Efficient Federated Learning With Enhanced Privacy via Lottery Ticket Pruning in Edge Computing

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作者
Yifan Shi,Kang Wei,Li Shen,Jun Li,Xueqian Wang,Bo Yuan,Song Guo
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:23 (10): 9946-9958 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tmc.2024.3370967
摘要

Federated learning (FL) can train collaboratively with several mobile terminals (MTs), which faces critical challenges in communication, resource, and privacy. Existing privacy-preserving methods usually adopt instance-level differential privacy (DP), which provides a rigorous privacy guarantee but with several bottlenecks: performance degradation, transmission overhead, and resource constraints. Therefore, we propose Fed-LTP, an efficient and privacy-enhanced FL framework with L ottery T icket H ypothesis (LTH) and zero-concentrated D P (zCDP). It generates a pruned global model on the server side and conducts sparse-to-sparse training from scratch with zCDP on the client side. On the server side, two pruning schemes are proposed: (i) the weight-based pruning (LTH) determines the pruned global model structure; (ii) the iterative pruning further shrinks the size of the pruned model. Meanwhile, the performance of Fed-LTP is boosted via model validation based on the Laplace mechanism. On the client side, we use sparse-to-sparse training to solve the resource-constraints issue and provide tighter privacy analysis to reduce the privacy budget. We evaluate the effectiveness of Fed-LTP on several real-world datasets in both independent and identically distributed (IID) and non-IID settings. The results confirm the superiority of Fed-LTP over state-of-the-art (SOTA) methods in communication, computation, and memory efficiencies while realizing a better utility-privacy trade-off.
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