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。

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

随着对用户数据隐私的越来越关注，联合学习（FL）已被开发为在边缘设备上训练机器学习模型的独特培训范式，而无需访问敏感数据。传统的FL和现有方法直接在云服务器的同一型号和培训设备的所有边缘上采用聚合方法。尽管这些方法保护了数据隐私，但它们不能具有模型异质性，甚至忽略了异质的计算能力，也可以忽略陡峭的沟通成本。在本文中，我们目的是将资源感知的FL汇总为从边缘模型中提取的本地知识的集合，而不是汇总每个本地模型的权重，然后将其蒸馏成一个强大的全局知识，作为服务器模型通过知识蒸馏。通过深入的相互学习，将本地模型和全球知识提取到很小的知识网络中。这种知识提取使Edge客户端可以部署资源感知模型并执行多模型知识融合，同时保持沟通效率和模型异质性。经验结果表明，在异质数据和模型中的通信成本和概括性能方面，我们的方法比现有的FL算法有了显着改善。我们的方法将VGG-11的沟通成本降低了102美元$ \ times $和Resnet-32，当培训Resnet-20作为知识网络时，最多可达30美元$ \ times $。

将知识蒸馏应用于个性化的跨筒仓联合学习，可以很好地减轻用户异质性的问题。然而，这种方法需要一个代理数据集，这很难在现实世界中获得。此外，基于参数平均的全球模型将导致用户隐私的泄漏。我们介绍了一个分布式的三位玩家GaN来实现客户之间的DataFree共蒸馏。该技术减轻了用户异质性问题，更好地保护用户隐私。我们证实，GaN产生的方法可以使联合蒸馏更有效和稳健，并且在获得全球知识的基础上，共蒸馏可以为各个客户达到良好的性能。我们对基准数据集的广泛实验证明了与最先进的方法的卓越的泛化性能。

联合学习（FL）是一个有希望的策略，用于使用客户端（即边缘设备）的网络进行隐私保留，分布式学习。然而，客户之间的数据分布通常是非IID的，使得有效优化困难。为了缓解这个问题，许多流行算法专注于通过引入各种近似术语，一些产生可观的计算和/或内存开销来减轻客户端跨客户端的影响，以限制关于全局模型的本地更新。相反，我们考虑重新思考的解决方案，以重点关注局部学习一般性而不是近端限制。为此，我们首先提出了一项系统的研究，通过二阶指标通知，更好地了解FL中的算法效果。有趣的是，我们发现标准的正则化方法令人惊讶的是减轻数据异质性效应的强烈表现者。根据我们的调查结果，我们进一步提出了一种简单有效的方法，努力克服数据异质性和先前方法的陷阱。 FedAlign在各种设置中使用最先进的FL方法实现了竞争准确性，同时最大限度地减少计算和内存开销。代码将公开。

Federated Learning (FL) enables the training of Deep Learning models without centrally collecting possibly sensitive raw data. This paves the way for stronger privacy guarantees when building predictive models. The most used algorithms for FL are parameter-averaging based schemes (e.g., Federated Averaging) that, however, have well known limits: (i) Clients must implement the same model architecture; (ii) Transmitting model weights and model updates implies high communication cost, which scales up with the number of model parameters; (iii) In presence of non-IID data distributions, parameter-averaging aggregation schemes perform poorly due to client model drifts. Federated adaptations of regular Knowledge Distillation (KD) can solve and/or mitigate the weaknesses of parameter-averaging FL algorithms while possibly introducing other trade-offs. In this article, we provide a review of KD-based algorithms tailored for specific FL issues.

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。

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。

In federated learning, a strong global model is collaboratively learned by aggregating clients' locally trained models. Although this precludes the need to access clients' data directly, the global model's convergence often suffers from data heterogeneity. This study starts from an analogy to continual learning and suggests that forgetting could be the bottleneck of federated learning. We observe that the global model forgets the knowledge from previous rounds, and the local training induces forgetting the knowledge outside of the local distribution. Based on our findings, we hypothesize that tackling down forgetting will relieve the data heterogeneity problem. To this end, we propose a novel and effective algorithm, Federated Not-True Distillation (FedNTD), which preserves the global perspective on locally available data only for the not-true classes. In the experiments, FedNTD shows state-of-the-art performance on various setups without compromising data privacy or incurring additional communication costs.

The growing interest in intelligent services and privacy protection for mobile devices has given rise to the widespread application of federated learning in Multi-access Edge Computing (MEC). Diverse user behaviors call for personalized services with heterogeneous Machine Learning (ML) models on different devices. Federated Multi-task Learning (FMTL) is proposed to train related but personalized ML models for different devices, whereas previous works suffer from excessive communication overhead during training and neglect the model heterogeneity among devices in MEC. Introducing knowledge distillation into FMTL can simultaneously enable efficient communication and model heterogeneity among clients, whereas existing methods rely on a public dataset, which is impractical in reality. To tackle this dilemma, Federated MultI-task Distillation for Multi-access Edge CompuTing (FedICT) is proposed. FedICT direct local-global knowledge aloof during bi-directional distillation processes between clients and the server, aiming to enable multi-task clients while alleviating client drift derived from divergent optimization directions of client-side local models. Specifically, FedICT includes Federated Prior Knowledge Distillation (FPKD) and Local Knowledge Adjustment (LKA). FPKD is proposed to reinforce the clients' fitting of local data by introducing prior knowledge of local data distributions. Moreover, LKA is proposed to correct the distillation loss of the server, making the transferred local knowledge better match the generalized representation. Experiments on three datasets show that FedICT significantly outperforms all compared benchmarks in various data heterogeneous and model architecture settings, achieving improved accuracy with less than 1.2% training communication overhead compared with FedAvg and no more than 75% training communication round compared with FedGKT.

