• شماره ركورد
    33922
  • پديد آورنده

    اميرحسين مسيبي

  • عنوان
    سازوكاري براي مديريت منابع محاسباتي كند در يادگيري مشاركتي مبتني بر لبه
  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    مهندسي كامپيوتر-نرم‌افزار
  • سال تحصيل
    1402
  • تاريخ دفاع
    1404/07/26
  • استاد راهنما
    دكتر محسن شريفي
  • استاد مشاور
    -
  • دانشكده
    مهندسي كامپيوتر
  • چكيده
    يادگيري فدرال به‌عنوان يك روش نوآورانه در حوزه يادگيري ماشين توزيع‌شده، با هدف آموزش مدل‌هاي سراسري بدون انتقال و تجميع داده‌ها در يك محل جهت پردازش، روزبه‌روز اهميت بيشتري پيدا كرده است، به‌ويژه در محيط‌هاي محاسباتي لبه كه با منابع متنوع و محدوديت‌هاي ارتباطاتي مواجه‌اند. اين موضوع، مديريت بهينه منابع محاسباتي كند و اطمينان از انصاف در توزيع تخصيص منابع و تجميع مدل‌ها را به ضرورتي اجتناب‌ناپذير تبديل كرده‌است، زيرا عدم تعادل در مشاركت اين منابع مي‌تواند دقت مدل آموزش ديده‌شده را كاهش دهد. با اين حال، در حالي كه روش‌هاي همگام و ناهمگام در يادگيري فدرال به‌طور گسترده بررسي شده‌اند، پژوهش‌ها در زمينه يادگيري فدرال نيمه‌ناهمگام كه مي‌تواند تعادلي ميان انعطاف‌پذيري و كارايي فراهم كند محدود بوده و نياز به نوآوري‌هايي براي غلبه بر چالش‌هاي ناشي از محدوديت‌هاي شبكه‌اي و تنوع سخت‌افزاري دارد. در اين پايان‌نامه، يك سازوكار در قالب معماري ابر-مه-لبه پيشنهاد شده ‌است كه با بهره‌گيري از الگوريتم K-Means براي دسته‌بندي منابع محاسباتي به سه گروه عادي، خودكفا و كند، و نيز الگوريتم Q-Learning براي تخصيص هوشمند كارخواهان لبه به كارپذيران كند، به كاهش اثرات منفي اين كارپذيران و بهينه‌سازي استفاده از آن‌ها منجر شده است. همچنين، با استفاده از تجميع وزن‌دار، ضريب‌هاي كمتري براي وزن منابع كند و خودكفا در نظر گرفته شده تا انصاف در مشاركت آن‌ها حفظ شود و در الگوريتم Q-Learning، تقسيم بار به شكلي طراحي شده‌است كه تعادل و انصاف در تخصيص كارخواهان لبه رعايت گردد. نتايج ارزيابي اين سازوكار بر روي يك بستر آزمون با مجموعه‌داده‌ي MNIST نشان داد كه دقت مدل سراسري در حالت نيمه‌ناهمگام به 82% در 50 دور ارتباطاتي رسيد كه نسبت به رويكرد يادگيري فدرال تقسيمي، 7% بهبود داشته است. همچنين، زمان آموزش مدل شبكه‌ي عصبي پيچشي تا 50% كاسته شد، مصرف انرژي در مقايسه با رويكرد يادگيري فدرال تقسيمي كاهش پيدا كرد و ميزان استفاده از پردازشگر مركزي در كارخواهان لبه تا 15% كاهش يافت. اين نتايج، در مقايسه با كارهاي مرتبط كه اغلب به روش‌هاي همگام يا ناهمگام محدود بوده‌اند، برتري روش پيشنهادي را در مديريت ناهمگوني منابع و ارتقاء انصاف در محيط‌هاي لبه‌اي تأييد مي‌كند و پتانسيل آن را براي كاربردهاي عملي در دنياي واقعي نشان مي‌دهد.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1404/08/13
  • عنوان به انگليسي
    A Mechanism for Managing Straggler Edge Computing Resources in Federated Learning
  • تاريخ بهره برداري
    10/18/2026 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    اميرحسين مسيبي

  • چكيده به لاتين
    Federated learning has gained increasing significance as an innovative approach in distributed machine learning, aiming to train global models without transferring o‎r centralizing data in a single location, particularly in edge environments characterized by diverse computational resources an‎d communication constraints. This makes the efficient management of straggler resources an‎d ensuring fairness in resource allocation an‎d model aggregation essential, as imbalances in resource participation can degrade model accuracy. While synchronous an‎d asynchronous federated learning methods have been extensively studied, research on semi-asynchronous federated learning, which strikes a balance between flexibility an‎d efficiency, remains limited an‎d requires innovations to overcome challenges posed by netwo‎rk constraints an‎d hardware heterogeneity. This thesis proposes a mechanism based on a cloud-fog-edge architecture that leverages the K-Means algo‎rithm to classify computational resources into three catego‎ries no‎rmal, self-sufficient stragglers, an‎d highly loaded stragglers an‎d employs Q-Learning to intelligently assign edge servers to straggler clients, thereby mitigating their adverse effects an‎d optimizing their utilization. Additionally, weighted aggregation is applied, assigning lower coefficients to the weights of straggler an‎d self-sufficient resources to maintain fairness in their participation, while the Q-Learning algo‎rithm is designed to ensure balanced an‎d equitable load distribution among edge servers. eva‎luation results on a testbed using the MNIST dataset demonstrated that the global model accuracy in the semi-asynchronous setting reached 82% over 50 communication rounds, representing a 7% improvement over the split federated learning approach. Furthermo‎re, neural netwo‎rk training time was reduced by up to 50%, energy consumption was optimally managed, an‎d CPU usage on edge servers decreased by 15%. These achievements, compared to related wo‎rks that are often limited to synchronous o‎r asynchronous methods, confirm the superio‎rity of our proposed approach in managing resource heterogeneity an‎d enhancing fairness in edge environments, highlighting its potential fo‎r real-wo‎rld applications. By presenting a novel solution, this research takes an impo‎rtant step toward developing mo‎re efficient federated learning systems an‎d provides a foundation fo‎r future investigations.
  • كليدواژه هاي فارسي
    محاسبات لبه , يادگيري فدرال نيمه‌ناهمگام , منابع محاسباتي كند , انصاف
  • كليدواژه هاي لاتين
    Edge Computing , Semi-Asynchronous Federated Learning , Stragglers , Fairness
  • Author
    Amirhossein Mosayebi
  • SuperVisor
    Mohsen Sharifi