Future wireless networks are expected to support diverse mobile services, including artificial intelligence (AI) services and ubiquitous data transmissions. Federated learning (FL), as a revolutionary learning approach, enables collaborative AI model training across distributed mobile edge devices. By exploiting the superposition property of multiple-access channels, over-the-air computation allows concurrent model uploading from massive devices over the same radio resources, and thus significantly reduces the communication cost of FL. In this paper, we study the coexistence of over-the-air FL and traditional information transfer (IT) in a mobile edge network. We propose a coexisting federated learning and information transfer (CFLIT) communication framework, where the FL and IT devices share the wireless spectrum in an OFDM system. Under this framework, we aim to maximize the IT data rate and guarantee a given FL convergence performance by optimizing the long-term radio resource allocation. A key challenge that limits the spectrum efficiency of the coexisting system lies in the large overhead incurred by frequent communication between the server and edge devices for FL model aggregation. To address the challenge, we rigorously analyze the impact of the computation-to-communication ratio on the convergence of over-the-air FL in wireless fading channels. The analysis reveals the existence of an optimal computation-to-communication ratio that minimizes the amount of radio resources needed for over-the-air FL to converge to a given error tolerance. Based on the analysis, we propose a low-complexity online algorithm to jointly optimize the radio resource allocation for both the FL devices and IT devices. Extensive numerical simulations verify the superior performance of the proposed design for the coexistence of FL and IT devices in wireless cellular systems.


翻译:未来无线网络需支持多样化移动业务,包括人工智能(AI)服务与普适数据传输。联邦学习(FL)作为一种革命性学习方法,能够实现分布式移动边缘设备间的协作式AI模型训练。通过利用多址信道的叠加特性,空中计算技术允许海量设备在同一无线资源上并发上传模型,从而显著降低FL的通信开销。本文研究了移动边缘网络中空中计算FL与传统信息传输(IT)的共存问题。我们提出了一种共存的联邦学习与信息传输(CFLIT)通信框架,其中FL与IT设备在OFDM系统中共享无线频谱。在此框架下,我们以最大化IT数据传输速率同时保证给定FL收敛性能为目标,优化长期无线资源分配方案。制约共存系统频谱效率的关键挑战在于:为实现FL模型聚合,服务器与边缘设备间频繁通信产生巨大开销。为应对该挑战,我们严格分析了计算-通信比对无线衰落信道中空中计算FL收敛性能的影响,揭示了存在一个最优计算-通信比,可使空中计算FL在给定误差容限内收敛所需的无线资源量最小化。基于该分析,我们提出一种低复杂度的在线算法,联合优化FL设备与IT设备的无线资源分配。大量数值仿真验证了所提方案在无线蜂窝网络中FL与IT设备共存场景下的优越性能。

0
下载
关闭预览

相关内容

《计算机信息》杂志发表高质量的论文,扩大了运筹学和计算的范围,寻求有关理论、方法、实验、系统和应用方面的原创研究论文、新颖的调查和教程论文,以及描述新的和有用的软件工具的论文。官网链接:https://pubsonline.informs.org/journal/ijoc
不可错过!《机器学习100讲》课程,UBC Mark Schmidt讲授
专知会员服务
76+阅读 · 2022年6月28日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18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
最新BERT相关论文清单,BERT-related Papers
专知会员服务
53+阅读 · 2019年9月29日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20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
Zero-Shot Learning相关资源大列表
专知
52+阅读 · 2019年1月1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
【论文】图上的表示学习综述
机器学习研究会
15+阅读 · 2017年9月24日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
20+阅读 · 2022年10月10日
Arxiv
10+阅读 · 2021年3月30日
A Comprehensive Survey on Transfer Learning
Arxiv
121+阅读 · 2019年11月7日
Transfer Adaptation Learning: A Decade Survey
Arxiv
37+阅读 · 2019年3月12日
Arxiv
10+阅读 · 2017年7月4日
VIP会员
最新内容
综述 | 3D场景图:开放挑战与未来方向
专知会员服务
1+阅读 · 今天15:00
21世纪的无人机战争
专知会员服务
2+阅读 · 今天14:05
《量子技术的军事任务技术适配与利用》
专知会员服务
2+阅读 · 今天13:51
美国从乌克兰无人机战争中学习经验
专知会员服务
7+阅读 · 6月21日
ICML 2026 | 面向视觉语言模型的语义鲁棒性认证
专知会员服务
5+阅读 · 6月21日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2011年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员