In federated learning (FL), a global model is trained at a Parameter Server (PS) by aggregating model updates obtained from multiple remote learners. Critically, the communication between the remote users and the PS is limited by the available power for transmission, while the transmission from the PS to the remote users can be considered unbounded. This gives rise to the distributed learning scenario in which the updates from the remote learners have to be compressed so as to meet communication rate constraints in the uplink transmission toward the PS. For this problem, one would like to compress the model updates so as to minimize the resulting loss in accuracy. In this paper, we take a rate-distortion approach to answer this question for the distributed training of a deep neural network (DNN). In particular, we define a measure of the compression performance, the \emph{per-bit accuracy}, which addresses the ultimate model accuracy that a bit of communication brings to the centralized model. In order to maximize the per-bit accuracy, we consider modeling the gradient updates at remote learners as a generalized normal distribution. Under this assumption on the model update distribution, we propose a class of distortion measures for the design of quantizer for the compression of the model updates. We argue that this family of distortion measures, which we refer to as "$M$-magnitude weighted $L_2$" norm, capture the practitioner intuition in the choice of gradient compressor. Numerical simulations are provided to validate the proposed approach.


翻译:在联合学习(FL)中,一个全球模型在Parameter Service(PS)培训,方法是汇总从多个远程学习者获得的模型更新。关键是,远程用户和PS之间的沟通受到现有传输能力的限制,而PS向远程用户的传输则被视为不受约束。这产生了一种分布式的学习情景,在这种情景中,远程学习者提供的最新信息必须压缩,以便满足向PS传输的上链接传输的通信率限制。对于这一问题,人们希望压缩模型更新,以便尽可能减少由此造成的准确性损失。在本文中,我们采用率扭曲方法来回答这一问题,用于对一个深度神经网络(DNNN)进行分布式培训。特别是,我们定义了压缩性能的度量,即:从远程学习者的更新到向中央模式传输的传输,最终的模型精确度必须压缩。为了最大限度地提高每比值的准确性,我们考虑将远程学习者的梯度更新作为通用的正常分布模式。在模型更新分配的假设中,我们建议一个等级级的扭曲度措施是“我们用于设计“SqrialM ” 。我们将“roalalalalalalalalalalalalalalalalalalbal”的测量度的测量值的测量值的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度的测量度测量度测量度的测量度测量度的测量度测量度测量度测量度。

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