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邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊鏈賦能的異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法

黃曉舸 鄧雪松 陳前斌 張杰

黃曉舸, 鄧雪松, 陳前斌, 張杰. 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊鏈賦能的異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(1): 195-203. doi: 10.11999/JEIT221517
引用本文: 黃曉舸, 鄧雪松, 陳前斌, 張杰. 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊鏈賦能的異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2024, 46(1): 195-203. doi: 10.11999/JEIT221517
HUANG Xiaoge, DENG Xuesong, CHEN Qianbin, ZHANG Jie. Asynchronous Federated Learning via Blockchain in Edge Computing Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(1): 195-203. doi: 10.11999/JEIT221517
Citation: HUANG Xiaoge, DENG Xuesong, CHEN Qianbin, ZHANG Jie. Asynchronous Federated Learning via Blockchain in Edge Computing Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(1): 195-203. doi: 10.11999/JEIT221517

邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中區(qū)塊鏈賦能的異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法

doi: 10.11999/JEIT221517
基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61831002),重慶市科委重慶市基礎(chǔ)研究與前沿探索項(xiàng)目(cstc2018jcyjAx0383)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    黃曉舸:女,教授,博士,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、區(qū)塊鏈、聯(lián)邦學(xué)習(xí)、資源分配相關(guān)技術(shù)

    鄧雪松:男,碩士生,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)

    陳前斌:男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樾乱淮苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、未來網(wǎng)絡(luò)、LTE-Advanced異構(gòu)小蜂窩網(wǎng)絡(luò)

    張杰:男,教授,博士,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、IoT等

    通訊作者:

    黃曉舸 huangxg@cqupt.edu.cn

  • 中圖分類號: TN92

Asynchronous Federated Learning via Blockchain in Edge Computing Networks

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61831002), Innovation Project of the Common Key Technology of Chongqing Science and Technology Industry (cstc2018jcyjAx0383)
  • 摘要: 由于數(shù)據(jù)量激增而引起的信息爆炸使得傳統(tǒng)集中式云計(jì)算不堪重負(fù),邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)(ECN)被提出以減輕云服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。此外,在ECN中啟用聯(lián)邦學(xué)習(xí)(FL),可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地化處理,從而有效解決協(xié)同學(xué)習(xí)中邊緣節(jié)點(diǎn)(ENs)的數(shù)據(jù)安全問題。然而在傳統(tǒng)FL架構(gòu)中,中央服務(wù)器容易受到單點(diǎn)攻擊,導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,甚至任務(wù)失敗。本文在ECN場景下,提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的異步FL算法(AFLChain),該算法基于ENs算力動(dòng)態(tài)分配訓(xùn)練任務(wù),以提高學(xué)習(xí)效率。此外,基于ENs算力、模型訓(xùn)練進(jìn)度以及歷史信譽(yù)值,引入熵權(quán)信譽(yù)機(jī)制評估ENs積極性并對其分級,淘汰低質(zhì)EN以進(jìn)一步提高AFLChain的性能。最后,提出基于次梯度的最優(yōu)資源分配(SORA)算法,通過聯(lián)合優(yōu)化傳輸功率和計(jì)算資源分配以最小化整體網(wǎng)絡(luò)延遲。仿真結(jié)果展示了AFLChain的模型訓(xùn)練效率以及SORA算法的收斂情況,證明了所提算法的有效性。
  • 圖  1  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    圖  2  一個(gè)epoch的工作流程

    圖  3  異步FL概述

    ① SN下載全局模型;② SNs本地訓(xùn)練;③ SNs獲取下一動(dòng)作;④ 領(lǐng)導(dǎo)者收集SNs模型并上傳至區(qū)塊鏈;⑤⑥ PN下載SNs模型進(jìn)行聚合;⑦ PN上傳全局模型至區(qū)塊鏈

    圖  4  不同算法準(zhǔn)確率與全局epoch的關(guān)系

    圖  5  不同F(xiàn)L算法在不同數(shù)據(jù)集上的性能表現(xiàn)

    圖  6  AFLChain在不同SN數(shù)量下的性能表現(xiàn)

    圖  7  AFLChain在不同算力比時(shí)的性能表現(xiàn)

    圖  8  AFLChain在不同掉隊(duì)者比例下的性能表現(xiàn)

