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华中科技大学硕士学位论文
摘要
联邦学习(FederatedLearning)是下一代无线网络的热点研究方向:通过将模型
训练任务分布在多个边缘节点进行局部处理继而再予以聚合,可同时实现低时延、低
功耗以及数据隐私保护等诸多优点。然而,当边缘节点数较多时,从边缘节点到中心
节点的通信带宽就会成为系统的瓶颈。为了缓解这一问题,我们一方面可以增加中心
节点的天线数以利用信道的空间复用增益从而增加等效通信带宽(即总速率);另一
方面,我们也可以进一步利用无线信道的叠加特性来实现所谓的空中计算(over-the-
aircomputation)以降低对通信带宽的需求。此二种方案哪种更优、是否存在比它们
更优的方案目前尚是开放性问题。
为了回答上述问题,我们提出将联邦学习中的模型聚合过程建模成多用户信息
论中的CEO问题(CentralEstimationOfficer或ChiefExectuiveOfficer,即多个节点
向中心节点报告各自对某个信源的局部观测,最后由中心节点完成对信源的估计或
重建)。但与经典的CEO问题中边缘节点与中心节点的传输链路彼此正交不同,在
联邦学习的场景中,由于无线信道介质的开放性,不同边缘节点与中心节点的链路之
间是相互干扰的,这对应于信息论中的高斯MAC信道(GaussianMultipleAccess
Channel)。因此我们首先需要建立CEO问题在高斯MAC信道下的相应信息论(率
失真函数)结果,我们重点分析了信源信道分离编码以及模拟传输(或无编码传输,
即空中计算)这种特殊的联合编码方案所对应的率失真函数,并对二者的性能在不同
参数(包括节点数、天线数、信噪比、相关系数等)设置下进行了对比,得到了模拟
传输在节点数较多、天线数较少、信噪比不太高时相对占优、反之对方占优的结论。
这为实际系统设计中的参数选择以及优化提供了有效的指导。
为了进一步提高传输性能,我们提出将分离编码(即数字传输)方案与无编码
(即模拟传输)方案予以结合的混合数模(HybridDigital-Analog,HDA)传输方案,该
方案可兼顾数字传输与模拟传输二者的优点。基于该方案,我们给出了一种新颖的联
邦学习通信策略,仿真结果表明:对于CIFAR-10数据集上的分类任务,该策略与
I
华中科技大学硕士学位论文
传统的分离数字传输或模拟传输相比,能实现更高的精度,需要的通信开销更小,也
更加接近集中式处理的性能。
关键词:CEO问题;多址接入信道;编码策略;联邦学习
II
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
FederatedLearning(FL)isahotresearchdirectionofnextgenerationwirelessnetwork.
Bydistributingmodeltrainingtasksacrossmultipleedgenodesforlocalprocessingand
subsequentaggregation,FLcanachievemanyadvantagessuchaslowlatency,lowpower
consumption,anddataprivacyprotection.However,whentherearealargenumberofedge
nodes,thecommunicationbandwidthfromtheedgenodestothecentralnodebec
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