Due to its communication efficiency and privacy-preserving capability, federated learning (FL) has emerged as a promising framework for machine learning in 5G-and-beyond wireless networks. Of great interest is the design and optimization of new wireless network structures that support the stable and fast operation of FL. Cell-free massive multiple-input multiple-output (CFmMIMO) turns out to be a suitable candidate, which allows each communication round in the iterative FL process to be stably executed within a large-scale coherence time. Aiming to reduce the total execution time of the FL process in CFmMIMO, this paper proposes choosing only a subset of available users to participate in FL. An optimal selection of users with favorable link conditions would minimize the execution time of each communication round, while limiting the total number of communication rounds required. Toward this end, we formulate a joint optimization problem of user selection, transmit power, and processing frequency, subject to a predefined minimum number of participating users to guarantee the quality of learning. We then develop a new algorithm that is proven to converge to the neighbourhood of the stationary points of the formulated problem. Numerical results confirm that our proposed approach significantly reduces the FL total execution time over baseline schemes. The time reduction is more pronounced when the density of access point deployments is moderately low.


翻译:由于其通信效率和隐私保护能力,联谊学习(FL)已成为5G超越无线网络中机器学习的一个大有希望的框架,非常令人感兴趣的是设计和优化新的无线网络结构,支持FL稳定和快速运行。无细胞的大规模多投入多发产出(CFMMIMO)被证明是一个合适的候选人,它使迭接FL进程中的每一轮通信都能在大规模协调的时间内被刺穿。为了减少FL进程在CFMMIMO中的总执行时间,本文件提议只选择一组现有用户参加FL。最佳选择具有有利链接条件的用户将最大限度地减少每个通信回合的执行时间,同时限制所需的通信回合总数。为此,我们提出了一个用户选择、传输权力和处理频率的联合优化问题,但需事先确定最低参与用户人数,以保证学习质量。我们随后开发了一种新的算法,证明可以与FMIMIMIMO的总站点相交汇使用。在最短时间部署计划下定的频率后,将大大降低我们提议的F型基线。

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