Feature Matching Data Synthesis for Non-IID Federated Learning

计算机科学 数据挖掘 匹配(统计) 水准点(测量) 一般化 特征(语言学) 合成数据 机器学习 GSM演进的增强数据速率 信息隐私 独立同分布随机变量 人工智能 语言学 统计 哲学 数学 数学分析 互联网隐私 大地测量学 随机变量 地理
作者
Zijian Li,Yuchang Sun,Jiawei Shao,Yuyi Mao,Jessie Hui Wang,Jun Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:23 (10): 9352-9367 被引量:26
标识
DOI:10.1109/tmc.2024.3365295
摘要

Federated learning (FL) has emerged as a privacy-preserving paradigm that trains neural networks on edge devices without collecting data at a central server. However, FL encounters an inherent challenge in dealing with non-independent and identically distributed (non-IID) data among devices. To address this challenge, this paper proposes a hard feature matching data synthesis (HFMDS) method to share auxiliary data besides local models. Specifically, synthetic data are generated by learning the essential class-relevant features of real samples and discarding the redundant features, which helps to effectively tackle the non-IID issue. For better privacy preservation, we propose a hard feature augmentation method to transfer real features towards the decision boundary, with which the synthetic data not only improve the model generalization but also erase the information of real features. By integrating the proposed HFMDS method with FL, we present a novel FL framework with data augmentation to relieve data heterogeneity. The theoretical analysis highlights the effectiveness of our proposed data synthesis method in solving the non-IID challenge. Simulation results further demonstrate that our proposed HFMDS-FL algorithm outperforms the baselines in terms of accuracy, privacy preservation, and complexity saving on various benchmark datasets.
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