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Federated PCA on Grassmann Manifold for IoT Anomaly Detection

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LeoTungAnh/FedPCA_AnomalyDetection

 
 

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Fed PCA: Federated PCA on Grassmann Manifold for Anomaly Detection in IoT Networks [IEEE Transactions on Networking]

This repository is for the Experiment Section of the paper: "Federated PCA on Grassmann Manifold for IoT Anomaly Detection"

Authors: Tung-Anh Nguyen, Long Tan Le, Tuan Dung Nguyen, Wei Bao, Suranga Seneviratne, Choong Seon Hong, Nguyen H. Tran

Part of this work has been accepted at INFOCOM 2023 (Link paper: https://arxiv.org/pdf/2212.12121.pdf)

Software requirements:

  • numpy, sklearn, pytorch, matplotlib.

  • To download the dependencies: pip3 install -r requirements.txt

  • The code can be run on any pc or google colab.

Dataset:

  • UNSW-NB15
  • ToN-IoT

Experimental results

UNSW-NB15

Algorithm Rank k Accuracy Precision Recall F1-Score FN Global Iteration to Converge Time to Converge
FedPG 2 90.0046% 89.9895% 98.7757% 94.1781% 1.2243% 20 5.855s
FedPE 2 90.2172% 90.4981% 98.3897% 94.2791% 1.6103% 200 63.198s

ToN-IoT

Algorithm Rank k Accuracy Precision Recall F1-Score FN Global Iteration to Converge Time to Converge
FedPG 2 91.0227% 88.3039% 100.000% 93.7887% 0.0000% 20 4.551s
FedPE 2 91.0066% 88.2854% 100.000% 93.7783% 0.0000% 200 54.0505

Commands to run multiple experiments

Run experiments for both datasets using scripts

Run all experiments

bash all_experiments.sh

Experiments on Global Iteration


bash global_iteration_experiments_script.sh

Experiments on Local Iteration


bash local_iteration_experiments_script.sh

Experiments on Rank-k


bash rank_experiments_script.sh

Experiments on N_clients


bash clients_experiments_script.sh

Commands to run an experiment

UNSW-NB15

Experiments on Global Iteration

FedPG


python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 30 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 50 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 70 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 90 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 110 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 120 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 130 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 140 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 150 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 170 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 180 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 190 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter

FedPE


python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 30 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 50 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 70 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 90 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 110 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 120 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 130 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 140 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 150 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 170 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 180 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 190 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Unsw --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Global_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 40 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 50 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 60 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 70 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 80 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 90 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 20 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 40 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 50 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 60 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 70 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 80 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 90 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 40 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 40 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 50 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 60 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 70 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 80 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 90 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 60 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 40 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 50 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 60 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 70 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 80 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 90 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 80 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
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python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 50 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 60 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 70 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 80 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 90 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 100 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 120 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 120 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 120 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
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python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 140 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 100 --exp_type Local_iter

python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 10 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 20 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Local_iter
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 160 --dim 2 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 40 --exp_type Local_iter
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Experiments on Rank-k

FedPG


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FedPE


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python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 10 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Rank_k
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 12 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Rank_k
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python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 23 --clients 20 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type Rank_k

Experiments on N_clients

FedPG


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python3 main.py --algorithm FedPG --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 30 --dim 2 --clients 700 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
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FedPE


python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 100 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 200 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 300 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 400 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 500 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 600 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
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python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 800 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
python3 main.py --algorithm FedPE --dataset Ton --learning_rate 0.0001 --num_global_iters 200 --dim 2 --clients 900 --subusers 0.1 --local_epochs 30 --exp_type N_clients
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