当上行链路和下行链路通信都有错误时联合学习（FL）工作吗？通信噪音可以处理多少，其对学习性能的影响是什么？这项工作致力于通过明确地纳入流水线中的上行链路和下行链路嘈杂的信道来回答这些实际重要的问题。我们在同时上行链路和下行链路嘈杂通信通道上提供了多种新的融合分析，其包括完整和部分客户端参与，直接模型和模型差分传输，以及非独立和相同分布的（IID）本地数据集。这些分析表征了嘈杂通道的流动条件，使其具有与无通信错误的理想情况相同的融合行为。更具体地，为了保持FEDAVG的O（1 / T）具有完美通信的O（1 / T）收敛速率，应控制用于直接模型传输的上行链路和下行链路信噪比（SNR），使得它们被缩放为O（t ^ 2）其中T是通信轮的索引，但可以保持常量的模型差分传输。这些理论结果的关键洞察力是“雷达下的飞行”原则 - 随机梯度下降（SGD）是一个固有的噪声过程，并且可以容忍上行链路/下行链路通信噪声，只要它们不占据时变的SGD噪声即可。我们举例说明了具有两种广泛采用的通信技术 - 传输功率控制和多样性组合的这些理论发现 - 并通过使用多个真实世界流动任务的广泛数值实验进一步通过标准方法验证它们的性能优势。

联合学习（FL）能够通过定期聚合培训的本地参数来在多个边缘用户执行大的分布式机器学习任务。为了解决在无线迷雾云系统上实现支持的关键挑战（例如，非IID数据，用户异质性），我们首先基于联合平均（称为FedFog）的高效流行算法来执行梯度参数的本地聚合在云端的FOG服务器和全球培训更新。接下来，我们通过调查新的网络知识的流动系统，在无线雾云系统中雇用FEDFog，这促使了全局损失和完成时间之间的平衡。然后开发了一种迭代算法以获得系统性能的精确测量，这有助于设计有效的停止标准以输出适当数量的全局轮次。为了缓解级体效果，我们提出了一种灵活的用户聚合策略，可以先培训快速用户在允许慢速用户加入全局培训更新之前获得一定程度的准确性。提供了使用若干现实世界流行任务的广泛数值结果来验证FEDFOG的理论融合。我们还表明，拟议的FL和通信的共同设计对于在实现学习模型的可比准确性的同时，基本上提高资源利用是必要的。

联合学习（FL）使移动设备能够在保留本地数据的同时协作学习共享的预测模型。但是，实际上在移动设备上部署FL存在两个主要的研究挑战：（i）频繁的无线梯度更新v.s.频谱资源有限，以及（ii）培训期间渴望的FL通信和本地计算V.S.电池约束的移动设备。为了应对这些挑战，在本文中，我们提出了一种新型的多位空天空计算（MAIRCOMP）方法，用于FL中本地模型更新的频谱有效聚合，并进一步介绍用于移动的能源有效的FL设计设备。具体而言，高精度数字调制方案是在MAIRCOMP中设计和合并的，允许移动设备同时在多访问通道中同时在所选位置上传模型更新。此外，我们理论上分析了FL算法的收敛性。在FL收敛分析的指导下，我们制定了联合传输概率和局部计算控制优化，旨在最大程度地减少FL移动设备的总体能源消耗（即迭代局部计算 +多轮通信）。广泛的仿真结果表明，我们提出的方案在频谱利用率，能源效率和学习准确性方面优于现有计划。

Privacy, security, and bandwidth constraints have led to federated learning (FL) in wireless systems, where training a machine learning (ML) model is accomplished collaboratively without sharing raw data. Often, such collaborative FL strategies necessitate model aggregation at a server. On the other hand, decentralized FL necessitates that participating clients reach a consensus ML model by exchanging parameter updates. In this work, we propose the over-the-air clustered wireless FL (CWFL) strategy, which eliminates the need for a strong central server and yet achieves an accuracy similar to the server-based strategy while using fewer channel uses as compared to decentralized FL. We theoretically show that the convergence rate of CWFL per cluster is O(1/T) while mitigating the impact of noise. Using the MNIST and CIFAR datasets, we demonstrate the accuracy performance of CWFL for the different number of clusters across communication rounds.

