The optimal implementation of federated learning (FL) in practical edge computing systems has been an outstanding problem. In this paper, we propose an optimization-based quantized FL algorithm, which can appropriately fit a general edge computing system with uniform or nonuniform computing and communication resources at the workers. Specifically, we first present a new random quantization scheme and analyze its properties. Then, we propose a general quantized FL algorithm, namely GQFedWAvg. Specifically, GQFedWAvg applies the proposed quantization scheme to quantize wisely chosen model update-related vectors and adopts a generalized mini-batch stochastic gradient descent (SGD) method with the weighted average local model updates in global model aggregation. Besides, GQFedWAvg has several adjustable algorithm parameters to flexibly adapt to the computing and communication resources at the server and workers. We also analyze the convergence of GQFedWAvg. Next, we optimize the algorithm parameters of GQFedWAvg to minimize the convergence error under the time and energy constraints. We successfully tackle the challenging non-convex problem using general inner approximation (GIA) and multiple delicate tricks. Finally, we interpret GQFedWAvg's function principle and show its considerable gains over existing FL algorithms using numerical results.


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边缘计算(英语:Edge computing),又译为边缘计算,是一种分散式运算的架构,将应用程序、数据资料与服务的运算,由网络中心节点,移往网络逻辑上的边缘节点来处理[1]。边缘运算将原本完全由中心节点处理大型服务加以分解,切割成更小与更容易管理的部分,分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于用户终端装置,可以加快资料的处理与传送速度,减少延迟。在这种架构下,资料的分析与知识的产生,更接近于数据资料的来源,因此更适合处理大数据。
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