    圖  9  不同算法在不同場景下的時(shí)間開銷

    圖  10  SNs信譽(yù)值的變化

    圖  11  不同信譽(yù)機(jī)制對準(zhǔn)確率的影響

    圖  12  SORA算法在不同最大算力時(shí)約束的收斂情況

    圖  13  不同資源分配算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對比

    算法1 狀態(tài)數(shù)據(jù)庫決策流程
     輸入:SN $k$狀態(tài)信息,狀態(tài)表
        ${[(k,{h_\kappa },{r_\kappa },T_\kappa ^{{\text{cmp}}},T_k^{{\text{qry}}},{T_\kappa },{a_\kappa })]_{\forall k \in [1,K]}}$
     輸出:下一動(dòng)作${a_k}$
      更新狀態(tài)表中SN $k$的狀態(tài)信息
      通過式(8)找到最低算力SN
      情況1:SN $k$剛進(jìn)入一輪本地訓(xùn)練,或SN $\xi $還未完成訓(xùn)練。
       if ${r_k} = 1$ or ${h_k} > {h_\xi }$
        ${r_k} \leftarrow {r_k} + 1$
         返回${a_k} = 1$
        end if
      ${ {{t} }_c}{\text{ = CurrentTime} }$
     情況2:SN $\xi $已完成訓(xùn)練,或剩余等待時(shí)間不夠完成一輪訓(xùn)練。
      if $k = \xi $ or ${a_\xi } = 0$ or 式(10)不成立
       更新狀態(tài)表動(dòng)作信息
       返回${a_k} = 0$
      end if
     情況3:剩余等待時(shí)間足以SN $k$完成一輪本地訓(xùn)練。
       ${r_k} \leftarrow {r_k} + 1$
      返回${a_k} = 1$
    下載: 導(dǎo)出CSV
    算法2 基于次梯度的最優(yōu)資源分配算法(SORA)
     輸入:拉格朗日乘子更新步長$ ({\epsilon}_{1},{\epsilon}_{2}) $,拉格朗日乘子初始值
        $(\pi _1^0,\pi _2^0)$,最大容忍閾值$ {\epsilon}_{3} $,$t = 0$,迭代因子上限${t_{\max }}$
     輸出:最優(yōu)資源分配$(f{_k^{ {\text{cmp} }* } },f{_k^{b*}},{p_k}^*)$
      while $t < {t_{\max }}$ do
       由式(36)和式(42) 分別得到$f{_k^{ {\text{cmp} }* }}$和$f{_k^{b*}}$
       由式(39)和式(40) 分別更新拉格朗日乘子${\pi _1}$和${\pi _2}$
       if $ \left|{\pi }_{1}^{t+1}-{\pi }_{1}^{t}\right| < {\epsilon}_{3} $ and $ \left|{\pi }_{2}^{t+1}-{\pi }_{2}^{t}\right| < {\epsilon}_{3} $
        break
       else
        $t = t + 1$
       end if
     end while
     由式(44)得到${p_k}^*$
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  1  仿真參數(shù)設(shè)置

    參數(shù)描述數(shù)值
    $K$SN個(gè)數(shù)30
    $H$epoch數(shù)量30
    $B$帶寬1 MHz
    $ {\delta _b} $塊大小8 MB
    $ {n_0} $噪聲功率–174 dBm/Hz
    $\lambda $全局學(xué)習(xí)率1
    $ \eta $本地學(xué)習(xí)率0.001
    $ b $數(shù)據(jù)抽樣大小32
    $ D $訓(xùn)練樣本大小3 MB
    $ {c_k} $SN $ k $完成訓(xùn)練所需頻率20 cycles/bit
    $ f_k^{\max } $SN $ k $最大算力0.2~1 GHz
    $ {p_k} $SN $ k $傳輸功率40 W
    ${\text{t} }{ {\text{h} }_{\rm{upper}}}$信譽(yù)值上分位點(diǎn)50
    ${\text{t} }{ {\text{h} }_{\rm{low}}}$信譽(yù)值下分位點(diǎn)18
    下載: 導(dǎo)出CSV
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  • 加載中
圖(13) / 表(3)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2022-12-06
  • 修回日期:  2023-05-17
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2023-05-24
  • 刊出日期:  2024-01-17

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