联合学习（FL）可以培训全球模型，而无需共享存储在多个设备上的分散的原始数据以保护数据隐私。由于设备的能力多样化，FL框架难以解决Straggler效应和过时模型的问题。此外，数据异质性在FL训练过程中会导致全球模型的严重准确性降解。为了解决上述问题，我们提出了一个层次同步FL框架，即Fedhisyn。 Fedhisyn首先根据其计算能力将所有可​​用的设备簇分为少数类别。经过一定的本地培训间隔后，将不同类别培训的模型同时上传到中央服务器。在单个类别中，设备根据环形拓扑会相互传达局部更新的模型权重。随着环形拓扑中训练的效率更喜欢具有均匀资源的设备，基于计算能力的分类减轻了Straggler效应的影响。此外，多个类别的同步更新与单个类别中的设备通信的组合有助于解决数据异质性问题，同时达到高精度。我们评估了基于MNIST，EMNIST，CIFAR10和CIFAR100数据集的提议框架以及设备的不同异质设置。实验结果表明，在训练准确性和效率方面，Fedhisyn的表现优于六种基线方法，例如FedAvg，脚手架和Fedat。

Federated Learning (FL) has become a key choice for distributed machine learning. Initially focused on centralized aggregation, recent works in FL have emphasized greater decentralization to adapt to the highly heterogeneous network edge. Among these, Hierarchical, Device-to-Device and Gossip Federated Learning (HFL, D2DFL \& GFL respectively) can be considered as foundational FL algorithms employing fundamental aggregation strategies. A number of FL algorithms were subsequently proposed employing multiple fundamental aggregation schemes jointly. Existing research, however, subjects the FL algorithms to varied conditions and gauges the performance of these algorithms mainly against Federated Averaging (FedAvg) only. This work consolidates the FL landscape and offers an objective analysis of the major FL algorithms through a comprehensive cross-evaluation for a wide range of operating conditions. In addition to the three foundational FL algorithms, this work also analyzes six derived algorithms. To enable a uniform assessment, a multi-FL framework named FLAGS: Federated Learning AlGorithms Simulation has been developed for rapid configuration of multiple FL algorithms. Our experiments indicate that fully decentralized FL algorithms achieve comparable accuracy under multiple operating conditions, including asynchronous aggregation and the presence of stragglers. Furthermore, decentralized FL can also operate in noisy environments and with a comparably higher local update rate. However, the impact of extremely skewed data distributions on decentralized FL is much more adverse than on centralized variants. The results indicate that it may not be necessary to restrict the devices to a single FL algorithm; rather, multi-FL nodes may operate with greater efficiency.

The space-air-ground integrated network (SAGIN), one of the key technologies for next-generation mobile communication systems, can facilitate data transmission for users all over the world, especially in some remote areas where vast amounts of informative data are collected by Internet of remote things (IoRT) devices to support various data-driven artificial intelligence (AI) services. However, training AI models centrally with the assistance of SAGIN faces the challenges of highly constrained network topology, inefficient data transmission, and privacy issues. To tackle these challenges, we first propose a novel topology-aware federated learning framework for the SAGIN, namely Olive Branch Learning (OBL). Specifically, the IoRT devices in the ground layer leverage their private data to perform model training locally, while the air nodes in the air layer and the ring-structured low earth orbit (LEO) satellite constellation in the space layer are in charge of model aggregation (synchronization) at different scales.To further enhance communication efficiency and inference performance of OBL, an efficient Communication and Non-IID-aware Air node-Satellite Assignment (CNASA) algorithm is designed by taking the data class distribution of the air nodes as well as their geographic locations into account. Furthermore, we extend our OBL framework and CNASA algorithm to adapt to more complex multi-orbit satellite networks. We analyze the convergence of our OBL framework and conclude that the CNASA algorithm contributes to the fast convergence of the global model. Extensive experiments based on realistic datasets corroborate the superior performance of our algorithm over the benchmark policies.

