. Specifically, we aim to investigate how ordered learning principles can contribute to alleviating the heterogeneity effects in FL. We present theoretical analysis and conduct extensive empirical studies on the efficacy of orderings spanning three kinds of learning: curriculum, anti-curriculum, and random curriculum. We find that curriculum learning largely alleviates non-IIDness. Interestingly, the more disparate the data distributions across clients the more they benefit from ordered learning. We provide analysis explaining this phenomenon, specifically indicating how curriculum training appears to make the objective landscape progressively less convex, suggesting fast converging iterations at the beginning of the training procedure. We derive quantitative results of convergence for both convex and nonconvex objectives by modeling the curriculum training on federated devices as local SGD with locally biased stochastic gradients. Also, inspired by ordered learning, we propose a novel client selection technique that benefits from the real-world disparity in the clients. Our proposed approach to client selection has a synergic effect when applied together with ordered learning in FL.

数据异构联合学习（FL）系统遭受了两个重要的收敛误差来源：1）客户漂移错误是由于在客户端执行多个局部优化步骤而引起的，以及2）部分客户参与错误，这是一个事实，仅一小部分子集边缘客户参加每轮培训。我们发现其中，只有前者在文献中受到了极大的关注。为了解决这个问题，我们提出了FedVarp，这是在服务器上应用的一种新颖的差异算法，它消除了由于部分客户参与而导致的错误。为此，服务器只是将每个客户端的最新更新保持在内存中，并将其用作每回合中非参与客户的替代更新。此外，为了减轻服务器上的内存需求，我们提出了一种新颖的基于聚类的方差降低算法clusterfedvarp。与以前提出的方法不同，FedVarp和ClusterFedVarp均不需要在客户端上进行其他计算或其他优化参数的通信。通过广泛的实验，我们表明FedVarp优于最先进的方法，而ClusterFedVarp实现了与FedVarp相当的性能，并且记忆要求较少。

知识共享和模型个性化是应对联邦学习（FL）中非IID挑战的重要组成部分。大多数现有的FL方法侧重于两个极端：1）学习共享模型，以使用非IID数据为所有客户提供服务，以及2）为每个客户（即个性化fl）学习个性化模型。有一个权衡解决方案，即群集或集群个性化的FL，旨在将相似的客户聚集到一个集群中，然后在集群中为所有客户学习共享模型。本文是通过将群集群集制定为可以统一现有方法的双层优化框架来重新审视群集的研究。我们提出了一个新的理论分析框架，以通过考虑客户之间的凝聚力来证明融合。此外，我们以一种称为加权聚类联合学习（WECFL）的算法体现了该框架。经验分析验证了理论结果，并证明了在拟议的集群非IID设置下提出的WECFL的有效性。

联邦学习（FL）是一种分布式学习方法，它为医学机构提供了在全球模型中合作的前景，同时保留患者的隐私。尽管大多数医疗中心执行类似的医学成像任务，但它们的差异（例如专业，患者数量和设备）导致了独特的数据分布。数据异质性对FL和本地模型的个性化构成了挑战。在这项工作中，我们研究了FL生产中间半全球模型的一种自适应分层聚类方法，因此具有相似数据分布的客户有机会形成更专业的模型。我们的方法形成了几个群集，这些集群由具有最相似数据分布的客户端组成；然后，每个集群继续分开训练。在集群中，我们使用元学习来改善参与者模型的个性化。我们通过评估我们在HAM10K数据集上的建议方法和极端异质数据分布的HAM10K数据集上的我们提出的方法，将聚类方法与经典的FedAvg和集中式培训进行比较。我们的实验表明，与标准的FL方法相比，分类精度相比，异质分布的性能显着提高。此外，我们表明，如果在群集中应用，则模型会更快地收敛，并且仅使用一小部分数据，却优于集中式培训。

由于参与客户的异构特征，联邦学习往往受到不稳定和缓慢的收敛。当客户参与比率低时，这种趋势加剧了，因为从每个轮的客户收集的信息容易更加不一致。为了解决挑战，我们提出了一种新的联合学习框架，这提高了服务器端聚合步骤的稳定性，这是通过将客户端发送与全局梯度估计的加速模型来引导本地梯度更新来实现的。我们的算法自然地聚合并将全局更新信息与没有额外的通信成本的参与者传达，并且不需要将过去的模型存储在客户端中。我们还规范了本地更新，以进一步降低偏差并提高本地更新的稳定性。我们根据各种设置执行了关于实际数据的全面实证研究，与最先进的方法相比，在准确性和通信效率方面表现出了拟议方法的显着性能，特别是具有低客户参与率。我们的代码可在https://github.com/ninigapa0 / fedagm获得

