We examine federated learning (FL) with over-the-air (OTA) aggregation, where mobile users (MUs) aim to reach a consensus on a global model with the help of a parameter server (PS) that aggregates the local gradients. In OTA FL, MUs train their models using local data at every training round and transmit their gradients simultaneously using the same frequency band in an uncoded fashion. Based on the received signal of the superposed gradients, the PS performs a global model update. While the OTA FL has a significantly decreased communication cost, it is susceptible to adverse channel effects and noise. Employing multiple antennas at the receiver side can reduce these effects, yet the path-loss is still a limiting factor for users located far away from the PS. To ameliorate this issue, in this paper, we propose a wireless-based hierarchical FL scheme that uses intermediate servers (ISs) to form clusters at the areas where the MUs are more densely located. Our scheme utilizes OTA cluster aggregations for the communication of the MUs with their corresponding IS, and OTA global aggregations from the ISs to the PS. We present a convergence analysis for the proposed algorithm, and show through numerical evaluations of the derived analytical expressions and experimental results that utilizing ISs results in a faster convergence and a better performance than the OTA FL alone while using less transmit power. We also validate the results on the performance using different number of cluster iterations with different datasets and data distributions. We conclude that the best choice of cluster aggregations depends on the data distribution among the MUs and the clusters.


翻译:我们用超高空(OTA)聚合来检查联盟学习(FL),移动用户(MUs)的目的是在综合本地梯度的参数服务器的帮助下,就全球模型达成共识。在OTA FL, MUs在每轮培训中利用当地数据培训模型,并以未编码的方式同时使用同一频带传输其梯度。根据上覆梯度信号,PS进行全球模型更新。虽然OTA FL的通信成本显著下降,但它容易受到不利的频道效应和噪音的影响。在接收方使用多个天线能够减少这些效应,但路径损失仍然是限制离PS远的用户使用当地数据的模式。为了改善这一问题,我们在本文中建议采用基于无线的等级FL计划,使用中间服务器(IS)在MUs更稠密的地区组成集群。我们的计划利用OTA组群集在MUs之间的通信及其对应的频道效应和声音。在接收者方面,我们使用不同的IMA结果,我们使用从IMS的模型和数字分析中,我们用一个更好的数据分析,我们用当前的IMIS的模型和数字分析结果,我们用一个更好的数据转换到SAIS的模型。

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