Federated learning allows edge devices to collaboratively learn a shared model while keeping the training data on device, decoupling the ability to do model training from the need to store the data in the cloud. We propose the Federated matched averaging (FedMA) algorithm designed for federated learning of modern neural network architectures e.g. convolutional neural networks (CNNs) and LSTMs. FedMA constructs the shared global model in a layer-wise manner by matching and averaging hidden elements (i.e. channels for convolution layers; hidden states for LSTM; neurons for fully connected layers) with similar feature extraction signatures. Our experiments indicate that FedMA not only outperforms popular state-of-the-art federated learning algorithms on deep CNN and LSTM architectures trained on real world datasets, but also reduces the overall communication burden. 1 * Work performed while doing an internship at IBM Research.

In federated learning problems, data is scattered across different servers and exchanging or pooling it is often impractical or prohibited. We develop a Bayesian nonparametric framework for federated learning with neural networks. Each data server is assumed to provide local neural network weights, which are modeled through our framework. We then develop an inference approach that allows us to synthesize a more expressive global network without additional supervision, data pooling and with as few as a single communication round. We then demonstrate the efficacy of our approach on federated learning problems simulated from two popular image classification datasets. 1

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。

当客户具有不同的数据分布时，最新的联合学习方法的性能比其集中式同行差得多。对于神经网络，即使集中式SGD可以轻松找到同时执行所有客户端的解决方案，当前联合优化方法也无法收敛到可比的解决方案。我们表明，这种性能差异很大程度上可以归因于非概念性提出的优化挑战。具体来说，我们发现网络的早期层确实学习了有用的功能，但是最后一层无法使用它们。也就是说，适用于此非凸问题的联合优化扭曲了最终层的学习。利用这一观察结果，我们提出了一个火车征征训练（TCT）程序来避开此问题：首先，使用现成方法（例如FedAvg）学习功能；然后，优化从网络的经验神经切线核近似获得的共透性问题。当客户具有不同的数据时，我们的技术可在FMNIST上的准确性提高高达36％，而CIFAR10的准确性提高了 +37％。

联合学习是一种在不违反隐私限制的情况下对分布式数据集进行统计模型培训统计模型的最新方法。通过共享模型而不是客户和服务器之间的数据来保留数据位置原则。这带来了许多优势，但也带来了新的挑战。在本报告中，我们探讨了这个新的研究领域，并执行了几项实验，以加深我们对这些挑战的理解以及不同的问题设置如何影响最终模型的性能。最后，我们为这些挑战之一提供了一种新颖的方法，并将其与文献中的其他方法进行了比较。

Modern mobile devices have access to a wealth of data suitable for learning models, which in turn can greatly improve the user experience on the device. For example, language models can improve speech recognition and text entry, and image models can automatically select good photos. However, this rich data is often privacy sensitive, large in quantity, or both, which may preclude logging to the data center and training there using conventional approaches. We advocate an alternative that leaves the training data distributed on the mobile devices, and learns a shared model by aggregating locally-computed updates. We term this decentralized approach Federated Learning.We present a practical method for the federated learning of deep networks based on iterative model averaging, and conduct an extensive empirical evaluation, considering five different model architectures and four datasets. These experiments demonstrate the approach is robust to the unbalanced and non-IID data distributions that are a defining characteristic of this setting. Communication costs are the principal constraint, and we show a reduction in required communication rounds by 10-100× as compared to synchronized stochastic gradient descent.

联合学习通过与大量参与者启用学习统计模型的同时将其数据保留在本地客户中，从而提供了沟通效率和隐私的培训过程。但是，将平均损失函数天真地最小化的标准联合学习技术容易受到来自异常值，系统错误标签甚至对手的数据损坏。此外，由于对用户数据隐私的关注，服务提供商通常会禁止使用数据样本的质量。在本文中，我们通过提出自动加权的强大联合学习（ARFL）来应对这一挑战，这是一种新颖的方法，可以共同学习全球模型和本地更新的权重，以提供针对损坏的数据源的鲁棒性。我们证明了关于预测因素和客户权重的预期风险的学习，这指导着强大的联合学习目标的定义。通过将客户的经验损失与最佳P客户的平均损失进行比较，可以分配权重，因此我们可以减少损失较高的客户，从而降低对全球模型的贡献。我们表明，当损坏的客户的数据与良性不同时，这种方法可以实现鲁棒性。为了优化目标函数，我们根据基于块最小化范式提出了一种通信效率算法。我们考虑了不同的深层神经网络模型，在包括CIFAR-10，女权主义者和莎士比亚在内的多个基准数据集上进行实验。结果表明，我们的解决方案在不同的情况下具有鲁棒性，包括标签改组，标签翻转和嘈杂的功能，并且在大多数情况下都优于最先进的方法。

