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Client Scheduling and Resource Management for Efficient Training in Heterogeneous IoT-Edge Federated Learning

计算机科学 标杆管理 软件部署 前提 调度(生产过程) 分布式计算 聚类分析 人工智能 数学优化 软件工程 数学 语言学 哲学 业务 营销
作者
Yangguang Cui,Kun Cao,Guitao Cao,Meikang Qiu,Tongquan Wei
出处
期刊:IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:41 (8): 2407-2420 被引量:62
标识
DOI:10.1109/tcad.2021.3110743
摘要

Federated learning (FL) offers a promising paradigm that empowers numerous Internet of Things (IoT) devices to implement distributed learning on the premise of ensuring user privacy and data security. However, since FL adopts a synchronous distributed training mode, the heterogeneity of participating IoT devices and limited communication resources make FL encounter serious issues of low training efficiency in actual deployment. In this article, we propose an excellent FL policy for the heterogeneous IoT-edge FL system to improve distributed training efficiency. Specifically, first, by borrowing the idea of clustering, we explore an iterative self-organizing data analysis techniques algorithm (ISODATA)-based heterogeneous-aware client scheduling strategy to alleviate the issue of low training efficiency incurred by the heterogeneity of clients. Subsequently, to tackle the challenge of limited communication resources in FL, we first analyze the characteristics of the optimal resource block allocation solution theoretically and then introduce a mixed-integer linear programming (MILP)-based strategy to judiciously allocate resource blocks for scheduled clients. Comprehensive experimental results demonstrate that, compared with benchmarking strategies, our proposed FL policy can achieve up to 55.22% accuracy improvement in a relaxed time scenario, and attain up to $3.62\times $ acceleration for reaching the specific expected accuracy.
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