联合学习（FL）是一个分布式的机器学习框架，可以减轻数据孤岛，在该筒仓中，分散的客户在不共享其私人数据的情况下协作学习全球模型。但是，客户的非独立且相同分布的（非IID）数据对训练有素的模型产生了负面影响，并且具有不同本地更新的客户可能会在每个通信回合中对本地梯度造成巨大差距。在本文中，我们提出了一种联合矢量平均（FedVeca）方法来解决上述非IID数据问题。具体而言，我们为与本地梯度相关的全球模型设定了一个新的目标。局部梯度定义为具有步长和方向的双向向量，其中步长为局部更新的数量，并且根据我们的定义将方向分为正和负。在FedVeca中，方向受步尺的影响，因此我们平均双向向量，以降低不同步骤尺寸的效果。然后，我们理论上分析了步骤大小与全球目标之间的关系，并在每个通信循环的步骤大小上获得上限。基于上限，我们为服务器和客户端设计了一种算法，以自适应调整使目标接近最佳的步骤大小。最后，我们通过构建原型系统对不同数据集，模型和场景进行实验，实验结果证明了FedVeca方法的有效性和效率。

通过增加无线设备的计算能力，以及用户和设备生成的数据的前所未有的级别，已经出现了新的分布式机器学习（ML）方法。在无线社区中，由于其通信效率及其处理非IID数据问题的能力，联邦学习（FL）特别有趣。可以通过称为空中计算（AIRCOMP）的无线通信方法加速FL训练，其利用同时上行链路传输的干扰以有效地聚合模型更新。但是，由于Aircomp利用模拟通信，因此它引入了不可避免的估计错误。在本文中，我们研究了这种估计误差对FL的收敛性的影响，并提出了一种改进资源受限无线网络的方法的转移。首先，我们通过静态通道重新传输获得最佳Aircomp电源控制方案。然后，我们调查了传递的空中流体的性能，并在流失函数上找到两个上限。最后，我们提出了一种选择最佳重传的启发式，可以在训练ML模型之前计算。数值结果表明，引入重传可能导致ML性能提高，而不会在通信或计算方面产生额外的成本。此外，我们为我们的启发式提供了模拟结果，表明它可以正确地确定不同无线网络设置和机器学习问题的最佳重传次数。

Cell-free massive MIMO is emerging as a promising technology for future wireless communication systems, which is expected to offer uniform coverage and high spectral efficiency compared to classical cellular systems. We study in this paper how cell-free massive MIMO can support federated edge learning. Taking advantage of the additive nature of the wireless multiple access channel, over-the-air computation is exploited, where the clients send their local updates simultaneously over the same communication resource. This approach, known as over-the-air federated learning (OTA-FL), is proven to alleviate the communication overhead of federated learning over wireless networks. Considering channel correlation and only imperfect channel state information available at the central server, we propose a practical implementation of OTA-FL over cell-free massive MIMO. The convergence of the proposed implementation is studied analytically and experimentally, confirming the benefits of cell-free massive MIMO for OTA-FL.

随着数据生成越来越多地在没有连接连接的设备上进行，因此与机器学习（ML）相关的流量将在无线网络中无处不在。许多研究表明，传统的无线协议高效或不可持续以支持ML，这创造了对新的无线通信方法的需求。在这项调查中，我们对最先进的无线方法进行了详尽的审查，这些方法是专门设计用于支持分布式数据集的ML服务的。当前，文献中有两个明确的主题，模拟的无线计算和针对ML优化的数字无线电资源管理。这项调查对这些方法进行了全面的介绍，回顾了最重要的作品，突出了开放问题并讨论了应用程序方案。

In federated optimization, heterogeneity in the clients' local datasets and computation speeds results in large variations in the number of local updates performed by each client in each communication round. Naive weighted aggregation of such models causes objective inconsistency, that is, the global model converges to a stationary point of a mismatched objective function which can be arbitrarily different from the true objective. This paper provides a general framework to analyze the convergence of federated heterogeneous optimization algorithms. It subsumes previously proposed methods such as FedAvg and FedProx and provides the first principled understanding of the solution bias and the convergence slowdown due to objective inconsistency. Using insights from this analysis, we propose Fed-Nova, a normalized averaging method that eliminates objective inconsistency while preserving fast error convergence.

