In this paper, the problem of training federated learning (FL) algorithms over a realistic wireless network is studied. In particular, in the considered model, wireless users execute an FL algorithm while training their local FL models using their own data and transmitting the trained local FL models to a base station (BS) that will generate a global FL model and send it back to the users. Since all training parameters are transmitted over wireless links, the quality of the training will be affected by wireless factors such as packet errors and the availability of wireless resources. Meanwhile, due to the limited wireless bandwidth, the BS must select an appropriate subset of users to execute the FL algorithm so as to build a global FL model accurately. This joint learning, wireless resource allocation, and user selection problem is formulated as an optimization problem whose goal is to minimize an FL loss function that captures the performance of the FL algorithm. To address this problem, a closed-form expression for the expected convergence rate of the FL algorithm is first derived to quantify the impact of wireless factors on FL. Then, based on the expected convergence rate of the FL algorithm, the optimal transmit power for each user is derived, under a given user selection and uplink resource block (RB) allocation scheme. Finally, the user selection and uplink RB allocation is optimized so as to minimize the FL loss function. Simulation results show that the proposed joint federated learning and communication framework can reduce the FL loss function value by up to 10% and 16%, respectively, compared to: 1) An optimal user selection algorithm with random resource allocation and 2) a standard FL algorithm with random user selection and resource allocation.


翻译:本文研究了在现实无线网络上培训联合学习(FL)算法的问题。特别是,在考虑的模型中,无线用户使用FL算法,同时用自己的数据培训其本地FL模型,并将经过培训的本地FL模型传送到基地站(BS),以生成全球FL模型,并将之发回用户。由于所有培训参数都是通过无线链接传输的,因此培训的质量将受到诸如软件包错误和无线资源的可用性等无线因素的影响。与此同时,由于无线带宽有限,BS必须选择一个适当的用户子组来执行FL算法,以便准确地构建一个全球FL模型。这种联合学习、无线资源分配和用户选择问题是一个优化问题,目标是最大限度地减少FL损失功能,从而捕捉到FL算法的绩效。为了解决这个问题,对FL算法的预期趋同率首先计算出一种封闭式表达式表达方式,以便量化无线因素对FL的冲击率的影响,然后根据FL算法的预期趋同率的趋同率,为每个用户的最佳传输能力分配,最后的FL值传输能力是计算出一个最优化的FL的用户选择。

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