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Online Client Selection for Asynchronous Federated Learning With Fairness Consideration

计算机科学 异步通信 Lyapunov优化 电信线路 杠杆(统计) 计算机网络 分布式计算 最优化问题 数学优化 人工智能 算法 数学 Lyapunov重新设计 李雅普诺夫指数 混乱的
作者
Hongbin Zhu,Yong Zhou,Hua Qian,Yuanming Shi,Xu Chen,Yang Yang
出处
期刊:IEEE Transactions on Wireless Communications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22 (4): 2493-2506 被引量:53
标识
DOI:10.1109/twc.2022.3211998
摘要

Federated learning (FL) leverages the private data and computing power of multiple clients to collaboratively train a global model. Many existing FL algorithms over wireless networks adopting synchronous model aggregation suffer from the straggler issue, due to the heterogeneity of local computing power and channel conditions. To address this issue, we in this paper advocate an asynchronous FL framework with adaptive client selection for training latency minimization, taking into account the client availability and long-term fairness. We consider a practical scenario, where the channel conditions and the locally available computing power are not known in prior. This makes the client selection problem challenging, as the training latency consists of the uplink/downlink transmission time and the local training time. To this end, we tackle the asynchronous client selection problem in an online manner by converting the latency minimization problem into a multi-armed bandit problem, and leverage the upper confidence bound policy and virtual queue technique in Lyapunov optimization to solve the problem. We theoretically show that the proposed algorithm achieves sub-linear regret performance, ensures long-term fairness, and guarantees training convergence. Results show that the proposed algorithm can reduce the training time by up to 50% when compared to the baseline algorithms.
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