Federated Learning (FL) is a collaborative machine learning (ML) framework that combines on-device training and server-based aggregation to train a common ML model among distributed agents. In this work, we propose an asynchronous FL design with periodic aggregation to tackle the straggler issue in FL systems. Considering limited wireless communication resources, we investigate the effect of different scheduling policies and aggregation designs on the convergence performance. Driven by the importance of reducing the bias and variance of the aggregated model updates, we propose a scheduling policy that jointly considers the channel quality and training data representation of user devices. The effectiveness of our channel-aware data-importance-based scheduling policy, compared with state-of-the-art methods proposed for synchronous FL, is validated through simulations. Moreover, we show that an "age-aware" aggregation weighting design can significantly improve the learning performance in an asynchronous FL setting.

个性化联合学习（PFL）是一种新的联邦学习（FL）方法，可解决分布式用户设备（UES）生成的数据集的异质性问题。但是，大多数现有的PFL实现都依赖于同步培训来确保良好的收敛性能，这可能会导致严重的散乱问题，在这种情况下，训练时间大量延长了最慢的UE。为了解决这个问题，我们提出了一种半同步PFL算法，被称为半同步个性化的FederatedAveraging（Perfeds $^2 $），而不是移动边缘网络。通过共同优化无线带宽分配和UE调度策略，它不仅减轻了Straggler问题，而且还提供了收敛的培训损失保证。我们根据每回合的参与者数量和回合数量来得出Perfeds2收敛速率的上限。在此基础上，可以使用分析解决方案解决带宽分配问题，并且可以通过贪婪算法获得UE调度策略。实验结果与同步和异步PFL算法相比，验证了Perfeds2在节省训练时间和保证训练损失的收敛方面的有效性。

As a novel distributed learning paradigm, federated learning (FL) faces serious challenges in dealing with massive clients with heterogeneous data distribution and computation and communication resources. Various client-variance-reduction schemes and client sampling strategies have been respectively introduced to improve the robustness of FL. Among others, primal-dual algorithms such as the alternating direction of method multipliers (ADMM) have been found being resilient to data distribution and outperform most of the primal-only FL algorithms. However, the reason behind remains a mystery still. In this paper, we firstly reveal the fact that the federated ADMM is essentially a client-variance-reduced algorithm. While this explains the inherent robustness of federated ADMM, the vanilla version of it lacks the ability to be adaptive to the degree of client heterogeneity. Besides, the global model at the server under client sampling is biased which slows down the practical convergence. To go beyond ADMM, we propose a novel primal-dual FL algorithm, termed FedVRA, that allows one to adaptively control the variance-reduction level and biasness of the global model. In addition, FedVRA unifies several representative FL algorithms in the sense that they are either special instances of FedVRA or are close to it. Extensions of FedVRA to semi/un-supervised learning are also presented. Experiments based on (semi-)supervised image classification tasks demonstrate superiority of FedVRA over the existing schemes in learning scenarios with massive heterogeneous clients and client sampling.

