In this paper, we study the problem of federated learning over a wireless channel with user sampling, modeled by a Gaussian multiple access channel, subject to central and local differential privacy (DP/LDP) constraints. It has been shown that the superposition nature of the wireless channel provides a dual benefit of bandwidth efficient gradient aggregation, in conjunction with strong DP guarantees for the users. Specifically, the central DP privacy leakage has been shown to scale as $\mathcal{O}(1/K^{1/2})$, where $K$ is the number of users. It has also been shown that user sampling coupled with orthogonal transmission can enhance the central DP privacy leakage with the same scaling behavior. In this work, we show that, by join incorporating both wireless aggregation and user sampling, one can obtain even stronger privacy guarantees. We propose a private wireless gradient aggregation scheme, which relies on independently randomized participation decisions by each user. The central DP leakage of our proposed scheme scales as $\mathcal{O}(1/K^{3/4})$. In addition, we show that LDP is also boosted by user sampling. We also present analysis for the convergence rate of the proposed scheme and study the tradeoffs between wireless resources, convergence, and privacy theoretically and empirically for two scenarios when the number of sampled participants are $(a)$ known, or $(b)$ unknown at the parameter server.


翻译:在本文中,我们研究了在无线频道上以用户抽样(用高斯多访问频道为模型,以高斯多访问频道为模型)进行联合学习的问题,在中央和地方有差异的隐私(DP/LDP)的限制下,无线频道的叠加性质提供了带宽高效梯度聚合的双重好处,同时为用户提供了强有力的DP保障。具体地说,中央DP隐私渗漏被显示为美元=mathcal{O}(1/K ⁇ 1/2})美元,其中K美元是用户数量。此外,还表明用户抽样结合或用户抽样相结合,可以加强中央DP隐私渗漏。在这个工作中,我们表明通过将无线聚合和用户抽样相结合,可以获得更强有力的隐私保障。我们提出了私人的无线梯度汇总计划,它取决于每个用户独立随机参与的决定。我们拟议方案规模($\mathcal{O}(1/K ⁇ 3/4}美元)的中央DP渗漏。此外,我们还表明,用户抽样取样期间的LDP也是以美元和不固定的汇率模型分析。

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