我们提出了一种用于分布式培训神经网络模型的新型联合学习方法，其中服务器在每轮中随机选择的设备的子集之间编制协作。我们主要从通信角度查看联合学习问题，并允许更多设备级别计算来节省传输成本。我们指出了一个基本的困境，因为当地 - 设备水平的最低实证损失与全球经验损失的最小值不一致。与最近的事先有关的不同，尝试无所作用的最小化或利用用于并行化梯度计算的设备，我们为每轮的每个设备提出动态规范器，以便在极限中，全局和设备解决方案对齐。我们通过实证结果对真实的和合成数据以及我们的方案在凸和非凸面设置中导致有效培训的分析结果，同时对设备异质性完全不可知，以及大量设备，部分参与和不平衡的数据。

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.

跨不同边缘设备（客户）局部数据的分布不均匀，导致模型训练缓慢，并降低了联合学习的准确性。幼稚的联合学习（FL）策略和大多数替代解决方案试图通过加权跨客户的深度学习模型来实现更多公平。这项工作介绍了在现实世界数据集中遇到的一种新颖的非IID类型，即集群键，其中客户组具有具有相似分布的本地数据，从而导致全局模型收敛到过度拟合的解决方案。为了处理非IID数据，尤其是群集串数据的数据，我们提出了FedDrl，这是一种新型的FL模型，它采用了深厚的强化学习来适应每个客户的影响因素（将用作聚合过程中的权重）。在一组联合数据集上进行了广泛的实验证实，拟议的FEDDR可以根据CIFAR-100数据集的平均平均为FedAvg和FedProx方法提高了有利的改进，例如，高达4.05％和2.17％。

联合学习（FL）支持地理分布式设备的培训模型。然而，传统的FL系统采用集中式同步策略，提高了高通信压力和模型泛化挑战。 FL的现有优化未能加速异构设备的培训或遭受差的通信效率。在本文中，我们提出了一个支持在异构设备上分散的异步训练的框架的Hadfl。使用本地数据的异质性感知本地步骤本地培训设备。在每个聚合循环中，基于执行模型同步和聚合的概率来选择它们。与传统的FL系统相比，HADFL可以减轻中心服务器的通信压力，有效地利用异构计算能力，并且可以分别实现比Pytorch分布式训练方案分别的最大加速度为3.15倍，而不是Pytorch分布式训练方案，几乎没有损失收敛准确性。

我们为通过异质网络提供了一种新颖的培训配方，用于联合学习，每个设备都可以具有不同的体系结构。我们介绍了培训，并以较高复杂性的设备为附带目标，以在联合环境中共同培训不同的体系结构。我们从经验上表明，与最先进的方法相比，我们的方法改善了不同架构的性能，并导致沟通节省高。

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。

联合学习（FL）是一个分布式的机器学习框架，可以减轻数据孤岛，在该筒仓中，分散的客户在不共享其私人数据的情况下协作学习全球模型。但是，客户的非独立且相同分布的（非IID）数据对训练有素的模型产生了负面影响，并且具有不同本地更新的客户可能会在每个通信回合中对本地梯度造成巨大差距。在本文中，我们提出了一种联合矢量平均（FedVeca）方法来解决上述非IID数据问题。具体而言，我们为与本地梯度相关的全球模型设定了一个新的目标。局部梯度定义为具有步长和方向的双向向量，其中步长为局部更新的数量，并且根据我们的定义将方向分为正和负。在FedVeca中，方向受步尺的影响，因此我们平均双向向量，以降低不同步骤尺寸的效果。然后，我们理论上分析了步骤大小与全球目标之间的关系，并在每个通信循环的步骤大小上获得上限。基于上限，我们为服务器和客户端设计了一种算法，以自适应调整使目标接近最佳的步骤大小。最后，我们通过构建原型系统对不同数据集，模型和场景进行实验，实验结果证明了FedVeca方法的有效性和效率。

Federated learning (FL) is a method to train model with distributed data from numerous participants such as IoT devices. It inherently assumes a uniform capacity among participants. However, participants have diverse computational resources in practice due to different conditions such as different energy budgets or executing parallel unrelated tasks. It is necessary to reduce the computation overhead for participants with inefficient computational resources, otherwise they would be unable to finish the full training process. To address the computation heterogeneity, in this paper we propose a strategy for estimating local models without computationally intensive iterations. Based on it, we propose Computationally Customized Federated Learning (CCFL), which allows each participant to determine whether to perform conventional local training or model estimation in each round based on its current computational resources. Both theoretical analysis and exhaustive experiments indicate that CCFL has the same convergence rate as FedAvg without resource constraints. Furthermore, CCFL can be viewed of a computation-efficient extension of FedAvg that retains model performance while considerably reducing computation overhead.

