联合学习产生了重大兴趣，几乎所有作品都集中在一个“星形”拓扑上，其中节点/设备每个都连接到中央服务器。我们远离此架构，并将其通过网络维度扩展到最终设备和服务器之间存在多个节点的情况。具体而言，我们开发多级混合联合学习（MH-FL），是层内模型学习的混合，将网络视为基于多层群集的结构。 MH-FL认为集群中的节点中的拓扑结构，包括通过设备到设备（D2D）通信形成的本地网络，并假设用于联合学习的半分散式架构。它以协作/协作方式（即，使用D2D交互）在不同网络层处的设备进行编程，以在模型参数上形成本地共识，并将其与树形层次层的层之间的多级参数中继相结合。我们相对于网络拓扑（例如，光谱半径）和学习算法的参数来得出MH-F1的收敛的大界限（例如，不同簇中的D2D圆数的数量）。我们在不同的集群中获得了一系列D2D轮的政策，以保证有限的最佳差距或收敛到全局最佳。然后，我们开发一个分布式控制算法，用于MH-FL在每个集群中调整每个集群的D2D轮，以满足特定的收敛标准。我们在现实世界数据集上的实验验证了我们的分析结果，并展示了MH-FL在资源利用率指标方面的优势。

Emerging technologies and applications including Internet of Things (IoT), social networking, and crowd-sourcing generate large amounts of data at the network edge. Machine learning models are often built from the collected data, to enable the detection, classification, and prediction of future events. Due to bandwidth, storage, and privacy concerns, it is often impractical to send all the data to a centralized location. In this paper, we consider the problem of learning model parameters from data distributed across multiple edge nodes, without sending raw data to a centralized place. Our focus is on a generic class of machine learning models that are trained using gradientdescent based approaches. We analyze the convergence bound of distributed gradient descent from a theoretical point of view, based on which we propose a control algorithm that determines the best trade-off between local update and global parameter aggregation to minimize the loss function under a given resource budget. The performance of the proposed algorithm is evaluated via extensive experiments with real datasets, both on a networked prototype system and in a larger-scale simulated environment. The experimentation results show that our proposed approach performs near to the optimum with various machine learning models and different data distributions.

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。

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。

在本文中，我们研究了多服务器边缘计算中基于区块链的联合学习（BFL）的新延迟优化问题。在此系统模型中，分布式移动设备（MDS）与一组Edge服务器（ESS）通信，以同时处理机器学习（ML）模型培训和阻止开采。为了协助ML模型培训用于资源受限的MD，我们制定了一种卸载策略，使MD可以将其数据传输到相关的ESS之一。然后，我们基于共识机制在边缘层上提出了一个新的分散的ML模型聚合解决方案，以通过基于对等（P2P）基于基于的区块链通信构建全局ML模型。区块链在MDS和ESS之间建立信任，以促进可靠的ML模型共享和合作共识形成，并能够快速消除由中毒攻击引起的操纵模型。我们将延迟感知的BFL作为优化，旨在通过联合考虑数据卸载决策，MDS的传输功率，MDS数据卸载，MDS的计算分配和哈希功率分配来最大程度地减少系统延迟。鉴于离散卸载和连续分配变量的混合作用空间，我们提出了一种具有参数化优势演员评论家算法的新型深度强化学习方案。从理论上讲，我们根据聚合延迟，迷你批量大小和P2P通信回合的数量来表征BFL的收敛属性。我们的数值评估证明了我们所提出的方案优于基线，从模型训练效率，收敛速度，系统潜伏期和对模型中毒攻击的鲁棒性方面。

联邦边缘学习（诱导）吸引了许多隐私范例的关注，以有效地纳入网络边缘的分布式数据来训练深度学习模型。然而，单个边缘服务器的有限覆盖范围导致参与者的客户节点数量不足，这可能会损害学习性能。在本文中，我们调查了一种新颖的感觉框架，即半分散的联邦边缘学习（SD-INES），其中采用多个边缘服务器集体协调大量客户端节点。通过利用边缘服务器之间的低延迟通信进行高效的模型共享，SD-Feels可以包含更多的培训数据，同时与传统联合学习相比享受更低的延迟。我们详细介绍了三个主要步骤的SD感觉的培训算法，包括本地模型更新，群集内部和群集间模型聚合。在非独立和相同分布的（非IID）数据上证明了该算法的收敛性，这也有助于揭示关键参数对培训效率的影响，并提供实用的设计指南。同时，边缘装置的异质性可能导致级体效应并降低SD感应的收敛速度。为了解决这个问题，我们提出了一种具有SD-Iave的稳定性舒长方案的异步训练算法，其中，还分析了收敛性能。模拟结果展示了所提出的SD感觉和证实我们分析的算法的有效性和效率。

