We propose a federated learning (FL) in stratosphere (FLSTRA) system, where a high altitude platform station (HAPS) felicitates a large number of terrestrial clients to collaboratively learn a global model without sharing the training data. FLSTRA overcomes the challenges faced by FL in terrestrial networks, such as slow convergence and high communication delay due to limited client participation and multi-hop communications. HAPS leverages its altitude and size to allow the participation of more clients with line-of-sight (LoS) links and the placement of a powerful server. However, handling many clients at once introduces computing and transmission delays. Thus, we aim to obtain a delay-accuracy trade-off for FLSTRA. Specifically, we first develop a joint client selection and resource allocation algorithm for uplink and downlink to minimize the FL delay subject to the energy and quality-of-service (QoS) constraints. Second, we propose a communication and computation resource-aware (CCRA-FL) algorithm to achieve the target FL accuracy while deriving an upper bound for its convergence rate. The formulated problem is non-convex; thus, we propose an iterative algorithm to solve it. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed FLSTRA system, compared to terrestrial benchmarks, in terms of FL delay and accuracy.


翻译:我们提议在平流层(FLSTRA)系统中采用联合学习(FLF)系统,在该系统中,一个高空平台站(HAPS)让大量地面客户合作学习全球模型,但不分享培训数据;FLSTRA克服了FLL在地面网络中面临的挑战,如客户参与有限和多机会通信导致的延迟趋同和通信高度延误;HAPS利用其高度和规模,让更多具有直线(LOS)链接的客户参与,并放置一个强大的服务器;然而,一旦处理许多客户,就会引入计算和传输延迟;因此,我们的目标是为FLSTRA取得一个延迟-准确性交易。具体地说,我们首先开发一个联合客户选择和资源分配算法,以便根据能源和服务质量(QOS)的限制,最大限度地减少FL的延误;第二,我们提议采用通信和计算资源测算(CECR-FL)算法,以实现目标的FLL的准确性,同时为其趋同率定出一个上限。我们拟订的问题是非convex;因此,我们提议将FLSLS的精确性算为SimLS。

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