論文の概要: Why Batch Normalization Damage Federated Learning on Non-IID Data?

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2301.02982v2
• Date: Tue, 15 Aug 2023 15:52:47 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-08-16 17:28:52.718966
• Title: Why Batch Normalization Damage Federated Learning on Non-IID Data?
• Title（参考訳）: 非IIDデータを用いたバッチ正規化損傷フェデレーション学習
• Authors: Yanmeng Wang, Qingjiang Shi, Tsung-Hui Chang
• Abstract要約: フェデレートラーニング(FL)では、エッジクライアントのプライバシを保護しながら、ネットワークエッジでディープニューラルネットワーク(DNN)モデルをトレーニングする。 バッチ正規化(BN)は、訓練を加速し、能力一般化を改善するためのシンプルで効果的な手段とみなされてきた。 最近の研究では、BNは非i.d.データの存在下でFLの性能を著しく損なうことが示されている。 非i.d.データの下で、BNの局所的および大域的統計パラメータ間のミスマッチが局所的および大域的モデル間の勾配ずれを引き起こすことを示す最初の収束解析を提示する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 34.06900591666005
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: As a promising distributed learning paradigm, federated learning (FL) involves training deep neural network (DNN) models at the network edge while protecting the privacy of the edge clients. To train a large-scale DNN model, batch normalization (BN) has been regarded as a simple and effective means to accelerate the training and improve the generalization capability. However, recent findings indicate that BN can significantly impair the performance of FL in the presence of non-i.i.d. data. While several FL algorithms have been proposed to address this issue, their performance still falls significantly when compared to the centralized scheme. Furthermore, none of them have provided a theoretical explanation of how the BN damages the FL convergence. In this paper, we present the first convergence analysis to show that under the non-i.i.d. data, the mismatch between the local and global statistical parameters in BN causes the gradient deviation between the local and global models, which, as a result, slows down and biases the FL convergence. In view of this, we develop a new FL algorithm that is tailored to BN, called FedTAN, which is capable of achieving robust FL performance under a variety of data distributions via iterative layer-wise parameter aggregation. Comprehensive experimental results demonstrate the superiority of the proposed FedTAN over existing baselines for training BN-based DNN models.
• Abstract（参考訳）: 有望な分散学習パラダイムとして、フェデレーション学習(FL)では、エッジクライアントのプライバシを保護するとともに、ネットワークエッジでディープニューラルネットワーク(DNN)モデルをトレーニングする。 大規模DNNモデルを訓練するために,バッチ正規化(BN)は訓練を加速し,一般化能力を向上させるためのシンプルかつ効果的な手段であると考えられてきた。 しかし、最近の研究では、BNは非i.d.データの存在下でFLの性能を著しく損なうことが示されている。 この問題に対処するためにいくつかのFLアルゴリズムが提案されているが、中央集権方式と比較しても性能は著しく低下している。 さらに、どちらもBNがFL収束をいかに損なうかを理論的に説明していない。 本稿では,非二項データの下で,BNの局所的パラメータと大域的パラメータのミスマッチが局所的モデルと大域的モデルとの勾配ずれを引き起こし,結果としてFL収束が遅くなり,偏りが生じることを示す最初の収束解析を提案する。 そこで我々は,複数のデータ分布において,反復層ワイドパラメータアグリゲーションを用いて,堅牢なFL性能を実現することができるFedTANというBNに適合した新しいFLアルゴリズムを開発した。 BNベースDNNモデルのトレーニングにおいて,既存のベースラインよりもFedTANの方が優れていることを示す。

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