本文介绍了无监督的联合学习框架FEDX。我们的模型从分散和异质的局部数据中学习无偏的表示。它采用对比度学习作为核心组件的双面知识蒸馏，使联合系统可以在不要求客户共享任何数据功能的情况下运行。此外，它的适应性体系结构可以用作联合设置中现有无监督算法的附加模块。实验表明，我们的模型可显着提高五种无监督算法的性能（1.58--5.52pp）。

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。

近年来，个性化联邦学习（PFL）引起了越来越关注其在客户之间处理统计异质性的潜力。然而，最先进的PFL方法依赖于服务器端的模型参数聚合，这需要所有模型具有相同的结构和大小，因此限制了应用程序以实现更多异构场景。要处理此类模型限制，我们利用异构模型设置的潜力，并提出了一种新颖的培训框架，为不同客户使用个性化模型。具体而言，我们将原始PFL中的聚合过程分为个性化组知识转移训练算法，即KT-PFL，这使得每个客户端能够在服务器端维护个性化软预测以指导其他人的本地培训。 KT-PFL通过使用知识系数矩阵的所有本地软预测的线性组合更新每个客户端的个性化软预测，这可以自适应地加强拥有类似数据分布的客户端之间的协作。此外，为了量化每个客户对他人的个性化培训的贡献，知识系数矩阵是参数化的，以便可以与模型同时培训。知识系数矩阵和模型参数在每轮梯度下降方式之后的每一轮中可替代地更新。在不同的设置（异构模型和数据分布）下进行各种数据集（EMNIST，Fashion \ _Mnist，CIFAR-10）的广泛实验。据证明，所提出的框架是第一个通过参数化群体知识转移实现个性化模型培训的联邦学习范例，同时实现与最先进的算法比较的显着性能增益。

在现实世界应用中，联合学习（FL）遇到了两个挑战：（1）可伸缩性，尤其是应用于大型物联网网络时； （2）如何使用异质数据对环境进行健全。意识到第一个问题，我们旨在设计一个名为Full-Stack FL（F2L）的新型FL框架。更具体地说，F2L使用层次结构架构，使扩展FL网络可以访问而无需重建整个网络系统。此外，利用层次网络设计的优势，我们在全球服务器上提出了一种新的标签驱动知识蒸馏（LKD）技术来解决第二个问题。与当前的知识蒸馏技术相反，LKD能够训练学生模型，该模型由所有教师模型的良好知识组成。因此，我们提出的算法可以有效地提取区域数据分布（即区域汇总模型）的知识，以减少客户在使用非独立分布数据的FL系统下操作时客户模型之间的差异。广泛的实验结果表明：（i）我们的F2L方法可以显着提高所有全球蒸馏的总体FL效率，并且（ii）F2L随着全球蒸馏阶段的发生而迅速达到收敛性，而不是在每个通信周期中提高。

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.

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。

The heterogeneity of hardware and data is a well-known and studied problem in the community of Federated Learning (FL) as running under heterogeneous settings. Recently, custom-size client models trained with Knowledge Distillation (KD) has emerged as a viable strategy for tackling the heterogeneity challenge. However, previous efforts in this direction are aimed at client model tuning rather than their impact onto the knowledge aggregation of the global model. Despite performance of global models being the primary objective of FL systems, under heterogeneous settings client models have received more attention. Here, we provide more insights into how the chosen approach for training custom client models has an impact on the global model, which is essential for any FL application. We show the global model can fully leverage the strength of KD with heterogeneous data. Driven by empirical observations, we further propose a new approach that combines KD and Learning without Forgetting (LwoF) to produce improved personalised models. We bring heterogeneous FL on pair with the mighty FedAvg of homogeneous FL, in realistic deployment scenarios with dropping clients.

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％。

一滴联合学习（FL）最近被出现为有希望的方法，允许中央服务器在单个通信中学习模型。尽管通信成本低，但现有的一次性的单次方法大多是不切实际或面临的固有限制，例如，需要公共数据集，客户的型号是同质的，需要上传其他数据/型号信息。为了克服这些问题，我们提出了一种更实用的无数据方法，名为FEDSYN的一枪框架，具有异质性。我们的Fedsyn通过数据生成阶段和模型蒸馏阶段列出全球模型。据我们所知，FEDSYN是由于以下优点，FEDSYN可以实际应用于各种实际应用程序的方法：（1）FEDSYN不需要在客户端之间传输的其他信息（模型参数除外）服务器; （2）FEDSYN不需要任何用于培训的辅助数据集; （3）FEDSYN是第一个考虑FL中的模型和统计异质性，即客户的数据是非IID，不同的客户端可能具有不同的模型架构。关于各种现实世界数据集的实验表明了我们的Fedsyn的优越性。例如，当数据是非IID时，FEDSYN在CIFAR10数据集中优于CEFAR10数据集的最佳基线方法FED-ADI的最佳基准方法。

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） 。