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Adaptive Resource Allocation for Blockchain-Based Federated Learning in Internet of Things

计算机科学 强化学习 块链 马尔可夫决策过程 分布式计算 块(置换群论) 资源配置 能源消耗 人工智能 计算机网络 计算机安全 马尔可夫过程 生物 统计 数学 生态学 几何学
作者
Jiaxiang Zhang,Yiming Liu,Xiaoqi Qin,Xiaodong Xu,Ping Zhang
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (12): 10621-10635 被引量:22
标识
DOI:10.1109/jiot.2023.3241318
摘要

The fast development of mobile communication and artificial intelligence (AI) technologies greatly promotes the prosperity of the Internet of Things (IoT), where various types of IoT devices can perform more intelligent tasks. Considering the privacy leakage and limited communication resources, federated learning (FL) has emerged to enable devices to collaboratively train AI models based on their local data without raw data exchanges. Nevertheless, it is still challenging for guaranteeing any FL models to be effective due to the sluggish willingness of IoT devices and the model poisoning attacks in the FL. To address these issues, in this article, we introduce blockchain technology and propose a blockchain-based FL framework for supporting a trustworthy and reliable FL paradigm in IoT. In the proposed framework, we design a committee-based participant selection mechanism that selects the aggregate node and local model updates dynamically to construct the global model. Moreover, considering the tradeoff between the energy consumption and the convergence rate of the FL model, we perform the channel allocation, block size adjustment, and block producer selection jointly. Since the remaining resources, handling transactions, and channel conditions are dynamically varying (i.e., stochastic environment), we formulate the problem as a Markov decision process (MDP) and adopt a deep reinforcement learning (DRL)-based algorithm to solve it. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed framework and show the superior performance of the DRL-based resource allocation algorithm compared with other baseline methods in terms of energy consumption.

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