In this paper, a green-quantized FL framework, which represents data with a finite precision level in both local training and uplink transmission, is proposed. Here, the finite precision level is captured through the use of quantized neural networks (QNNs) that quantize weights and activations in fixed-precision format. In the considered FL model, each device trains its QNN and transmits a quantized training result to the base station. Energy models for the local training and the transmission with quantization are rigorously derived. To minimize the energy consumption and the number of communication rounds simultaneously, a multi-objective optimization problem is formulated with respect to the number of local iterations, the number of selected devices, and the precision levels for both local training and transmission while ensuring convergence under a target accuracy constraint. To solve this problem, the convergence rate of the proposed FL system is analytically derived with respect to the system control variables. Then, the Pareto boundary of the problem is characterized to provide efficient solutions using the normal boundary inspection method. Design insights on balancing the tradeoff between the two objectives while achieving a target accuracy are drawn from using the Nash bargaining solution and analyzing the derived convergence rate. Simulation results show that the proposed FL framework can reduce energy consumption until convergence by up to 70\% compared to a baseline FL algorithm that represents data with full precision without damaging the convergence rate.


翻译:在本文中,提出了绿色量化的FL框架,它代表了本地培训和上链传输中具有有限精确度的数据;在这里,通过使用量化神经网络(QNN),对权重进行量化,并以固定精度格式启动;在考虑的FL模型中,每个设备都对其QNN进行培训,并将量化的培训结果传送给基地站;严格地推导当地培训和量化传输的能源模型;为同时尽量减少能源消耗和通信轮数,在本地迭代数量、选定装置数量以及本地培训和传输的精确度方面,通过使用量化精度限制,对加权重量和启动进行量化的神经网络(QNNN),以固定精度进行量化;在考虑的FL模型中,对拟议FL系统的趋同率进行分析,然后用正常的边界检查方法对问题进行定性,以提供高效的解决办法;为平衡两个目标之间的取舍,同时对两个目标进行多目标的优化,同时对当地迭代数、选定设备的数量以及本地培训和传输的精确度进行量化的精确度,同时确保通过使用SimL的趋同率来分析,然后通过Salalalal-L的消费率来分析。

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