Federated Learning有望在不访问数据的情况下与多个客户进行协作培训模型的能力，但是当客户的数据分布彼此差异时脆弱。这种差异进一步导致了困境：“我们是否应该优先考虑学习模型的通用性能（用于服务器的将来使用）或其个性化绩效（对于每个客户端）？”这两个看似竞争的目标使社区分裂了专注于一个或另一个，但在本文中，我们表明可以同时实现这两者。具体而言，我们提出了一个新颖的联邦学习框架，该框架将模型的双重职责与两个预测任务相结合。一方面，我们介绍了一个损失家族，这些损失家庭对非相同的班级分布，使客户能够培训一个通用的预测指标，并以一致的目标培训。另一方面，我们将个性化预测变量作为一种轻巧的自适应模块，以最大程度地减少每个客户在通用预测指标上的经验风险。借助我们将联合强大的脱钩（FED-ROD）命名的两个损失的两次挑战框架，学识渊博的模型可以同时实现最先进的通用和个性化的性能，从而实质上弥补了这两个任务。

最近联合学习（FL）范式的潜在假设是本地模型通常与全局模型共享与全局模型相同的网络架构，这对于具有不同的硬件和基础架构的移动和IOT设备变得不切实际。可扩展的联合学习框架应该解决配备不同计算和通信功能的异构客户端。为此，本文提出了一种新的联合模型压缩框架，它将异构低级模型分配给客户端，然后将它们聚合到全局全级模型中。我们的解决方案使得能够培训具有不同计算复杂性的异构本地模型，并汇总单个全局模型。此外，FEDHM不仅降低了设备的计算复杂性，而且还通过使用低秩模型来降低通信成本。广泛的实验结果表明，我们提出的\ System在测试顶-1精度（平均精度4.6％的精度增益）方面优于现行修剪的液体方法，在各种异构流域下较小的型号尺寸（平均较小为1.5倍） 。

联合学习是一种分布式的机器学习方法，其中单个服务器和多个客户端在不共享客户端数据集的情况下协作构建机器学习模型。联合学习的一个具有挑战性的问题是数据异质性（即，数据分布在客户端可能有所不同）。为了应对这个问题，众多联合学习方法旨在为客户提供个性化的联合学习，并为客户建立优化的模型。尽管现有研究通过经验评估了自己的方法，但这些研究中的实验环境（例如比较方法，数据集和客户设置）彼此不同，目前尚不清楚哪种个性化的联邦学习方法可以实现最佳性能，以及取得多少进展，可以进行多大进展。通过使用这些方法而不是标准（即非个人化）联合学习来制作。在本文中，我们通过全面的实验基准了现有的个性化联合学习的性能，以评估每种方法的特征。我们的实验研究表明，（1）没有冠军方法，（2）大数据异质性通常会导致高准确的预测，并且（3）具有微调的标准联合学习方法（例如FedAvg）通常超过了个性化的联邦学习方法。我们为研究人员开放基准工具FedBench，以通过各种实验环境进行实验研究。

联合学习（FL）是以隐私性的方式从分散数据培训全球模型的重要范例。现有的FL方法通常假定可以对任何参与客户端进行培训。但是，在实际应用中，客户的设备通常是异质的，并且具有不同的计算能力。尽管像伯特这样的大型模型在AI中取得了巨大的成功，但很难将它们应用于弱客户的异质FL。直接的解决方案（例如删除弱客户端或使用小型模型适合所有客户端）将带来一些问题，例如由于数据丢失或有限的模型表示能力而导致的掉落客户端的代表性不足和劣等精度。在这项工作中，我们提出了一种包含客户的联合学习方法，以解决此问题。包容性FL的核心思想是将不同尺寸的模型分配给具有不同计算功能的客户，为功能强大的客户提供的较大模型以及针对弱客户的较小客户。我们还提出了一种有效的方法，可以在多个具有不同大小的本地模型之间共享知识。这样，所有客户都可以参与FL中的模型学习，最终模型可以足够大。此外，我们提出了一种动量知识蒸馏方法，以更好地转移强大客户的大型模型中的知识，向弱客户的小型模型。在许多实际基准数据集上进行的广泛实验证明了该方法在FL框架下使用异质设备的客户学习准确模型的有效性。

