Incentive Mechanism for Federated Learning With Random Client Selection

斯塔克伯格竞赛 计算机科学 子对策完全均衡 子对策 服务器 激励 过程(计算) 机构设计 博弈论 纳什均衡 分布式计算 最佳反应 计算机网络 数学优化 微观经济学 数学 经济 操作系统 ε平衡
作者
Hongyi Wu,Xiaoying Tang,Ying–Jun Angela Zhang,Lin Gao
出处
期刊:IEEE Transactions on Network Science and Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (2): 1922-1933 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tnse.2023.3334476
摘要

Federated learning (FL) is a distributed machine learning framework allowing edge devices (a.k.a clients) to participate in training while protecting their privacy. While much research in this field focuses on improving training performance and reducing communication costs, how to incentivize clients to participate in FL still remains a challenge. Most existing FL algorithms assume that clients voluntarily participate in the training process, which is unrealistic. This paper proposes an incentive mechanism for FL servers to motivate clients to contribute their data and computing power to local training. The mechanism consists of two steps. First, a subset of clients is selected randomly under an importance sampling scheme. Then, the interaction between the server and the subset of sampled clients is modeled as a Stackelberg game, where the server releases offers to the clients based on their potential contributions. The clients then decide how much data and computation to contribute. We prove that the client-level subgame of the Stackelberg game has a subgame equilibrium that can be written in a semi-closed form. We also propose an approximation algorithm for computing the subgame equilibrium of the server's level subgame. Our simulation results verify the analysis and demonstrate the effectiveness of the proposed mechanism.

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