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 may hinder 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 closed-form expressions for the expected convergence rate of FL over the air, which theoretically quantify the impact of analog aggregation on FL. Based on the analytical results, 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范例,然而,非理想通信连接和有限的传输资源可能阻碍快速和准确的FL的落实。在本文件中,我们研究基于现实无线网络模拟聚合传输的通信和FL联合优化;我们首先从理论上量化模拟聚合对FL的影响的预期空气融合率的封闭式表达方式。根据分析结果,我们开发了一个用于准确实施FL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在空中遇到不可观测的参数时的实际设置,我们调整了工人选择和权力分配的共同优化,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型编程问题。模拟结果表明,为现实无线模拟频道制定的拟议解决方案超越了基准方法,并实现了理想案例的类似性表现,即FL在无噪音无线通道上实施。

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