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。

在本章中，我们将主要关注跨无线设备的协作培训。培训ML模型相当于解决优化问题，并且在过去几十年中已经开发了许多分布式优化算法。这些分布式ML算法提供数据局部性;也就是说，可以协同地培训联合模型，而每个参与设备的数据仍然是本地的数据。这个地址，一些延伸，隐私问题。它们还提供计算可扩展性，因为它们允许利用分布在许多边缘设备的计算资源。然而，在实践中，这不会直接导致整体学习速度的线性增益与设备的数量。这部分是由于通信瓶颈限制了整体计算速度。另外，无线设备在其计算能力中具有高度异构，并且它们的计算速度和通信速率都可能由于物理因素而高度变化。因此，考虑到时变通信网络的影响以及器件的异构和随机计算能力，必须仔细设计分布式学习算法，特别是在无线网络边缘实现的算法。

Federated Learning (FL) has become a key choice for distributed machine learning. Initially focused on centralized aggregation, recent works in FL have emphasized greater decentralization to adapt to the highly heterogeneous network edge. Among these, Hierarchical, Device-to-Device and Gossip Federated Learning (HFL, D2DFL \& GFL respectively) can be considered as foundational FL algorithms employing fundamental aggregation strategies. A number of FL algorithms were subsequently proposed employing multiple fundamental aggregation schemes jointly. Existing research, however, subjects the FL algorithms to varied conditions and gauges the performance of these algorithms mainly against Federated Averaging (FedAvg) only. This work consolidates the FL landscape and offers an objective analysis of the major FL algorithms through a comprehensive cross-evaluation for a wide range of operating conditions. In addition to the three foundational FL algorithms, this work also analyzes six derived algorithms. To enable a uniform assessment, a multi-FL framework named FLAGS: Federated Learning AlGorithms Simulation has been developed for rapid configuration of multiple FL algorithms. Our experiments indicate that fully decentralized FL algorithms achieve comparable accuracy under multiple operating conditions, including asynchronous aggregation and the presence of stragglers. Furthermore, decentralized FL can also operate in noisy environments and with a comparably higher local update rate. However, the impact of extremely skewed data distributions on decentralized FL is much more adverse than on centralized variants. The results indicate that it may not be necessary to restrict the devices to a single FL algorithm; rather, multi-FL nodes may operate with greater efficiency.

联邦元学习（FML）已成为应对当今边缘学习竞技场中的数据限制和异质性挑战的承诺范式。然而，其性能通常受到缓慢的收敛性和相应的低通信效率的限制。此外，由于可用的无线电频谱和物联网设备的能量容量通常不足，因此在在实际无线网络中部署FML时，控制资源分配和能量消耗是至关重要的。为了克服挑战，在本文中，我们严格地分析了每个设备对每轮全球损失减少的贡献，并使用非统一的设备选择方案开发FML算法（称为Nufm）以加速收敛。之后，我们制定了集成NuFM在多通道无线系统中的资源分配问题，共同提高收敛速率并最小化壁钟时间以及能量成本。通过逐步解构原始问题，我们设计了一个联合设备选择和资源分配策略，以解决理论保证问题。此外，我们表明Nufm的计算复杂性可以通过$ O（d ^ 2）$至$ o（d）$（使用模型维度$ d $）通过组合两个一阶近似技术来降低。广泛的仿真结果表明，与现有基线相比，所提出的方法的有效性和优越性。

This study investigates clustered federated learning (FL), one of the formulations of FL with non-i.i.d. data, where the devices are partitioned into clusters and each cluster optimally fits its data with a localized model. We propose a novel clustered FL framework, which applies a nonconvex penalty to pairwise differences of parameters. This framework can automatically identify clusters without a priori knowledge of the number of clusters and the set of devices in each cluster. To implement the proposed framework, we develop a novel clustered FL method called FPFC. Advancing from the standard ADMM, our method is implemented in parallel, updates only a subset of devices at each communication round, and allows each participating device to perform a variable amount of work. This greatly reduces the communication cost while simultaneously preserving privacy, making it practical for FL. We also propose a new warmup strategy for hyperparameter tuning under FL settings and consider the asynchronous variant of FPFC (asyncFPFC). Theoretically, we provide convergence guarantees of FPFC for general nonconvex losses and establish the statistical convergence rate under a linear model with squared loss. Our extensive experiments demonstrate the advantages of FPFC over existing methods.

