With the increasing computing power of edge devices, Federated Learning (FL) emerges to enable model training without privacy concerns. The majority of existing studies assume the data are fully labeled on the client side. In practice, however, the amount of labeled data is often limited. Recently, federated semi-supervised learning (FSSL) is explored as a way to effectively utilize unlabeled data during training. In this work, we propose ProtoFSSL, a novel FSSL approach based on prototypical networks. In ProtoFSSL, clients share knowledge with each other via lightweight prototypes, which prevents the local models from diverging. For computing loss on unlabeled data, each client creates accurate pseudo-labels based on shared prototypes. Jointly with labeled data, the pseudo-labels provide training signals for local prototypes. Compared to a FSSL approach based on weight sharing, the prototype-based inter-client knowledge sharing significantly reduces both communication and computation costs, enabling more frequent knowledge sharing between more clients for better accuracy. In multiple datasets, ProtoFSSL results in higher accuracy compared to the recent FSSL methods with and without knowledge sharing, such as FixMatch, FedRGD, and FedMatch. On SVHN dataset, ProtoFSSL performs comparably to fully supervised FL methods.


翻译:随着边际装置的计算能力日益增强,联邦学习联合会(FL)将出现,以便能够在没有隐私关切的情况下进行示范培训。大多数现有研究都假定数据完全贴在客户一方。但在实践中,标签数据的数量往往有限。最近,联合会半监督学习(FSSL)被探索,作为在培训期间有效利用无标签数据的一种方法。在这项工作中,我们提议采用基于原型网络的新型FSSL(FSSL)方法,即基于原型网络的新型FSSL(ProtoFSL)方法;在ProtoFSS(FSL)中,客户通过轻量级原型相互共享知识,防止本地模型的差异。在计算无标签数据的损失时,每个客户都根据共享原型创建准确的假标签。与标签数据联合,假标签为本地原型提供了培训信号。与基于权重共享的FSSL(SL)方法相比,原型客户间知识共享大大降低了通信和计算成本,使更多客户之间更频繁地分享知识,以便提高准确性。在多个数据集中,ProtoFSL(FSL)与最近的FSL(FSL)方法相比,不完全共享。

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