Federated Learning (FL) is a collaborative machine learning (ML) framework that combines on-device training and server-based aggregation to train a common ML model among distributed agents. In this work, we propose an asynchronous FL design with periodic aggregation to tackle the straggler issue in FL systems. Considering limited wireless communication resources, we investigate the effect of different scheduling policies and aggregation designs on the convergence performance. Driven by the importance of reducing the bias and variance of the aggregated model updates, we propose a scheduling policy that jointly considers the channel quality and training data representation of user devices. The effectiveness of our channel-aware data-importance-based scheduling policy, compared with state-of-the-art methods proposed for synchronous FL, is validated through simulations. Moreover, we show that an "age-aware" aggregation weighting design can significantly improve the learning performance in an asynchronous FL setting.

作为一个有前途的分布式机器学习范式，联合学习（FL）在不影响用户隐私的情况下培训具有分散数据的中央模型，这使得其被人工智能互联网（AIT）应用程序广泛使用。然而，传统的流体遭受了模型不准确，因为它会使用数据硬标签培训本地模型，并忽略与小概率不正确的预测的有用信息。虽然各种解决方案尽量解决传统流域的瓶颈，但大多数人都引入了显着的通信和记忆开销，使大规模的AIOT设备部署成为一个巨大的挑战。为了解决上述问题，本文提出了一种基于蒸馏的新型联合学习（DFL）架构，可实现AIT应用的高效准确。灵感来自知识蒸馏（KD），可以提高模型准确性，我们的方法将KD使用的软目标添加到FL模型培训，占用可忽略不计的网络资源。在每轮本地训练之后，通过每种充气设备的局部样品预测生成软目标，并用于下一轮模型训练。在DFL的本地培训期间，软目标和硬质标签都被用作模型预测的近似目标，以通过补充软目标的知识来提高模型准确性。为了进一步提高DFL模型的性能，我们设计了一种动态调整策略，用于调整KD中使用的两个损耗功能的比率，这可以最大限度地利用软目标和硬质标签。众所周知的基准测试的全面实验结果表明，我们的方法可以显着提高独立和相同分布（IID）和非IID数据的FL的模型精度。

联合学习（FL）可以使用学习者使用本地数据进行分布式培训，从而增强隐私和减少沟通。但是，它呈现出与数据分布，设备功能和参与者可用性的异质性有关的众多挑战，作为部署量表，这可能会影响模型融合和偏置。现有的FL方案使用随机参与者选择来提高公平性;然而，这可能导致资源低效和更低的质量培训。在这项工作中，我们系统地解决了FL中的资源效率问题，展示了智能参与者选择的好处，并将更新从争吵的参与者纳入。我们展示了这些因素如何实现资源效率，同时还提高了训练有素的模型质量。

联邦边缘学习（诱导）吸引了许多隐私范例的关注，以有效地纳入网络边缘的分布式数据来训练深度学习模型。然而，单个边缘服务器的有限覆盖范围导致参与者的客户节点数量不足，这可能会损害学习性能。在本文中，我们调查了一种新颖的感觉框架，即半分散的联邦边缘学习（SD-INES），其中采用多个边缘服务器集体协调大量客户端节点。通过利用边缘服务器之间的低延迟通信进行高效的模型共享，SD-Feels可以包含更多的培训数据，同时与传统联合学习相比享受更低的延迟。我们详细介绍了三个主要步骤的SD感觉的培训算法，包括本地模型更新，群集内部和群集间模型聚合。在非独立和相同分布的（非IID）数据上证明了该算法的收敛性，这也有助于揭示关键参数对培训效率的影响，并提供实用的设计指南。同时，边缘装置的异质性可能导致级体效应并降低SD感应的收敛速度。为了解决这个问题，我们提出了一种具有SD-Iave的稳定性舒长方案的异步训练算法，其中，还分析了收敛性能。模拟结果展示了所提出的SD感觉和证实我们分析的算法的有效性和效率。

