Efficient collaboration between collaborative machine learning and wireless communication technology, forming a Federated Edge Learning (FEEL), has spawned a series of next-generation intelligent applications. However, due to the openness of network connections, the FEEL framework generally involves hundreds of remote devices (or clients), resulting in expensive communication costs, which is not friendly to resource-constrained FEEL. To address this issue, we propose a distributed approximate Newton-type algorithm with fast convergence speed to alleviate the problem of FEEL resource (in terms of communication resources) constraints. Specifically, the proposed algorithm is improved based on distributed L-BFGS algorithm and allows each client to approximate the high-cost Hessian matrix by computing the low-cost Fisher matrix in a distributed manner to find a "better" descent direction, thereby speeding up convergence. Second, we prove that the proposed algorithm has linear convergence in strongly convex and non-convex cases and analyze its computational and communication complexity. Similarly, due to the heterogeneity of the connected remote devices, FEEL faces the challenge of heterogeneous data and non-IID (Independent and Identically Distributed) data. To this end, we design a simple but elegant training scheme, namely FedOVA, to solve the heterogeneous statistical challenge brought by heterogeneous data. In this way, FedOVA first decomposes a multi-class classification problem into more straightforward binary classification problems and then combines their respective outputs using ensemble learning. In particular, the scheme can be well integrated with our communication efficient algorithm to serve FEEL. Numerical results verify the effectiveness and superiority of the proposed algorithm.


翻译:合作机器学习与无线通信技术之间高效合作,形成一个联邦边缘学习(FEEL),产生了一系列下一代智能应用程序;然而,由于网络连接的开放性,感觉框架一般涉及数百个远程设备(或客户),导致昂贵的通信成本,不利于资源紧张的感觉;为解决这一问题,我们建议采用分布式的近似牛顿型算法,以快速趋同速度减轻感觉资源(通信资源)的制约问题;具体地说,拟议的算法根据分布式L-BFGS算法加以改进,使每个客户都能够通过以分布式方式计算低成本的Fisher 矩阵来接近高成本的Hessian矩阵,以找到“更优”的下降方向,从而加速趋同。第二,我们证明拟议的算法在强烈的 convex和非cionx案例中具有线性趋同,并分析其计算和通信的复杂性。同样,由于相联的远程设备具有遗传性,感会面临混化数据和非IID(独立和同归属)的挑战,使低成本矩阵矩阵矩阵矩阵矩阵矩阵矩阵矩阵矩阵化矩阵化矩阵化矩阵化矩阵化的矩阵化模型化数据成为了我们最难解化的方法。

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