Federated learning is a collaborative machine learning framework to train deep neural networks without accessing clients' private data. Previous works assume one central parameter server either at the cloud or at the edge. A cloud server can aggregate knowledge from all participating clients but suffers high communication overhead and latency, while an edge server enjoys more efficient communications during model update but can only reach a limited number of clients. This paper exploits the advantages of both cloud and edge servers and considers a Hierarchical Quantized Federated Learning (HQFL) system with one cloud server, several edge servers and many clients, adopting a communication-efficient training algorithm, Hier-Local-QSGD. The high communication efficiency comes from frequent local aggregations at the edge servers and fewer aggregations at the cloud server, as well as weight quantization during model uploading. A tight convergence bound for non-convex objective loss functions is derived, which is then applied to investigate two design problems, namely, the accuracy-latency trade-off and edge-client association. It will be shown that given a latency budget for the whole training process, there is an optimal parameter choice with respect to the two aggregation intervals and two quantization levels. For the edge-client association problem, it is found that the edge-client association strategy has no impact on the convergence speed. Empirical simulations shall verify the findings from the convergence analysis and demonstrate the accuracy-latency trade-off in the hierarchical federated learning system.


翻译:联邦学习是一个合作的机器学习框架,用于培训深神经网络,而没有访问客户的私人数据。 以前的工程在云层或边缘假设一个中央参数服务器。 云端服务器可以将所有参与客户的知识集中起来,但会受到高通信管理及潜伏, 而边端服务器在模型更新期间拥有效率更高的通信,但只能接触到数量有限的客户。 本文利用云层和边缘服务器的优势,并考虑一个云层服务器、多个边缘服务器和许多客户的等级化量子化联邦学习系统(HQFL)系统(HQFL)的优势,采用一个通信高效培训算法( Hier- Live-QSGD)。 高通信效率来自边端服务器频繁的本地集合和云端服务器较少的集合,以及模型上传期间的重量四分化。 将非对云层目标损失功能进行紧密的趋同,然后用于调查两个设计问题, 即精度交易偏差交易和边端客户关系。 将显示,鉴于整个培训过程的宽度预算,对于边端服务器的精度参数选择是最佳的精度组合, 其精度比性比性分析将显示双层的精度比。

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