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面向无线的分布式学习的鲁棒性研究与模型优化

批准号:
62101134
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张静静
依托单位:
学科分类:
信息论
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张静静

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
面对大数据的冲击,集中式的模式已经无法保证处理速度。因此,无线网络节点不再只扮演转发的角色,而要同时具备计算、存储和智能化等数据处理功能。传统的集中式架构正在向分布式架构发展。针对无线网络中这种分布式的处理机制,本项目将对不同网络架构下系统的鲁棒性、性能、存储和计算资源等的损耗开展研究。1. 边缘计算:计算和存储能力由网络中心节点“下沉到”边缘节点。基于该架构,本项目进行以下两方面的研究:a)针对边缘节点计算能力的差异性,研究基于编码的效率提升机制,及其对节点在不同信道模式下的协作传输技术的影响;b)基于Map-Reduce的边边协同的分布式模式:研究慢节点的鲁棒性对抗技术,和在此基础上通信与计算资源等损耗的平衡问题。2. 面向无线的联邦学习:用户终端进行分布式训练并在中央服务器协调下更新模型。本项目将研究该框架下的通信开销问题和模型优化,尤其是当用户的本地数据集服从非独立同分布的情况。
英文摘要
Facing the impact of big data, the centralized model can no longer guarantee the processing speed. Therefore, wireless network nodes no longer only play the role of forwarding, but also have data processing functions such as computing, storage, and intelligence. The traditional centralized architecture is evolving to a distributed architecture. Aiming at this distributed processing mechanism in wireless networks, this project will conduct research on the robustness, performance, storage and computing resource loss of systems under different network architectures. 1. Edge computing: computing and storage capabilities are "sinked" from the network center node to the edge node. Based on this architecture, this project conducts the following two researches: a) Focusing on the differences of the computing capabilities of edge nodes, we will study the improvement mechanism of coding-based efficiency, and its impact on the cooperative transmission technology of nodes under different channel modes; b) MapReduce-based edge-edge collaborative distributed mode: we will study the robust countermeasure technology of stragglers, and on this basis, the problem of balancing the loss of communication and computing resources. 2. Wireless-oriented federated learning: the user terminals perform distributed training and update the model under the coordination of the central server. This project will study the communication overhead problem and model optimization under this framework, especially when the users’ local data sets are not independent and identically distributed.
在大数据、物联网和人工智能技术飞速发展的背景下,传统的集中式计算模式因中心节点计算能力和通信带宽的限制,已难以满足高效处理和实时响应的需求。与此同时,分布式架构逐渐成为解决这一挑战的重要方向,尤其是在无线网络中,节点从传统的通信中转角色演变为具备计算、存储和智能处理能力的多功能节点。然而,无线网络中分布式架构的实现面临诸多挑战,包括计算资源的异构性、拓扑结构的动态变化以及通信条件的不稳定性,如高误码率和带宽波动。这些问题严重影响了系统的鲁棒性和性能。基于此,本项目聚焦边缘计算和联邦学习两个领域,旨在探索分布式网络下的资源优化与性能提升方法。. 本项目的研究内容主要包括以下两个方面:一是边缘计算环境中的资源优化。为解决边缘计算节点间资源不均衡的问题,提出了基于重复码的自适应选择算法和分层模型分割策略,通过有效降低通信和计算资源的损耗,实现了子模型的并行训练与传输,显著提升了训练速度。同时,设计了边边协同的分布式任务卸载模式,提出了针对慢节点的鲁棒性增强技术,优化了通信和计算资源的使用效率。二是面向无线网络的联邦学习性能提升。针对非独立同分布数据条件下的通信开销问题,提出了一种基于梯度补偿和校正的异步优化算法,并通过分层模型分割策略进一步加速了模型的收敛速度,显著提高了联邦学习的效率。. 在上述研究中,本项目取得了重要成果。首先,基于重复码的自适应选择算法使通信和计算开销大大降低。其次,通过分层模型分割策略,实现了子模型的并行训练与传输,极大地缓解了通信瓶颈,参数传递贯穿整个训练过程,从而降低了整体通信负担。此外,边边协同模式中提出的实时拥塞窗口调整算法有效应对了高误码率和长时延的问题,提高了传输效率,而自适应任务卸载算法进一步提高了边缘计算网络中的服务质量。对于联邦学习,梯度补偿在异构数据分布条件下提高了模型收敛速度。. 本项目的研究具有重要的科学意义。其一,通过对分布式架构下资源优化方法的深入探索,为构建高效、鲁棒的智能网络提供了创新性解决方案,推动了分布式计算和无线通信技术的发展。其二,项目提出的算法和框架为隐私保护与性能优化共存的技术挑战提供了实践路径,尤其适用于医疗、金融等对数据安全性要求较高的应用场景。其三,通过提升边缘节点的协作能力与资源利用效率,本项目为大规模分布式网络的设计与实际部署奠定了坚实基础。
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