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Decentralized P2P Federated Learning for Privacy-Preserving and Resilient Mobile Robotic Systems

计算机科学 异步通信 分布式计算 弹性(材料科学) 人工智能 计算机安全 计算机网络 物理 热力学
作者
Xiaokang Zhou,Wei Liang,Kevin I‐Kai Wang,Zheng Yan,Laurence T. Yang,Wei Wei,Jianhua Ma,Qun Jin
出处
期刊:IEEE Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:30 (2): 82-89 被引量:107
标识
DOI:10.1109/mwc.004.2200381
摘要

Swarms of mobile robots are being widely applied for complex tasks in various practical scenarios toward modern smart industry. Federated learning (FL) has been developed as a promising privacy-preserving paradigm to tackle distributed machine learning tasks for mobile robotic systems in 5G and beyond networks. However, unstable wireless network conditions of the complex and harsh working environment may lead to poor communication quality and bring big challenges to traditional centralized global training in FL models. In this article, a Peer-to-Peer (P2P) based Privacy-Perceiving Asynchronous Federated Learning (PPAFL) framework is introduced to realize the decentralized model training for secure and resilient modern mobile robotic systems in 5G and beyond networks. Specifically, a reputation-aware coordination mechanism is designed and addressed to coordinate a group of smart devices dynamically into a virtual cluster, in which the asynchronous model aggregation is conducted in a decentralized P2P manner. A secret sharing based communication mechanism is developed to ensure an encrypted P2P FL process, while a Secure Stochastic Gradient Descent (SSGD) scheme is integrated with an Autoencoder and a Gaussian mechanism is developed to ensure an anonymized local model update, communicating within a few neighboring clients. The case study based experiment and evaluation in three different application scenarios demonstrate that the PPAFL can effectively improve the security and resilience issues compared with the traditional centralized approaches for smart mobile robotic applications in 5G and beyond networks.
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