跳到主要内容
研究论文

免费隐私:通过无编码传输和自适应功率控制的无线联合学习

出版:2021年1月1日 出版历史
  • 获取引文提醒
  • 摘要

    联合学习(FL)指的是分布式协议,在为共同学习任务进行训练时,避免参与设备之间的直接原始数据交换。这样,FL可以潜在地减少通过通信泄漏的本地数据集信息。然而,为了提供正式的隐私保障,通常需要设置额外的屏蔽机制。当FL通过非编码传输在无线系统中实现时,信道噪声可以直接作为隐私诱导机制。本文证明,只要通过差分隐私(DP)测量的隐私约束水平低于随着信噪比(SNR)降低的阈值,未编码传输就实现了隐私;免费”,即,不影响学习成绩。更一般地,本文研究无线FL中分布式梯度下降的自适应功率分配(PA),目的是在隐私和功率约束下最小化学习最优差距。使用“进行正交多址(OMA)和非正交多址传输;空中计算”对离线优化设置进行了研究,得到了封闭形式的解。此外,还提出了利用迭代一步优化的启发式在线方法。通过大量仿真,证明了动态PA的重要性以及NOMA相对于OMA的潜在优势。

    工具书类

    [1]
    J.Park、S.Samarakon、M.Bennis和M.Debbah,“边缘的无线网络智能”程序。电气与电子工程师协会第107卷,第11期,第2204–2239页,2019年11月。
    [2]
    Z.Zhou、X.Chen、E.Li、L.Zeng、K.Luo和J.Zhang,“边缘智能:用边缘计算铺平人工智能的最后一英里”程序。电气与电子工程师协会,第107卷,第8期,第1738-1762页,2019年8月。
    [3]
    G.Zhu、D.Liu、Y.Du、C.You、J.Zhang和K.Huang,“走向智能化边缘:无线通信与机器学习相结合,”IEEE通信。美格。,第58卷,第1期,第19-25页,2020年1月。
    [4]
    T.Li、A.K.Sahu、A.Talwalkar和V.Smith,“联合学习:挑战、方法和未来方向,”IEEE信号处理。美格。,第37卷,第3期,第50-60页,2020年5月。
    [5]
    P.Kairouzet al.,“联合学习的进展和开放问题”,2019年,arXiv:1912.04977号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1912.04977
    [6]
    L.Melis、C.Song、E.De Cristofaro和V.Shmatikov,“利用协作学习中的意外特征泄漏”,摘自程序。IEEE交响乐。安全。隐私(SP)2019年5月,第691-706页。
    [7]
    M.Fredrikson、S.Jha和T.Ristenpart,《利用置信信息和基本对策的模型反转攻击》程序。第22次ACM SIGSAC配置计算。Commun公司。安全。(CCS),丹佛,科罗拉多州,美国,2015年,第1322–1333页。
    [8]
    A.Bhowmick、J.Duchi、J.Freudiger、G.Kapoor和R.Rogers,“针对重建的保护及其在私立联合学习中的应用”,2018年,arXiv:1812.00984号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1812.00984
    [9]
    C.Dwork和A.Roth,“差异隐私的算法基础”已找到。趋势理论。计算。科学。2014年,第9卷,第3-4期,第211-407页。
    [10]
    B.Nazer和M.Gastpar,“多通道计算”IEEE传输。Inf.理论第53卷,第10期,第3498–3516页,2007年10月。
    [11]
    G.Zhu、Y.Wang和K.Huang,“低延迟联邦边缘学习的宽带模拟聚合”IEEE传输。无线通信。,第19卷,第1期,第491-506页,2020年1月。
    [12]
    T.Sery和K.Cohen,“关于多址衰落信道上的模拟梯度下降学习”IEEE传输。信号处理。第68卷,第2897–2911页,2020年。
    [13]
    M.Mohammadi Amiri和D.Gunduz,“无线边缘的机器学习:空中分布式随机梯度下降,”IEEE传输。信号处理。第68卷,第2155–2169页,2020年。
    [14]
    N.Zhang和M.Tao,“空中联合学习的梯度统计感知功率控制”,2020年,arXiv:2003.02089。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2003.02089
    [15]
    K.Yang、T.Jiang、Y.Shi和Z.Ding,“通过空中计算实现联合学习”IEEE传输。无线通信。第19卷,第3期,第2022-2035页,2020年3月。
    [16]
    D.Alistarh、D.Grubic、J.Li、R.Tomioka和M.Vojnovic,《QSGD:通过梯度量化和编码实现高效通信的SGD》,in程序。高级神经信息处理。系统。(NIPS),美国加利福尼亚州长滩,2017年12月,第1709–1720页。
    [17]
    J.Bernstein,Y.-X.Wang,K.Azizzadenesheli和A.Anandkumar,“signSGD:非凸问题的压缩优化”程序。内部配置机。学习。(ICML)瑞典斯德哥尔摩,2018年7月,第1-25页。
    [18]
    Y.Du、S.Yang和K.Huang,“用于通信效率边缘学习的高维随机梯度量化”IEEE传输。信号处理。,第68卷,第2128-2142页,2020年。
    [19]
    W.-T.Chang和R.Tandon,“多接入渠道的通信高效联合学习”,2020年,arXiv:2001.08737号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2001.08737
    [20]
    G.Zhu、Y.Du、D.Gunduz和K.Huang,“通信效率联邦边缘学习的一对一空中聚合:设计和收敛分析”,2020年,arXiv:2001.05713号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2001.05713
    [21]
    R.Shokri、M.Stronati、C.Song和V.Shmatikov,《针对机器学习模型的成员推理攻击》程序。IEEE交响乐。安全。隐私(SP)2017年5月,第3-18页。
    [22]
    M.Ababedite等人,《不同隐私的深度学习》程序。ACM SIGSAC配置计算。Commun公司。安全。2016年10月,奥地利维也纳,第303–318页。
