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Communication and Computation Efficient Federated Learning for Internet of Vehicles With a Constrained Latency

计算机科学 随机梯度下降算法 无线 延迟(音频) 收敛速度 梯度下降 互联网 计算机网络 分布式计算 频道(广播) 人工智能 电信 人工神经网络 万维网
作者
Shengli Liu,Guanding Yu,Rui Yin,Jiantao Yuan,Fengzhong Qu
出处
期刊:IEEE Transactions on Vehicular Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:73 (1): 1038-1052 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tvt.2023.3309088
摘要

Considering the privacy and security issues in Internet of Vehicles (IoV), wireless federated learning (FL) can be adopted to facilitate various emerging vehicular applications. However, wireless FL would suffer from a large learning latency due to the limitation of bandwidth and computing power as well as the unreliable communication caused by vehicle mobility. To cope with these challenges, a new structure is designed in this paper to facilitate the implementation of FL for IoV. First, we apply the gradient compression and mini-batch federated stochastic gradient descent to reduce the local gradient transmission and computation. Then, with theoretical analysis of the convergence rate and the learning latency, the learning performance can be improved by maximizing the convergence rate under a constrained latency. Accordingly, an optimization problem is formulated to jointly optimize compression ratio, batch size, and spectrum allocation. To solve this problem, an iterative algorithm is developed by problem decomposition. From the results, compression ratio and batch size should be adjusted according to the channel state information and computing power of the road side units to boost the learning efficiency at the cost of slight degradation on the learning accuracy. The superiority of the proposed algorithm is finally demonstrated through extensive simulations.

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