联合学习（FL）是一个蓬勃发展的分布式机器学习框架，其中中心参数服务器（PS）协调许多本地用户以训练全局一致的模型。传统的联合学习不可避免地依赖于具有PS的集中拓扑。因此，一旦PS失败，它将瘫痪。为了缓解如此单点故障，特别是在PS上，一些现有的工作已经提供了CDSGD和D-PSGD等分散的FL（DFL）实现，以便于分散拓扑中的流体。然而，这些方法仍存在一些问题，例如，在CDSGD中的用户最终模型和D-PSGD中的网络范围的模型平均必需品之间存在一些问题。为了解决这些缺陷，本文设计了一种作为DACFL的新DFL实现，其中每个用户使用自己的训练数据列举其模型，并通过对称和双随机矩阵将中间模型与其邻居交换。 DACFL将每个用户本地培训的进度视为离散时间过程，并采用第一个订单动态平均共识（FODAC）方法来跟踪\ Texit {平均模型}在没有PS的情况下。在本文中，我们还提供了DACFL的理论收敛性分析，即在I.I.D数据的前提下，以加强其合理性。 Mnist，Fashion-Mnist和CiFar-10的实验结果验证了我们在几间不变性和时变网络拓扑中的解决方案的可行性，并在大多数情况下声明DACFL优于D-PSGD和CDSGD。

In recent years, mobile devices are equipped with increasingly advanced sensing and computing capabilities. Coupled with advancements in Deep Learning (DL), this opens up countless possibilities for meaningful applications, e.g., for medical purposes and in vehicular networks. Traditional cloudbased Machine Learning (ML) approaches require the data to be centralized in a cloud server or data center. However, this results in critical issues related to unacceptable latency and communication inefficiency. To this end, Mobile Edge Computing (MEC) has been proposed to bring intelligence closer to the edge, where data is produced. However, conventional enabling technologies for ML at mobile edge networks still require personal data to be shared with external parties, e.g., edge servers. Recently, in light of increasingly stringent data privacy legislations and growing privacy concerns, the concept of Federated Learning (FL) has been introduced. In FL, end devices use their local data to train an ML model required by the server. The end devices then send the model updates rather than raw data to the server for aggregation. FL can serve as an enabling technology in mobile edge networks since it enables the collaborative training of an ML model and also enables DL for mobile edge network optimization. However, in a large-scale and complex mobile edge network, heterogeneous devices with varying constraints are involved. This raises challenges of communication costs, resource allocation, and privacy and security in the implementation of FL at scale. In this survey, we begin with an introduction to the background and fundamentals of FL. Then, we highlight the aforementioned challenges of FL implementation and review existing solutions. Furthermore, we present the applications of FL for mobile edge network optimization. Finally, we discuss the important challenges and future research directions in FL.

本文建议使用通信管道来提高移动边缘计算应用程序中联合学习的无线频谱利用效率和收敛速度。由于无线子渠道有限，在联合学习算法的每次迭代中，总计客户端的一部分。另一方面，计划的客户等待最慢的客户端完成计算。我们建议首先根据客户在计算联合学习模型的本地梯度所需的时间将客户聚集。然后，我们安排了来自所有群集的客户的混合，以管道的方式发送其本地更新。这样，更多的客户可以参与每次迭代，而不仅仅是等待较慢的客户完成计算的速度。虽然单个迭代的持续时间没有改变，但提出的方法可以显着减少达到目标准确性所需的迭代次数。我们为在不同的设置下提供了最佳客户群聚类的通用公式，并在分析上得出了一种有效的算法来获得最佳解决方案。我们还提供了数值结果，以证明针对不同数据集和深度学习体系结构所提出的方法的收益。

联合学习（FL）是标准集中学习范式的最吸引人的替代方案之一，允许异质的设备集训练机器学习模型而无需共享其原始数据。但是，FL需要中央服务器来协调学习过程，从而引入潜在的可扩展性和安全性问题。在文献中，已经提出了诸如八卦联合学习（GFL）和支持区块链的联合学习（BFL）之类的无服务器的方法来减轻这些问题。在这项工作中，我们提出了这三种技术的完整概述，该技术根据整体性能指标进行比较，包括模型准确性，时间复杂性，交流开销，收敛时间和能源消耗。广泛的模拟活动允许进行定量分析。特别是，GFL能够节省18％的训练时间，68％的能源和51％的数据相对于CFL解决方案，但无法达到CFL的准确性水平。另一方面，BFL代表了一个可行的解决方案，用于以更高级别的安全性实施分散的学习，以额外的能源使用和数据共享为代价。最后，我们确定了两个分散的联合学习实施的开放问题，并就该新研究领域的潜在扩展和可能的研究方向提供见解。