联合学习使不同的各方能够在服务器的编排下协作建立全球模型，同时将培训数据保留在客户的设备上。但是，当客户具有异质数据时，性能会受到影响。为了解决这个问题，我们假设尽管数据异质性，但有些客户的数据分布可以集群。在以前的方法中，为了群集客户端，服务器要求客户端同时发送参数。但是，在有大量参与者可能有限的参与者的情况下，这可能是有问题的。为了防止这种瓶颈，我们提出了FLIC（使用增量聚类的联合学习），其中服务器利用客户在联合培训期间发送的客户发送的更新，而不是要求他们同时发送参数。因此，除了经典的联合学习所需的内容外，服务器与客户之间没有任何其他沟通。我们从经验上证明了各种非IID案例，我们的方法成功地按照相同的数据分布将客户分组分组。我们还通过研究其能力在联邦学习过程的早期阶段对客户进行分配的能力来确定FLIC的局限性。我们进一步将对模型的攻击作为数据异质性的一种形式，并从经验上表明，即使恶意客户的比例高于50 \％，FLIC也是针对中毒攻击的强大防御。

The increasing size of data generated by smartphones and IoT devices motivated the development of Federated Learning (FL), a framework for on-device collaborative training of machine learning models. First efforts in FL focused on learning a single global model with good average performance across clients, but the global model may be arbitrarily bad for a given client, due to the inherent heterogeneity of local data distributions. Federated multi-task learning (MTL) approaches can learn personalized models by formulating an opportune penalized optimization problem. The penalization term can capture complex relations among personalized models, but eschews clear statistical assumptions about local data distributions. In this work, we propose to study federated MTL under the flexible assumption that each local data distribution is a mixture of unknown underlying distributions. This assumption encompasses most of the existing personalized FL approaches and leads to federated EM-like algorithms for both client-server and fully decentralized settings. Moreover, it provides a principled way to serve personalized models to clients not seen at training time. The algorithms' convergence is analyzed through a novel federated surrogate optimization framework, which can be of general interest. Experimental results on FL benchmarks show that our approach provides models with higher accuracy and fairness than state-of-the-art methods.

Federated Learning (FL) allows training machine learning models in privacy-constrained scenarios by enabling the cooperation of edge devices without requiring local data sharing. This approach raises several challenges due to the different statistical distribution of the local datasets and the clients' computational heterogeneity. In particular, the presence of highly non-i.i.d. data severely impairs both the performance of the trained neural network and its convergence rate, increasing the number of communication rounds requested to reach a performance comparable to that of the centralized scenario. As a solution, we propose FedSeq, a novel framework leveraging the sequential training of subgroups of heterogeneous clients, i.e. superclients, to emulate the centralized paradigm in a privacy-compliant way. Given a fixed budget of communication rounds, we show that FedSeq outperforms or match several state-of-the-art federated algorithms in terms of final performance and speed of convergence. Finally, our method can be easily integrated with other approaches available in the literature. Empirical results show that combining existing algorithms with FedSeq further improves its final performance and convergence speed. We test our method on CIFAR-10 and CIFAR-100 and prove its effectiveness in both i.i.d. and non-i.i.d. scenarios.

联合学习允许客户在保持数据本地时协同学习统计模型。联合学习最初用于培训一个独特的全局模型来为所有客户提供服务，但是当客户的本地数据分布是异构时，这种方法可能是次优。为了解决此限制，最近的个性化联合学习方法为每个客户提供单独的模型，同时仍然利用其他客户端提供的知识。在这项工作中，我们利用深神经网络从非表格数据中提取高质量矢量表示（嵌入），例如图像和文本的能力，提出基于本地记忆的个性化机制。根据全局模型提供的共享表示，将个性化与All-Nealest邻居（KNN）模型插入预先训练的全局模型。我们为所提出的方法提供泛化界限，我们展示了一套联合数据集，这种方法比最先进的方法实现了更高的准确性和公平性。

