Blockchain-Empowered Federated Learning Through Model and Feature Calibration

计算机科学 分布式计算 联合学习 过程(计算) 人工智能 边缘计算 边缘设备 独立同分布随机变量 机器学习 GSM演进的增强数据速率 云计算 统计 数学 随机变量 操作系统
作者
Qianlong Wang,Weixian Liao,Yifan Guo,Michael P. McGuire,Wei Yu
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (4): 5770-5780 被引量:4
标识
DOI:10.1109/jiot.2023.3311967
摘要

With the proliferation of computationally powerful edge devices, edge computing has been widely adopted for wide-ranging computational tasks. Among these, edge artificial intelligence (AI) has become a new trend, allowing local devices to work cooperatively and build deep learning models. Federated learning is one of the representative frameworks in distributed machine learning paradigms. However, there are several major concerns with existing federated learning paradigms. Existing distributed frameworks rely on a central server to coordinate the computing process, where such a central node may raise security concerns. Federated learning also relies on several assumptions/requirements, e.g., independent and identically distributed (i.i.d.) data and model homogeneity. Since more and more edge devices are able to train lightweight models with local data, such models are normally heterogeneous. To tackle these challenges, in this paper, we develop a blockchain-empowered federated learning framework that enables learning in a fully decentralized manner while taking model heterogeneity and data heterogeneity into account. In particular, a federated learning framework with a heterogeneous calibration process, i.e., Model and Feature Calibration (FL-MFC), is developed to enable collaboration among heterogeneous models. We further design a two-level mining process using blockchain to enable the secure decentralized learning process. Experimental results show that our proposed system achieves effective learning performance under a fully heterogeneous environment.
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