去中心化联邦学习的分层策略与动态资源联合优化
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国家自然科学基金(62271264)


Hierarchical Strategy and Dynamic Resource Joint Optimization for Decentralized Federated Learning
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    摘要:

    针对去中心化联邦学习中因节点动态异构性及通信资源分配不合理导致的模型收敛效率低、通信开销大等问题, 本文提出一种基于深度强化学习的分层设备通信优化方案. 首先, 构建分层拓扑驱动的联邦学习框架, 底层设备通过Gossip协议实现局部模型聚合, 高层代表节点执行跨区域全局协同, 降低通信频率并缓解动态网络下的参数不一致问题. 其次, 设计基于深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient, DDPG)的动态资源联合优化算法, 通过联合调整节点协作策略与频谱资源分配, 自适应平衡通信成本与模型精度, 抑制设备间传输差异引起的全局模型偏移. 实验结果表明, 在MNIST和CIFAR-10数据集上, 所提方案相较于传统去中心化联邦学习方法, 模型预测精度平均提升2.61%, 通信能耗降低64.1%.

    Abstract:

    In view of the low convergence efficiency and high communication overhead caused by dynamic heterogeneity among nodes and unreasonable communication resources in decentralized federated learning (DFL), this study proposes a hierarchical device-to-device (D2D) communication optimization scheme based on deep reinforcement learning. First, a hierarchical topology-driven federated learning framework is constructed. Specifically, the bottom-layer devices achieve local model aggregation via the Gossip protocol, while the top-layer representative nodes perform cross-region global collaboration, thus reducing communication frequency and mitigating the parameter inconsistency under dynamic networks. Second, a dynamic resource joint optimization algorithm based on deep deterministic policy gradient (DDPG) is designed to jointly optimize node collaboration strategies and spectrum resource allocation, adaptively balancing communication costs and model accuracy while suppressing the global model displacement caused by transmission disparities among devices. Experimental results on the MNIST and CIFAR-10 datasets demonstrate that the proposed scheme improves average model prediction accuracy by 2.61% and reduces communication energy consumption by 64.1%, compared to traditional decentralized federated learning methods.

    参考文献
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引用本文

张昕,陈雨彤,金子龙.去中心化联邦学习的分层策略与动态资源联合优化.计算机系统应用,2025,34(11):30-41

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  • 收稿日期:2025-03-31
  • 最后修改日期:2025-05-07
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  • 在线发布日期: 2025-09-18
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