The statistical heterogeneity of the non-independent and identically distributed (non-IID) data in local clients significantly limits the performance of federated learning. Previous attempts like FedProx, SCAFFOLD, MOON, FedNova and FedDyn resort to an optimization perspective, which requires an auxiliary term or re-weights local updates to calibrate the learning bias or the objective inconsistency. However, in addition to previous explorations for improvement in federated averaging, our analysis shows that another critical bottleneck is the poorer optima of client models in more heterogeneous conditions. We thus introduce a data-driven approach called FedSkip to improve the client optima by periodically skipping federated averaging and scattering local models to the cross devices. We provide theoretical analysis of the possible benefit from FedSkip and conduct extensive experiments on a range of datasets to demonstrate that FedSkip achieves much higher accuracy, better aggregation efficiency and competing communication efficiency. Source code is available at: https://github.com/MediaBrain-SJTU/FedSkip.

As a novel distributed learning paradigm, federated learning (FL) faces serious challenges in dealing with massive clients with heterogeneous data distribution and computation and communication resources. Various client-variance-reduction schemes and client sampling strategies have been respectively introduced to improve the robustness of FL. Among others, primal-dual algorithms such as the alternating direction of method multipliers (ADMM) have been found being resilient to data distribution and outperform most of the primal-only FL algorithms. However, the reason behind remains a mystery still. In this paper, we firstly reveal the fact that the federated ADMM is essentially a client-variance-reduced algorithm. While this explains the inherent robustness of federated ADMM, the vanilla version of it lacks the ability to be adaptive to the degree of client heterogeneity. Besides, the global model at the server under client sampling is biased which slows down the practical convergence. To go beyond ADMM, we propose a novel primal-dual FL algorithm, termed FedVRA, that allows one to adaptively control the variance-reduction level and biasness of the global model. In addition, FedVRA unifies several representative FL algorithms in the sense that they are either special instances of FedVRA or are close to it. Extensions of FedVRA to semi/un-supervised learning are also presented. Experiments based on (semi-)supervised image classification tasks demonstrate superiority of FedVRA over the existing schemes in learning scenarios with massive heterogeneous clients and client sampling.

随着对数据隐私和数据量迅速增加的越来越关注，联邦学习（FL）已成为重要的学习范式。但是，在FL环境中共同学习深层神经网络模型被证明是一项非平凡的任务，因为与神经网络相关的复杂性，例如跨客户的各种体系结构，神经元的置换不变性以及非线性的存在每一层的转换。这项工作介绍了一个新颖的联合异质神经网络（FEDHENN）框架，该框架允许每个客户构建个性化模型，而无需在跨客户范围内实施共同的架构。这使每个客户都可以优化本地数据并计算约束，同时仍能从其他（可能更强大）客户端的学习中受益。 Fedhenn的关键思想是使用从同行客户端获得的实例级表示，以指导每个客户的同时培训。广泛的实验结果表明，Fedhenn框架能够在跨客户的同质和异质体系结构的设置中学习更好地表现客户的模型。

经常引用联合学习的挑战是数据异质性的存在 - 不同客户的数据可能遵循非常不同的分布。已经提出了几种联合优化方法来应对这些挑战。在文献中，经验评估通常从随机初始化开始联合培训。但是，在联合学习的许多实际应用中，服务器可以访问培训任务的代理数据，该数据可用于在开始联合培训之前用于预训练模型。我们从经验上研究了使用四个常见联合学习基准数据集从联邦学习中的预训练模型开始的影响。毫不奇怪，从预先训练的模型开始，比从随机初始化开始时，缩短了达到目标错误率所需的训练时间，并使训练更准确的模型（最高40 \％）。令人惊讶的是，我们还发现，从预先训练的初始化开始联合培训时，数据异质性的效果不那么重要。相反，从预先训练的模型开始时，使用服务器上的自适应优化器（例如\ textsc {fedadam}）始终导致最佳准确性。我们建议未来提出和评估联合优化方法的工作在开始随机和预训练的初始化时考虑性能。我们还认为，这项研究提出了几个问题，以进一步了解异质性在联合优化中的作用。

