論文の概要: Differentially Private Over-the-Air Federated Learning Over MIMO Fading Channels

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2306.10982v2
• Date: Wed, 20 Dec 2023 03:03:25 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-12-22 03:34:21.498705
• Title: Differentially Private Over-the-Air Federated Learning Over MIMO Fading Channels
• Title（参考訳）: MIMOのフェイディングチャンネル上での個人的オーバーエアフェデレーション学習
• Authors: Hang Liu, Jia Yan, and Ying-Jun Angela Zhang
• Abstract要約: フェデレートラーニング(FL)は、エッジデバイスが機械学習モデルを協調的にトレーニングすることを可能にする。 オーバー・ザ・エアのモデルアグリゲーションは通信効率を向上させるが、無線ネットワーク上のエッジサーバにモデルをアップロードすると、プライバシのリスクが生じる可能性がある。 FLモデルとマルチアンテナサーバとの通信がプライバシー漏洩を増幅することを示す。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 24.534729104570417
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Federated learning (FL) enables edge devices to collaboratively train machine learning models, with model communication replacing direct data uploading. While over-the-air model aggregation improves communication efficiency, uploading models to an edge server over wireless networks can pose privacy risks. Differential privacy (DP) is a widely used quantitative technique to measure statistical data privacy in FL. Previous research has focused on over-the-air FL with a single-antenna server, leveraging communication noise to enhance user-level DP. This approach achieves the so-called "free DP" by controlling transmit power rather than introducing additional DP-preserving mechanisms at devices, such as adding artificial noise. In this paper, we study differentially private over-the-air FL over a multiple-input multiple-output (MIMO) fading channel. We show that FL model communication with a multiple-antenna server amplifies privacy leakage as the multiple-antenna server employs separate receive combining for model aggregation and information inference. Consequently, relying solely on communication noise, as done in the multiple-input single-output system, cannot meet high privacy requirements, and a device-side privacy-preserving mechanism is necessary for optimal DP design. We analyze the learning convergence and privacy loss of the studied FL system and propose a transceiver design algorithm based on alternating optimization. Numerical results demonstrate that the proposed method achieves a better privacy-learning trade-off compared to prior work.
• Abstract（参考訳）: フェデレートラーニング(FL)は、エッジデバイスが直接データアップロードを置き換えるモデル通信によって、機械学習モデルを協調的にトレーニングすることを可能にする。 無線によるモデル集約は通信効率を向上させるが、無線ネットワーク上のエッジサーバへのモデルアップロードはプライバシのリスクをもたらす可能性がある。 differential privacy (dp) は fl における統計データプライバシーを測定するために広く用いられている定量的手法である。 従来,ユーザレベルのDPを高めるために通信ノイズを活用する単一アンテナサーバを用いた無線FLに重点を置いてきた。 この手法は, 送電電力を制御し, 人工雑音などのデバイスにDP保存機構を導入することにより, いわゆる「自由DP」を実現する。 本稿では,マルチ入力多重出力(mimo)フェージングチャネル上での空気中flについて検討する。 複数のアンテナサーバとのflモデル通信は、モデル集約と情報推論のために別々の受信の組み合わせを用いるため、プライバシリークを増幅する。 したがって、マルチインプット単一出力システムにおける通信ノイズのみに依存して高いプライバシー要件を満たすことができず、最適なDP設計にはデバイス側プライバシ保護機構が必要である。 本研究では,flシステムの学習収束とプライバシー損失を分析し,交互最適化に基づくトランシーバ設計アルゴリズムを提案する。 計算結果から,提案手法は従来の作業よりも優れたプライバシー学習トレードオフを実現することが示された。

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