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。

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。

联合学习的一个关键挑战是客户之间的数据异质性和失衡，这导致本地网络与全球模型不稳定的融合之间的不一致。为了减轻局限性，我们提出了一种新颖的建筑正则化技术，该技术通过在几个不同级别上接管本地和全球子网，在每个本地模型中构建多个辅助分支通过在线知识蒸馏。该提出的技术即使在非IID环境中也可以有效地鲁棒化，并且适用于各种联合学习框架，而不会产生额外的沟通成本。与现有方法相比，我们进行了全面的经验研究，并在准确性和效率方面表现出显着的性能提高。源代码可在我们的项目页面上找到。

联合学习的目的是从多个分散设备（即客户）培训全球模型，而无需交换其私人本地数据。关键挑战是处理非i.i.d。 （独立分布的）数据，这些数据可能引起其本地功能的差异。我们介绍了超球联邦学习（球形）框架，以解决非i.i.d。通过限制学习数据点的学习表示，以在客户共享的单位超孔上。具体而言，所有客户都通过最大程度地减少固定分类器的损失来学习其本地表示，其权重跨度跨越了单位。在联合培训改善了全球模型后，通过最大程度地减少平方平方损失，通过封闭形式的解决方案进一步校准了该分类器。我们表明，可以有效地计算校准解决方案，而无需直接访问本地数据。广泛的实验表明，我们的球形方法能够通过相当大的利润率（在具有挑战性的数据集中达到6％）来提高多个现有联合学习算法的准确性，并具有增强的计算和跨数据集和模型架构的通信效率。

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（FL）允许相互不信任的客户可以协作培训通用的机器学习模型，而无需共享其私人/专有培训数据。不幸的是，FL很容易受到恶意客户的中毒，他们旨在通过在FL培训过程中发送恶意模型更新来阻碍常见训练的模型的准确性。我们认为，对现有FL系统的中毒攻击成功的关键因素是客户可用的模型更新空间，使恶意客户可以通过解决优化问题来搜索最有毒的模型更新。为了解决这个问题，我们提出了联合排名学习（FRL）。 FRL将标准FL中的模型参数更新（浮点数连续空间）从模型参数更新（一个连续的空间）缩小到参数排名的空间（整数值的离散空间）。为了能够使用参数等级（而不是参数权重）训练全球模型，FRL利用了最近的SuperMasks培训机制的想法。具体而言，FRL客户端根据其本地培训数据对随机初始化的神经网络（由服务器提供）的参数进行排名。 FRL Server使用投票机制来汇总客户在每个培训时期提交的参数排名，以生成下一个培训时期的全球排名。从直觉上讲，我们基于投票的聚合机制阻止中毒客户对全球模型进行重大的对抗性修改，因为每个客户都会进行一次投票！我们通过分析证明和实验证明了FRL对中毒的鲁棒性。我们还显示了FRL的高沟通效率。我们的实验证明了FRL在现实世界中的优势。

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.

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.

联合学习是一种在网络边缘训练机器学习模型的方法以及数据隐私问题。这种学习范式需要对设备异质性和数据异质性的鲁棒算法。本文提出MODFL作为联合学习框架，将模型分为配置模块和操作模块，从而实现了各个模块的联合学习。这种模块化方法使从一组异质设备以及用户产生的非IID数据中提取知识。该方法可以看作是通过个性化层FEDPER框架来解决数据异质性的范围的联合学习的扩展。我们表明，使用CNN的MODFL优于CIFAR-10和STL-10的非IID数据分区的FEDPER。我们在使用RNN的Hapt，RWHAR和WISDM数据集的时间序列数据上的结果尚无定论，我们认为所选数据集并未突出MODFL的优势，但在最坏的情况下，它和FedPer一样。