在最新的联合学习研究（FL）的研究中，广泛采用了客户选择方案来处理沟通效率的问题。但是，从随机选择的非代表性子集汇总的模型更新的较大差异直接减慢了FL收敛性。我们提出了一种新型的基于聚类的客户选择方案，以通过降低方差加速FL收敛。简单而有效的方案旨在改善聚类效果并控制效果波动，因此，以采样的一定代表性生成客户子集。从理论上讲，我们证明了降低方差方案的改进。由于差异的差异，我们还提供了提出方法的更严格的收敛保证。实验结果证实了与替代方案相比，我们计划的效率超出了效率。

Federated learning is a distributed machine learning paradigm in which a large number of clients coordinate with a central server to learn a model without sharing their own training data. Standard federated optimization methods such as Federated Averaging (FEDAVG) are often difficult to tune and exhibit unfavorable convergence behavior. In non-federated settings, adaptive optimization methods have had notable success in combating such issues. In this work, we propose federated versions of adaptive optimizers, including ADAGRAD, ADAM, and YOGI, and analyze their convergence in the presence of heterogeneous data for general nonconvex settings. Our results highlight the interplay between client heterogeneity and communication efficiency. We also perform extensive experiments on these methods and show that the use of adaptive optimizers can significantly improve the performance of federated learning.

联邦学习（FL）试图在本地客户端分发模型培训，而无需在集中式数据中心收集数据，从而消除了数据私人关系问题。 FL的一个主要挑战是数据异质性（每个客户的数据分布可能会有所不同），因为它可能导致本地客户的权重差异并减慢全球融合。当前专为数据异质性设计的SOTA FL方法通常会施加正则化以限制非IID数据的影响，并且是状态算法，即它们随着时间的推移维持局部统计数据。尽管有效，但这些方法只能用于FL的特殊情况，仅涉及少数可靠的客户。对于fl的更典型应用，客户端数量很大（例如，边缘设备和移动应用程序），这些方法无法应用，激发了对任何可用于任何数量客户端使用的无状态方法的无状态方法的需求。我们得出了一阶梯度正则化，以惩罚由于本地数据异质性而导致的本地更新不一致。具体而言，为了减轻权重差异，我们将全局数据分布的一阶近似引入本地目标，该目标凭直觉地惩罚了与全局更新相反方向的更新。最终结果是一种无状态的FL算法，可实现1）在非IID数据分布下，比SOTA方法明显更快地收敛（即较少的通信回合）和2）总体融合性能更高。重要的是，我们的方法不会对客户大小施加不切实际的限制，从而可以从大多数FL应用程序中向大量客户学习。

联合学习（FL）是数据是私人且敏感时的有前途的分布式学习框架。但是，当数据是异质且非独立且相同分布的（非IID）时，此框架中最新的解决方案并不是最佳的。我们提出了一种实用且强大的佛罗里达州个性化方法，该方法通过平衡探索和利用几种全球模型来适应异质和非IID数据。为了实现我们的个性化目标，我们使用了专家（MOE）的混合，这些专家（MOE）学会了分组彼此相似的客户，同时更有效地使用全球模型。我们表明，与病理非IID环境中的本地模型相比，我们的方法的准确性高达29.78％，高达4.38％，即使我们在IID环境中调整了方法。

可扩展性和隐私是交叉设备联合学习（FL）系统的两个关键问题。在这项工作中，我们确定了FL中的客户端更新的同步流动聚合不能高效地缩放到几百个并行培训之外。它导致ModelPerforce和训练速度的回报递减，Ampanysto大批量培训。另一方面，FL（即异步FL）中的客户端更新的异步聚合减轻了可扩展性问题。但是，聚合个性链子更新与安全聚合不兼容，这可能导致系统的不良隐私水平。为了解决这些问题，我们提出了一种新颖的缓冲异步聚合方法FedBuff，这是不可知的优化器的选择，并结合了同步和异步FL的最佳特性。我们经验证明FEDBuff比同步FL更有效，比异步FL效率更高3.3倍，同时兼容保留保护技术，如安全聚合和差异隐私。我们在平滑的非凸设置中提供理论融合保证。最后，我们显示在差异私有培训下，FedBuff可以在低隐私设置下占FEDAVGM并实现更高隐私设置的相同实用程序。