联合学习（FL）是一个新的分布式机器学习框架，可以在不收集用户的私人数据的情况下获得可靠的协作培训。但是，由于FL的频繁沟通和平均聚合策略，他们会遇到挑战统计多样性数据和大规模模型。在本文中，我们提出了一个个性化的FL框架，称为基于Tensor分解的个性化联合学习（TDPFED），在该框架中，我们设计了一种具有张力的线性层和卷积层的新颖的张力局部模型，以降低交流成本。 TDPFED使用双级损失函数来通过控制个性化模型和张力的本地模型之间的差距来使全球模型学习的个性化模型优化。此外，有效的分布式学习策略和两种不同的模型聚合策略是为拟议的TDPFED框架设计的。理论融合分析和彻底的实验表明，我们提出的TDPFED框架在降低交流成本的同时实现了最新的性能。

联合学习（FL）算法通常在每个圆数（部分参与）大并且服务器的通信带宽有限时对每个轮子（部分参与）进行分数。近期对FL的收敛分析的作品专注于无偏见的客户采样，例如，随机均匀地采样，由于高度的系统异质性和统计异质性而均匀地采样。本文旨在设计一种自适应客户采样算法，可以解决系统和统计异质性，以最小化壁时钟收敛时间。我们获得了具有任意客户端采样概率的流动算法的新的遗传融合。基于界限，我们分析了建立了总学习时间和采样概率之间的关系，这导致了用于训练时间最小化的非凸优化问题。我们设计一种高效的算法来学习收敛绑定中未知参数，并开发低复杂性算法以大致解决非凸面问题。硬件原型和仿真的实验结果表明，与几个基线采样方案相比，我们所提出的采样方案显着降低了收敛时间。值得注意的是，我们的硬件原型的方案比均匀的采样基线花费73％，以达到相同的目标损失。

我们提出了一种用于分布式培训神经网络模型的新型联合学习方法，其中服务器在每轮中随机选择的设备的子集之间编制协作。我们主要从通信角度查看联合学习问题，并允许更多设备级别计算来节省传输成本。我们指出了一个基本的困境，因为当地 - 设备水平的最低实证损失与全球经验损失的最小值不一致。与最近的事先有关的不同，尝试无所作用的最小化或利用用于并行化梯度计算的设备，我们为每轮的每个设备提出动态规范器，以便在极限中，全局和设备解决方案对齐。我们通过实证结果对真实的和合成数据以及我们的方案在凸和非凸面设置中导致有效培训的分析结果，同时对设备异质性完全不可知，以及大量设备，部分参与和不平衡的数据。

我们检查了通过直播（OTA）聚合的联合学习（FL），移动用户（MUS）旨在借助聚合本地梯度的参数服务器（PS）在全球模型上达成共识。在OTA FL中，MUS在每个训练回合中使用本地数据训练他们的模型，并以未编码的方式使用相同的频带同时传输其梯度。根据超级梯度的接收信号，PS执行全局模型更新。尽管OTA FL的通信成本显着降低，但它容易受到不利的通道影响和噪声的影响。在接收器侧采用多个天线可以减少这些效果，但是对于远离PS的用户来说，路径损失仍然是一个限制因素。为了改善此问题，在本文中，我们提出了一种基于无线的层次FL方案，该方案使用中间服务器（ISS）在MUS更密集的区域形成簇。我们的计划利用OTA群集聚合与MUS与其相应的IS进行交流，而OTA全球聚合从ISS到PS。我们提出了针对所提出算法的收敛分析，并通过对使用ISS的衍生分析表达式和实验结果的数值评估显示，与单独使用较少的传输功率相比，利用ISS的结果比单独的OTA FL具有更快的收敛性和更好的性能。我们还使用不同数量的群集迭代以及不同数据集和数据分布来验证性能的结果。我们得出的结论是，群集聚集的最佳选择取决于MUS和集群之间的数据分布。

Federated learning (FL) is a decentralized and privacy-preserving machine learning technique in which a group of clients collaborate with a server to learn a global model without sharing clients' data. One challenge associated with FL is statistical diversity among clients, which restricts the global model from delivering good performance on each client's task. To address this, we propose an algorithm for personalized FL (pFedMe) using Moreau envelopes as clients' regularized loss functions, which help decouple personalized model optimization from the global model learning in a bi-level problem stylized for personalized FL. Theoretically, we show that pFedMe's convergence rate is state-of-the-art: achieving quadratic speedup for strongly convex and sublinear speedup of order 2/3 for smooth nonconvex objectives. Experimentally, we verify that pFedMe excels at empirical performance compared with the vanilla FedAvg and Per-FedAvg, a meta-learning based personalized FL algorithm.

