Federated edge learning (FEEL) is a popular framework for model training at an edge server using data distributed at edge devices (e.g., smart-phones and sensors) without compromising their privacy. In the FEEL framework, edge devices periodically transmit high-dimensional stochastic gradients to the edge server, where these gradients are aggregated and used to update a global model. When the edge devices share the same communication medium, the multiple access channel (MAC) from the devices to the edge server induces a communication bottleneck. To overcome this bottleneck, an efficient broadband analog transmission scheme has been recently proposed, featuring the aggregation of analog modulated gradients (or local models) via the waveform-superposition property of the wireless medium. However, the assumed linear analog modulation makes it difficult to deploy this technique in modern wireless systems that exclusively use digital modulation. To address this issue, we propose in this work a novel digital version of broadband over-the-air aggregation, called one-bit broadband digital aggregation (OBDA). The new scheme features one-bit gradient quantization followed by digital quadrature amplitude modulation (QAM) at edge devices and over-the-air majority-voting based decoding at edge server. We provide a comprehensive analysis of the effects of wireless channel hostilities (channel noise, fading, and channel estimation errors) on the convergence rate of the proposed FEEL scheme. The analysis shows that the hostilities slow down the convergence of the learning process by introducing a scaling factor and a bias term into the gradient norm. However, we show that all the negative effects vanish as the number of participating devices grows, but at a different rate for each type of channel hostility.


翻译:联邦边缘学习( FEEL) 是使用边缘设备( 如智能手机和传感器) 数据分布在边缘设备( 智能手机和传感器) 的边端服务器模型培训的流行框架 。 在感觉框架中, 边设备通过无线介质的波形- 超定位属性属性, 定期将高维随机梯度梯度传递到边缘服务器, 这些梯度被汇总并用于更新全球模型 。 当边缘设备共享相同的通信介质时, 从设备到边缘服务器的多个接入通道( MAC) 将引发通信瓶颈。 为了克服这一瓶颈,最近提出了高效的宽带模拟传输计划, 其特点是通过无线介质- 超升定位( 或本地模型) 将模拟的梯度梯度梯度( 或本地模型) 合并到无线介质- 递增缩缩缩缩缩略释( QAM), 将基于双轨的磁度- 递增轨迹- 递增率( We- 递增- demodalalal roal roal roal roisal roisal) 的系统的系统演示演示演示, 度( 度- demodemodemodelvial dalmodel dal) 的系统, 度分析, 度- dealtral- dealtralational dal dal daltral) exl exmal disal disl exxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

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