联合学习允许多个参与者在不公开数据隐私的情况下协作培训高效模型。但是，这种分布式的机器学习培训方法容易受到拜占庭客户的攻击，拜占庭客户通过修改模型或上传假梯度来干扰全球模型的训练。在本文中，我们提出了一种基于联邦学习（CMFL）的新型无服务器联合学习框架委员会机制，该机制可以确保算法具有融合保证的鲁棒性。在CMFL中，设立了一个委员会系统，以筛选上载已上传的本地梯度。 The committee system selects the local gradients rated by the elected members for the aggregation procedure through the selection strategy, and replaces the committee member through the election strategy.基于模型性能和防御的不同考虑，设计了两种相反的选择策略是为了精确和鲁棒性。广泛的实验表明，与典型的联邦学习相比，与传统的稳健性相比，CMFL的融合和更高的准确性比传统的稳健性，以分散的方法的方式获得了传统的耐受性算法。此外，我们理论上分析并证明了在不同的选举和选择策略下CMFL的收敛性，这与实验结果一致。

机器学习模型已在移动网络中部署，以处理来自不同层的数据，以实现自动化网络管理和设备的智能。为了克服集中式机器学习的高度沟通成本和严重的隐私问题，已提出联合学习（FL）来实现网络设备之间的分布式机器学习。虽然在FL中广泛研究了计算和通信限制，但仍未探索设备存储对FL性能的影响。如果没有有效有效的数据选择政策来过滤设备上的大量流媒体数据，经典FL可能会遭受更长的模型训练时间（超过$ 4 \ times $）和显着的推理准确性（超过$ 7 \％\％$），则遭受了损失，观察到了。在我们的实验中。在这项工作中，我们迈出了第一步，考虑使用有限的在设备存储的FL的在线数据选择。我们首先定义了一个新的数据评估度量，以在FL中进行数据选择：在设备数据样本上，局部梯度在所有设备的数据上投影到全球梯度上。我们进一步设计\ textbf {ode}，一个\ textbf {o} nline \ textbf {d} ata s \ textbf {e textbf {e} fl for f for fl f textbf {o}的框架，用于协作网络设备，以协作存储有价值的数据示例，并保证用于快速的理论保证同时提高模型收敛并增强最终模型精度。一项工业任务（移动网络流量分类）和三个公共任务（综合任务，图像分类，人类活动识别）的实验结果显示了ODE的显着优势，而不是最先进的方法。特别是，在工业数据集上，ODE的成就高达$ 2.5 \ times $ $加速的培训时间和6美元的最终推理准确性增加，并且在实践环境中对各种因素都有强大的态度。

作为一种有希望的隐私机器学习方法，联合学习（FL）可以使客户跨客户培训，而不会损害其机密的本地数据。但是，现有的FL方法遇到了不均分布数据的推理性能低的问题，因为它们中的大多数依赖于联合平均（FIDAVG）基于联合的聚合。通过以粗略的方式平均模型参数，FedAvg将局部模型的个体特征黯然失色，这极大地限制了FL的推理能力。更糟糕的是，在每一轮FL培训中，FedAvg向客户端向客户派遣了相同的初始本地模型，这很容易导致对最佳全局模型的局限性搜索。为了解决上述问题，本文提出了一种新颖有效的FL范式，名为FEDMR（联合模型重组）。与传统的基于FedAvg的方法不同，FEDMR的云服务器将收集到的本地型号的每一层层混合，并重组它们以实现新的模型，以供客户端培训。由于在每场FL比赛中进行了细粒度的模型重组和本地培训，FEDMR可以迅速为所有客户找出一个全球最佳模型。全面的实验结果表明，与最先进的FL方法相比，FEDMR可以显着提高推理准确性而不会引起额外的通信开销。

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（FL）是一种新兴技术，用于协作训练全球机器学习模型，同时将数据局限于用户设备。FL实施实施的主要障碍是用户之间的非独立且相同的（非IID）数据分布，这会减慢收敛性和降低性能。为了解决这个基本问题，我们提出了一种方法（comfed），以增强客户端和服务器侧的整个培训过程。舒适的关键思想是同时利用客户端变量减少技术来促进服务器聚合和全局自适应更新技术以加速学习。我们在CIFAR-10分类任务上的实验表明，Comfed可以改善专用于非IID数据的最新算法。