联合学习（FL）最近被揭示为有希望的技术，以便在网络边缘启用人工智能（AI），其中分布式移动设备在边缘服务器的协调下协同培训共享AI模型。为了显着提高FL的通信效率，通过利用无线多接入信道的叠加特性，遍布空中计算允许大量的移动设备通过利用无线多接入信道的叠加特性同时上传其本地模型。由于无线信道衰落，边缘服务器的模型聚合误差由所有设备中最弱的通道主导，导致严重的孤立问题。在本文中，我们提出了一种继电器协助的合作液计划，以有效地解决了斯塔格勒问题。特别是，我们部署了多个半双工继电器以协同协作在将本地模型更新上载到边缘服务器时的设备。空中计算的性质构成了与传统继电器通信系统中不同的系统目标和约束。此外，设计变量之间的强耦合使得这种系统具有挑战性的优化。为了解决问题，我们提出了一种基于交替优化的算法来优化收发器和中继操作，具有低复杂度。然后，我们在单个中继盒中分析模型聚合误差，并显示我们的继电器辅助方案实现比没有继电器的中继的误差较小的误差。该分析提供了对协同媒体实施中的继电器部署的关键见解。广泛的数值结果表明，与最先进的方案相比，我们的设计达到了更快的融合。

有限的通信资源，例如带宽和能源以及设备之间的数据异质性是联合学习的两个主要瓶颈（FL）。为了应对这些挑战，我们首先使用部分模型聚合（PMA）设计了一个新颖的FL框架，该框架仅汇总负责特征提取的神经网络的下层，而与复杂模式识别相对应的上层仍保留在个性化设备上。提出的PMA-FL能够解决数据异质性并减少无线通道中的传输信息。然后，我们在非convex损耗函数设置下获得了框架的收敛结合。借助此界限，我们定义了一个新的目标函数，名为“计划数据样本量”，以将原始的不明智优化问题转移到可用于设备调度，带宽分配，计算和通信时间分配的可拖动问题中。我们的分析表明，当PMA-FL的沟通和计算部分具有相同的功率时，可以实现最佳时段。我们还开发了一种二级方法来解决最佳带宽分配策略，并使用SET扩展算法来解决最佳设备调度。与最先进的基准测试相比，提议的PMA-FL在两个典型的异质数据集（即Minist和CIFAR-10）上提高了2.72％和11.6％的精度。此外，提出的联合动态设备调度和资源优化方法的精度比考虑的基准略高，但它们提供了令人满意的能量和时间缩短：MNIST的29％能量或20％的时间缩短； CIFAR-10的能量和25％的能量或12.5％的时间缩短。

最近，基于区块链的联合学习（BFL）引起了密集的研究关注，因为培训过程是可审核的，并且该体系结构无助于避免了Vanilla Federated学习（VFL）中参数服务器的单点故障。然而，BFL大大升级了通信流量量，因为BFL客户端获得的所有本地模型更新（即，模型参数的更改）都将转移给所有矿工进行验证以及所有客户端以进行聚合。相比之下，参数服务器和VFL中的客户端仅保留汇总模型更新。因此，BFL的巨大沟通流量将不可避免地损害培训效率，并阻碍BFL现实的部署。为了提高BFL的实用性，我们是第一个通过压缩BFL中的通信（称为BCFL）来提出基于快速区块链的联合学习框架的人之一。同时，我们得出了BCFL的收敛速率，而非凸损失损失。为了最大化最终模型的准确性，我们进一步提出问题，以最大程度地减少收敛率的训练损失，而相对于压缩率和块生成速率的训练时间有限，这是BI-CONVEX优化问题，可以是有效解决。最后，为了证明BCFL的效率，我们对标准CIFAR-10和女权主义数据集进行了广泛的实验。我们的实验结果不仅验证了我们的分析的正确性，而且还表明BCFL可以显着将通信流量降低95-98％，或者与BFL相比，训练时间缩短了90-95％。