This paper presents an approximate wireless communication scheme for federated learning (FL) model aggregation in the uplink transmission. We consider a realistic channel that reveals bit errors during FL model exchange in wireless networks. Our study demonstrates that random bit errors during model transmission can significantly affect FL performance. To overcome this challenge, we propose an approximate communication scheme based on the mathematical and statistical proof that machine learning (ML) model gradients are bounded under certain constraints. This bound enables us to introduce a novel encoding scheme for float-to-binary representation of gradient values and their QAM constellation mapping. Besides, since FL gradients are error-resilient, the proposed scheme simply delivers gradients with errors when the channel quality is satisfactory, eliminating extensive error-correcting codes and/or retransmission. The direct benefits include less overhead and lower latency. The proposed scheme is well-suited for resource-constrained devices in wireless networks. Through simulations, we show that the proposed scheme is effective in reducing the impact of bit errors on FL performance and saves at least half the time than transmission with error correction and retransmission to achieve the same learning performance. In addition, we investigated the effectiveness of bit protection mechanisms in high-order modulation when gray coding is employed and found that this approach considerably enhances learning performance.


翻译:近似无线通信用于联邦学习的研究。本文提出了一种用于联邦学习模型聚合的近似无线通信方案。我们考虑一种现实中的通信信道,在无线网络中,模型交换过程中会出现比特错误。研究表明,在模型传输过程中的随机比特错误可以显著影响联邦学习的性能。为了克服这个挑战,我们提出了一种基于数学和统计证明的机器学习模型梯度的边界的近似通信方案。这个边界使我们能够引入一个新的编码方法,将梯度值从浮点数编码成二进制数并进行QAM星座图映射。此外,由于联邦学习梯度具有容错性,当信道质量良好时,所提出的方案只是在带误差的情况下传递梯度,从而消除繁琐的纠错码和/或重传。这直接带来的好处包括开销更小、延迟更低。该方案适用于无线网络中的资源受限设备。通过模拟,我们展示了所提出的方案在减少比特错误对联邦学习性能的影响方面是有效的,并且在达到相同学习性能的情况下可以节省至少一半的时间,同时我们还研究了灰度编码在高阶调制中的比特保护机制的有效性,并发现这种方法能够显著提高学习性能。

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