論文の概要: Digital Over-the-Air Federated Learning in Multi-Antenna Systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2302.14648v3
• Date: Thu, 25 Apr 2024 11:37:14 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-04-27 00:27:30.866728
• Title: Digital Over-the-Air Federated Learning in Multi-Antenna Systems
• Title（参考訳）: マルチアンテナシステムにおける電子オーバー・ザ・エア・フェデレーション学習
• Authors: Sihua Wang, Mingzhe Chen, Cong Shen, Changchuan Yin, Christopher G. Brinton,
• Abstract要約: デジタル変調とオーバー・ザ・エア計算(AirComp)を用いた現実的な無線通信システム上でのフェデレーション学習(FL)の性能最適化について検討する。 本稿では,デジタル変調とAirCompを組み合わせたFedAvg(FedAvg)アルゴリズムを提案する。 人工ニューラルネットワーク(ANN)は、すべてのデバイスの局所FLモデルを推定し、将来のモデル伝送のためにPSのビーム形成行列を調整するために使用される。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 30.137208705209627
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: In this paper, the performance optimization of federated learning (FL), when deployed over a realistic wireless multiple-input multiple-output (MIMO) communication system with digital modulation and over-the-air computation (AirComp) is studied. In particular, a MIMO system is considered in which edge devices transmit their local FL models (trained using their locally collected data) to a parameter server (PS) using beamforming to maximize the number of devices scheduled for transmission. The PS, acting as a central controller, generates a global FL model using the received local FL models and broadcasts it back to all devices. Due to the limited bandwidth in a wireless network, AirComp is adopted to enable efficient wireless data aggregation. However, fading of wireless channels can produce aggregate distortions in an AirComp-based FL scheme. To tackle this challenge, we propose a modified federated averaging (FedAvg) algorithm that combines digital modulation with AirComp to mitigate wireless fading while ensuring the communication efficiency. This is achieved by a joint transmit and receive beamforming design, which is formulated as an optimization problem to dynamically adjust the beamforming matrices based on current FL model parameters so as to minimize the transmitting error and ensure the FL performance. To achieve this goal, we first analytically characterize how the beamforming matrices affect the performance of the FedAvg in different iterations. Based on this relationship, an artificial neural network (ANN) is used to estimate the local FL models of all devices and adjust the beamforming matrices at the PS for future model transmission. The algorithmic advantages and improved performance of the proposed methodologies are demonstrated through extensive numerical experiments.
• Abstract（参考訳）: 本稿では,現実的な無線マルチインプット・マルチアウトプット(MIMO)通信システム上での連系学習(FL)の性能最適化について検討する。 特に、エッジデバイスが(ローカル収集データを用いて訓練された)ローカルFLモデルをビームフォーミングを用いてパラメータサーバ(PS)に送信し、送信予定デバイスの数を最大化するMIMOシステムを考える。 中央コントローラとして機能するPSは、受信したローカルFLモデルを使用してグローバルFLモデルを生成し、それを全デバイスにブロードキャストする。 無線ネットワークの帯域幅が限られているため、効率的な無線データアグリゲーションを実現するためにAirCompが採用されている。 しかし、無線チャネルのフェードはAirCompベースのFLスキームにおいて集約歪みを生じさせる。 この課題に対処するために,デジタル変調とAirCompを組み合わせたFedAvg(FedAvg)アルゴリズムを提案する。 これは、現在のFLモデルパラメータに基づいてビームフォーミング行列を動的に調整し、送信誤差を最小化し、FL性能を確保する最適化問題として定式化されたビームフォーミング設計により達成される。 この目的を達成するために、まずビームフォーミング行列が異なるイテレーションにおけるFedAvgの性能にどのように影響するかを解析的に特徴付ける。 この関係に基づいて、人工知能ニューラルネットワーク(ANN)を用いて、全デバイスの局所FLモデルを推定し、将来のモデル伝送のためにPSのビーム形成行列を調整する。 提案手法のアルゴリズム的優位性と改良性能は,広範囲な数値実験により実証された。

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