When implementing hierarchical federated learning over wireless networks, scalability assurance and the ability to handle both interference and device data heterogeneity are crucial. This work introduces a new two-level learning method designed to address these challenges, along with a scalable over-the-air aggregation scheme for the uplink and a bandwidth-limited broadcast scheme for the downlink that efficiently use a single wireless resource. To provide resistance against data heterogeneity, we employ gradient aggregations. Meanwhile, the impact of uplink and downlink interference is minimized through optimized receiver normalizing factors. We present a comprehensive mathematical approach to derive the convergence bound for the proposed algorithm, applicable to a multi-cluster wireless network encompassing any count of collaborating clusters, and provide special cases and design remarks. As a key step to enable a tractable analysis, we develop a spatial model for the setup by modeling devices as a Poisson cluster process over the edge servers and rigorously quantify uplink and downlink error terms due to the interference. Finally, we show that despite the interference and data heterogeneity, the proposed algorithm not only achieves high learning accuracy for a variety of parameters but also significantly outperforms the conventional hierarchical learning algorithm.


翻译:在无线网络中实现分层联邦学习时,可扩展性保障以及处理干扰和设备数据异构性的能力至关重要。本文引入了一种新的两层学习方法以应对这些挑战,同时提出了一种用于上行链路的可扩展空中聚合方案,以及一种用于下行链路的带宽受限广播方案,二者高效地利用单一无线资源。为了抵抗数据异构性,我们采用梯度聚合方法。同时,通过优化接收端归一化因子,最小化了上下行链路干扰的影响。我们提出了一套完整的数学方法,推导了所提算法的收敛界,该方法适用于包含任意数量协作簇的多簇无线网络,并给出了特例分析与设计启示。作为实现可处理分析的关键步骤,我们通过将设备建模为边缘服务器上的泊松簇过程,建立了该设置的空间模型,并严格量化了由干扰引起的上行和下行误差项。最后,我们证明,尽管存在干扰和数据异构性,所提算法不仅能在多种参数下实现高学习精度,而且显著优于传统的分层学习算法。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年2月25日
Arxiv
12+阅读 · 2021年7月26日
Arxiv
18+阅读 · 2019年3月28日
VIP会员
最新内容
探秘Palantir:驱动美情报的科技巨头
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:14
《美国海军军事海运司令部 2026年手册》
专知会员服务
2+阅读 · 今天3:05
《人工智能使能系统可靠性框架》
专知会员服务
5+阅读 · 今天2:28
2026“人工智能+”行业发展蓝皮书(附下载)
专知会员服务
13+阅读 · 4月26日
《强化学习数学基础》
专知会员服务
9+阅读 · 4月26日
“Maven计划”的发展演变之“Maven智能系统”应用
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
47+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员