The space-air-ground integrated network (SAGIN), one of the key technologies for next-generation mobile communication systems, can facilitate data transmission for users all over the world, especially in some remote areas where vast amounts of informative data are collected by Internet of remote things (IoRT) devices to support various data-driven artificial intelligence (AI) services. However, training AI models centrally with the assistance of SAGIN faces the challenges of highly constrained network topology, inefficient data transmission, and privacy issues. To tackle these challenges, we first propose a novel topology-aware federated learning framework for the SAGIN, namely Olive Branch Learning (OBL). Specifically, the IoRT devices in the ground layer leverage their private data to perform model training locally, while the air nodes in the air layer and the ring-structured low earth orbit (LEO) satellite constellation in the space layer are in charge of model aggregation (synchronization) at different scales.To further enhance communication efficiency and inference performance of OBL, an efficient Communication and Non-IID-aware Air node-Satellite Assignment (CNASA) algorithm is designed by taking the data class distribution of the air nodes as well as their geographic locations into account. Furthermore, we extend our OBL framework and CNASA algorithm to adapt to more complex multi-orbit satellite networks. We analyze the convergence of our OBL framework and conclude that the CNASA algorithm contributes to the fast convergence of the global model. Extensive experiments based on realistic datasets corroborate the superior performance of our algorithm over the benchmark policies.

本文通过匹配的追求方法开发了一类低复杂设备调度算法，以实现空中联合学习。提出的方案紧密跟踪了通过差异编程实现的接近最佳性能，并且基于凸松弛的众所周知的基准算法极大地超越了众所周知的基准算法。与最先进的方案相比，所提出的方案在系统上构成了较低的计算负载：对于$ k $设备和参数服务器上的$ n $ antennas，基准的复杂性用$ \ left缩放（n^）2 + k \ right）^3 + n^6 $，而提出的方案量表的复杂性则以$ 0 <p，q \ leq 2 $为$ k^p n^q $。通过CIFAR-10数据集上的数值实验证实了所提出的方案的效率。

In this work, we propose a communication-efficient two-layer federated learning algorithm for distributed setups including a core server and multiple edge servers with clusters of devices. Assuming different learning tasks, clusters with a same task collaborate. To implement the algorithm over wireless links, we propose a scalable clustered over-the-air aggregation scheme for the uplink with a bandwidth-limited broadcast scheme for the downlink that requires only two single resource blocks for each algorithm iteration, independent of the number of edge servers and devices. This setup is faced with interference of devices in the uplink and interference of edge servers in the downlink that are to be modeled rigorously. We first develop a spatial model for the setup by modeling devices as a Poisson cluster process over the edge servers and quantify uplink and downlink error terms due to the interference. Accordingly, we present a comprehensive mathematical approach to derive the convergence bound for the proposed algorithm including any number of collaborating clusters in the setup and provide important special cases and design remarks. Finally, we show that despite the interference in the proposed uplink and downlink schemes, the proposed algorithm achieves high learning accuracy for a variety of parameters.

联邦边缘学习（诱导）已成为一种有效的方法来减少基于云的机器学习解决方案的大型通信延迟，同时保留数据隐私。不幸的是，由于单边簇中的训练数据有限，感觉的学习性能可能会受到损害。在本文中，我们调查了一种新颖的感觉框架，即半分散的联邦边缘学习（SD-Inve）。通过允许不同边缘集群的模型聚合，SD-vee致力于减少培训延迟的感觉，同时通过访问来自多个边缘集群的更丰富的训练数据来提高学习性能。介绍了每轮三个主要过程的SD-ide的训练算法，包括本地模型更新，集群内部和群集间模型聚合，这被证明是在非独立和相同分布的（非IID）数据上收敛。我们还表征了边缘服务器的网络拓扑之间的相互作用以及在训练性能上群集间模型聚合的通信开销。实验结果证实了我们的分析，并展示了SD-FFEL在实现比传统联邦学习架构更快的收敛方面的有效性。此外，还提供了选择训练算法关键超参数的指导方针。

在本文中，我们设计，分析收敛属性并解决截然的实现方面。这是一个新颖的异步公平自适应联合学习框架，用于溪流的物联网应用环境，其特征是随时间变化的操作条件，异质资源限制的设备（即同事），非I.I.I.D。本地培训数据和不可靠的通信链接。 AFFED的关键新事物是：（i）同事和中央服务器的两组适应性调谐的公差阈值和公平系数； （ii）分布式自适应机制，使每个同事都可以自适应地调整自己的沟通速度。一组新的分析界限（可能）正式公布了对所得的AFFAD收敛率（例如，第一和第一和，首先，首先和）对产生的AFFAD收敛率的影响，从（可能）正式公布了一组新的分析范围，例如（fl），第一和连续模型更新，数据偏度，通信数据包损失概率以及用于模型聚合的（自适应调谐）混合系数的最大/最小值的连续模型更新，数据偏度，通信数据包损失概率以及最大/最小值的第二瞬间。