    [23]
    N.Wu、F.Farokhi、D.Smith和M.Ali Kaafar,“凸机器学习与差异隐私的协作价值”,2019年,arXiv:1906.09679号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1906.09679
    [24]
    N.Agarwal、A.T.Suresh、F.X.X.Yu、S.Kumar和B.McMahan,“cpSGD:通信效率高和差异化私有分布式SGD”,摘自程序。高级神经信息处理。系统。(NIPS),加拿大魁北克省蒙特利尔,2018年12月,第7564–7575页。
    [25]
    K.Wei等人,“具有差异隐私的联合学习:算法和性能分析”IEEE传输。Inf.法医安全,第15卷,第3454–3469页,2020年4月。
    [26]
    B.Balle、G.Barthe和M.Gaboardi,“通过子采样进行隐私放大:通过耦合和分歧进行紧密分析”,in程序。高级神经信息处理。系统。(NIPS)加拿大魁北克省蒙特利尔,2018年12月,第6277–6287页。
    [27]
    V.Gandikota、D.Kane、R.Kumar Maity和A.Mazumdar,“VqSGD:矢量量化随机梯度下降”,2019年,arXiv公司:1911.07971。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1911.07971
    [28]
    M.Seif、R.Tandon和M.Li,“具有本地差异隐私的无线联合学习”,2020年,arXiv:2002年5月151日。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2002.05151
    [29]
    Y.Koda、K.Yamamoto、T.Nishio和M.Morikura,“不同私有AirComp联合学习与功率自适应控制接收器噪音”,2020年,arXiv:2004年6月337日。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2004.06337
    [30]
    A.Sonee和S.Rini,“基于不同隐私约束的多接入通道的高效联合学习”,2020年,arXiv:2005.07776号。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2005.07776
    [31]
    Y.Zhao、M.Li、L.Lai、N.Suda、D.Civin和V.Chandra,“非IID数据的联合学习”,2018年,arXiv:1806.00582。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1806.00582
    [32]
    S.Wang等人,“资源受限边缘计算系统中的自适应联合学习”IEEE J.选择。公共区域。,第37卷,第6期,第1205-1221页,2019年6月。
    [33]
    A.Reisizadeh、A.Mokhtari、H.Hassani、A.Jadbabaie和R.Pedarsani,“Fedpaq:具有周期平均和量化的通信效率联邦学习方法”,in程序。国际Conf.Artif。智力。统计(AISTATS),意大利巴勒莫,2020年6月,第2021–2031页。
    [34]
    T.Li、A.Kumar Sahu、M.Zaheer、M.Sanjabi、A.Talwalkar和V.Smith,“异构网络中的联合优化”,2018年,arXiv:1812.06127。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/1812.06127
    [35]
    S.Ravi,“使用神经预测的高效设备模型”,in程序。内部配置机。学习。(ICML)2019年6月,美国加利福尼亚州长滩,第5370–5379页。
    [36]
    W.Debaenst、A.Feys、I.Cuiñas、M.GarcíA Sánchez和J.Verhaevert,“3.5GHz频带下5G室内无线电信道测量的RMS延迟扩展与相干带宽,”传感器,第20卷,第3期,第750页,2020年1月。
    [37]
    S.Wang等人,“3.5GHz下5G车载信道的多普勒频移和相干时间”,in程序。IEEE国际标准。天线传播。USNC/URSI国家无线电科学。会议,马萨诸塞州波士顿,美国,2018年7月,第2005-2006页。
    [38]
    X.Cao、G.Zhu、J.Xu和K.Huang,“衰落信道中过空计算的优化功率控制”IEEE传输。无线通信。,提前访问,2020年8月4日。10.1109/TWC.2020.3012287。
    [39]
    A.Mahmood、M.I.Ashraf、M.Gidlund、J.Torsner和J.Sachs,“5G无线边缘的时间同步:关键MTC的要求和解决方案,”IEEE通信。美格。,第57卷,第12期,第45-51页,2019年12月。
    [40]
    H.Karimi、J.Nutini和M.Schmidt,《Polyak-Lojasiewicz条件下梯度和近似粒度方法的线性收敛》程序。联合Eur.Conf.Mach。学习。知识。发现数据库(ECML KDD)意大利里瓦德尔加尔达,2016年9月,第795-811页。
    [41]
    L.Bottou、F.E.Curtis和J.Nocedal,“大规模机器学习的优化方法”SIAM版本。,第60卷,第2期,第223–311页,2018年1月。
    [42]
    M.P.Friedlander和M.Schmidt,“数据拟合的混合确定性随机方法”SIAM J.科学。计算。,第34卷,第3期,第A1380–A1405页,2012年1月。
    [43]
    P.Zhao和T.Zhang,“正则化损失最小化的重要抽样随机优化”,in程序。国际协调机构。学习。(ICML)2015年7月,法国里尔,第1-9页。
    [44]
    X.Chen、Z.Steven Wu和M.Hong,“理解私人SGD中的梯度剪裁:几何视角”,2020年,arXiv:2006.15429。[在线]。可用:http://arxiv.org/abs/2006.15429
    [45]
    J.Zhang、T.He、S.Sra和A.Jadbabaie,《为什么梯度削波加速训练:适应性的理论依据》程序。Int.Conf.学习。代表。(ICLR),美国洛杉矶新奥尔良,2019年5月,第1-21页。

