Federated learning (FL) is an attractive paradigm for making use of rich distributed data while protecting data privacy. Nonetheless, nonideal communication links and limited transmission resources have become the bottleneck of the implementation of fast and accurate FL. In this paper, we study joint optimization of communications and FL based on analog aggregation transmission in realistic wireless networks. We first derive a closed-form expression for the expected convergence rate of FL over the air, which theoretically quantifies the impact of analog aggregation on FL. Based on the analytical result, we develop a joint optimization model for accurate FL implementation, which allows a parameter server to select a subset of workers and determine an appropriate power scaling factor. Since the practical setting of FL over the air encounters unobservable parameters, we reformulate the joint optimization of worker selection and power allocation using controlled approximation. Finally, we efficiently solve the resulting mixed-integer programming problem via a simple yet optimal finite-set search method by reducing the search space. Simulation results show that the proposed solutions developed for realistic wireless analog channels outperform a benchmark method, and achieve comparable performance of the ideal case where FL is implemented over noise-free wireless channels.


翻译:联邦学习(FL)是利用丰富的分布式数据保护数据隐私的一个有吸引力的模式,然而,非理想通信连接和有限的传输资源已成为执行快速和准确FL的瓶颈。在本文中,我们研究了基于现实无线网络模拟聚合传输的通信和FL联合优化;我们首先为FL对空气的预期趋同率得出封闭式表达方式,从理论上对模拟聚合对FL的影响进行量化。根据分析结果,我们开发了一个用于准确FL执行的联合优化模式,使参数服务器能够选择一组工人并确定适当的功率缩放系数。由于FL对空中遭遇的实际设置了不可观测的参数,我们用受控的近光线调整了工人选择和权力分配的联合优化。最后,我们通过减少搜索空间,有效地解决由此产生的混合内聚成问题。模拟结果显示,为现实无线模拟频道开发的拟议解决方案超越了基准方法,并实现了FL在无噪音无线通道上实施的理想案例的可比性表现。

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