شماره ركورد
33843
پديد آورنده
عليرضا رضائي گركابي
عنوان
كمينهسازي زمان يادگيري فدرال با استفاده از انتقال توان بيسيم و ارسال فراسوي TDMA
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي برق- مخابرات ـ سيستم
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/5/29
استاد راهنما
شاهرخ فرهمند
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي برق
چكيده
با پيشرفت چشمگير فناوريهاي ارتباطي و افزايش تقاضا براي خدمات مبتني بر هوش مصنوعي در بستر شبكههاي بيسيم، يادگيري فدرال به عنوان يك چارچوب نوين و كارآمد در حوزه يادگيري ماشين معرفي شده است. در يادگيري فدرال، دادههاي كاربران در محل نگهداري شده و فرآيند آموزش مدل از طريق مشاركت توزيعشده ميان دستگاههاي محلي انجام ميگيرد. اين ويژگي موجب حفظ حريم خصوصي كاربران و كاهش حجم تبادل داده در شبكه ميشود. با اين حال، در شرايط واقعي، دستگاههاي كاربري از نظر توان پردازشي، ظرفيت باتري و توزيع دادههاي آموزشي، ناهمگون هستند و همين امر چالشهايي در زمينه همگرايي مدل، كارايي انرژي و بهرهبرداري بهينه از منابع ارتباطي ايجاد ميكند. در اين راستا، پژوهش حاضر يك ساختار براي پيادهسازي يادگيري فدرال در محيطهاي بيسيم پيشنهاد ميدهد كه در آن، ايستگاه پايه از انتقال توان بيسيم براي تأمين انرژي مورد نياز كاربران جهت انجام آموزش محلي و ارسال مدل استفاده ميكند. اين راهكار نه تنها وابستگي به منبع تغذيه و شارژ مجدد آن را از بين ميبرد، بلكه امكان بهرهمندي از دستگاههاي بدون باتري را نيز فراهم ميسازد. در نتيجه امكان استفاده از يادگيري فدرال در نواحي حادثه ديده، نواحي صعب العبور و يا نواحي كه امكان شارژ مجدد دستگاهها و يا تعويض باتري وجود ندارد، ميسر ميشود. در جهت سادهسازي فرآيند ارتباطي تا حد ممكن از TDMA به منظور ارسال و دريافت داده ميان دستگاهها و ايستگاه پايه استفاده ميشود. براي بهينهسازي طراحي پيشنهادي، يك مسئله كمينهسازي تأخير همگرايي يادگيري فدرال تحت محدوديت مصرف كل انرژي در سطح شبكه پيشنهاد ميشود. اين مسئله، تخصيص بهينه منابع به كاربران را در بر ميگيرد به گونهاي كه زمان كل فرآيند يادگيري فدرال به حداقل برسد. در اين مسئله، پارامترهاي طراحي شامل دقت مدل محلي، فركانس پردازشي CPU در كاربر n، زمان شارژ بيسيم كاربر n، نرخ يادگيري و زمان انتقال مدل آموزش ديده محلي كاربر n به ايستگاه پايه در هر تكرار جهاني هستند. نشان ميدهيم اگر پارامترهاي دقت مدل محلي و نرخ يادگيري ثابت باشند، مسئله پيشنهادي محدب است و حل آن راحت خواهد بود. در نهايت، براي يافتن پارامترهاي صحت محلي و نرخ يادگيري از Grid Search استفاده ميكنيم.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/07/30
عنوان به انگليسي
Training time minimization in federated learning with wireless power transfer and uplink TDMA
تاريخ بهره برداري
8/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
عليرضا رضائي گركابي
چكيده به لاتين
With the remarkable advances in communication technologies comes an increasing demand for AI-based services in wireless networks. Federated learning (FL) has emerged as a novel and efficient machine learning framework, where an iterative process performs local model updates by each device with its local data followed by transmission of the model parameters and their global aggregation at a base station (BS). These steps are repeated until the desired global learning accuracy at the BS is reached. This approach preserves user privacy and reduces the data volume which is exchanged over the network. However, in real-world scenarios, user devices are heterogeneous in terms of computational power, battery capacity and its remaining charge, and the distribution of training data, leading to poor model convergence, energy efficiency, and utilization of communication resources. These challenges are tackled by solving relevant optimization problems where processing and communication resources are optimally allocated given the available information such as BS to user channel gains, processing power range of every user, needed global learning accuracy, and so on. This thesis proposes a novel framework for implementing federated learning in wireless environments, where the BS employs wireless power transfer (WPT) to provide the necessary energy for the users to perform local training and subsequently transmit their locally trained models back to the BS. Such an approach eliminates the users’ dependence on conventional power supplies, such as an electric cable or a battery, and eliminates the manual recharging requirement for the devices. As a result, federated learning can be applied in disaster-affected areas, remote locations, and those scenarios where device recharging or battery replacement is not feasible. To simplify the communication process, time division multiple access (TDMA) is utilized for data transmission between devices and the BS. To the best of authors’ knowledge, the combination of WPT and TDMA has not been proposed for FL. Subsequently, an optimization problem is formulated which seeks to minimize the total FL run-time. The chief constraint in this problem is the energy causality constraint meaning that the harvested energy from WPT should be greater than the sum energy needed for local processing and uplink transmission of the locally updated model parameters. The optimization problem entails the selection of local accuracy, learning rate, CPU processing frequency, wireless charging time, and uplink transmission time of every user in each global update. It is shown that when the local accuracy and learning rate parameters are fixed, the proposed optimization problem becomes convex and can be solved via well-known convex solvers. Finally, a hybrid approach is proposed where local accuracy and learning rate are optimized via a two-dimensional grid search. For every grid point, the convex sub-problem is solved and the resultant total FL run-time is compared to other grid points. Finally, the best grid point is selected. The proposed approach reaches the global optimum. Numerical results reveal the patterns on how changes in various system parameters affect the total FL run-time.
كليدواژه هاي فارسي
يادگيري فدرال , انتقال توان بيسيم , TDMA , تخصيص منابع , كاهش تأخير
كليدواژه هاي لاتين
Federated learning , Wireless power transfer , TDMA , resource allocation , Latency minimization
Author
Alireza Rezaei Gorkabi
SuperVisor
Dr. Shahrokh Farahmand