    引用人

    查看全部

    索引术语

    1. 免费隐私:通过无编码传输和自适应功率控制的无线联合学习
          索引项已通过自动分类分配给内容。

          建议

          评论

          信息和贡献者

          问询处

          发布于

          封面图片IEEE通讯选定领域杂志
          IEEE通信选定领域杂志 第39卷第1期
          2021年1月
          294页
          国际标准编号:0733-8716
          期刊目录

          出版商

          IEEE出版社

          出版历史

          出版:2021年1月1日

          限定符

          • 研究文章

          贡献者

          其他指标

          文献计量学和引文

          文献计量学

          文章指标

          • 下载次数(过去12个月)0
          • 下载次数(最近6周)0

          其他指标

          引文

          引用人

          查看全部
          • (2024)面向任务的多设备边缘人工智能空中计算IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC.2023.329470323:3(2039-2053)在线发布日期:2024年3月1日
          • (2024)无线网络中基于图神经网络的保私性分散推理IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC.2023.327944223:1(543-558)在线发布日期:2024年1月1日
          • (2024)基于共形预测的无线信道可靠不确定性量化联合推理IEEE信号处理汇刊10.1109/TSP.2024.335861572(1235-1250)在线发布日期:2024年1月1日
          • (2024)通过Piggyback方法实现节能和差异化私人联合学习IEEE移动计算汇刊10.1109/TMC.2023.326832323:4(2698-2711)在线发布日期:2024年4月1日
          • (2023)具有差异隐私的分层空中联合学习2023年ACM无线安全和机器学习研讨会会议记录10.1145/3586209.3591400(51-56)在线发布日期:2023年6月1日
          • (2023)CFLIT:共存的联合学习和信息传递IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC.2023.326314822:11(8436-8453)在线发布日期:2023年11月1日
          • (2023)空中综合传感、通信和计算:MIMO波束形成设计IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC2022.323379522:8(5383-5398)在线发布日期:2023年8月1日
          • (2023)基于联合学习的无单元大规模MIMO隐私保护系统IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC2022.3225812号22:7(4449-4460)在线发布日期:2023年7月1日
          • (2023)无线联合Langevin Monte Carlo:重新利用信道噪声进行贝叶斯采样和保密IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC2022.3215663号22:5(2946-2961)在线发布日期:2023年5月1日
          • (2023)节能无线群组标记:联合注释器集群和功率控制IEEE无线通信汇刊10.1109/TWC2022.320819822:3(2022-2035)在线发布日期:2023年3月1日
          • 显示更多引用者

          视图选项

          查看选项

          获取访问权限

          登录选项

          完全访问权限

          媒体

          数字

          其他

          桌子

          分享

          分享

          共享此出版物链接

          在社交媒体上分享