Partial Synchronization to Accelerate Federated Learning Over Relay-Assisted Edge Networks

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作者
Zhihao Qu,Song Guo,Haozhao Wang,Baoliu Ye,Yi Wang,Albert Y. Zomaya,Bin Tang
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:21 (12): 4502-4516 被引量:26
标识
DOI:10.1109/tmc.2021.3083154
摘要

Federated Learning (FL) is a promising machine learning paradigm to cooperatively train a global model with highly distributed data located on mobile devices. Aiming to optimize the communication efficiency for gradient aggregation and model synchronization among large-scale devices, we propose a relay-assisted FL framework. By breaking the traditional transmission-order constraint and exploiting the broadcast characteristic of relay nodes, we design a novel synchronization scheme named Partial Synchronization Parallel (PSP), in which models and gradients are transmitted simultaneously and aggregated at relay nodes, resulting in traffic reduction. We prove that PSP has the same convergence rate as the sequential synchronization approaches via rigorous analysis. To further accelerate the training process, we integrate PSP with any unbiased and error-bounded compression technologies and prove that the convergence properties of the resulting scheme still hold. Extensive experiments are conducted in a distributed cluster environment with real-world datasets and the results demonstrate that our proposed approach reduces the training time up to 37 percent compared to state-of-the-art methods.
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