تخصیص منابع در شبکه‌های چندورودی-چندخروجی با قابلیت انتقال توام توان و اطلاعات بی‌سیم با هدف بهبود عملکرد یادگیری فدراسیونی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 گروه مخابرات، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

یادگیری فدراسیونی رویکردی نوین در یادگیری توزیع‌شده است که طی آن کاربران بدون اشتراک‌گذاری داده‌های محلی، با به‌روزرسانی مدل‌های محلی و ارسال گرادیان‌ها، به آموزش یک مدل سراسری کمک می‌کنند. این رویکرد یادگیری به‌ طور خاص در سناریوهای حساس به حریم خصوصی و شبکه‌های توزیع‌شده اهمیت بالایی دارد. با وجود این مزایا، خطای انتقال اطلاعات مرتبط به انتقال مدل‌ها در یک ارتباط مخابراتی بی‌سیم از چالش‌های اصلی این رویکرد محسوب می‌شود. در این مقاله، مسأله‌ی طراحی شکل‌دهی پرتو و تخصیص منابع در یک شبکه‌ی MIMO-SWIPT با کاربران مشارکت‌کننده در یادگیری فدراسیونی بررسی می‌گردد. هدف اصلی، کمینه‌سازی تابع تلفات یادگیری با درنظر گرفتن محدودیت‌های فیزیکی ارتباط بی‌سیم است. برای این منظور، ارتباطی میان پارامترهای فیزیکی شبکه و تابع تلفات یادگیری محاسبه شده و تابعی موسوم به "تابع گپ" استخراج می‌گردد. سپس، مسأله‌ی بهینه‌سازی توأم زمان، توان و شکل‌دهی پرتو به‌منظور کاهش این تابع فرموله می‌شود. یک الگوریتم تکراری مبتنی بر بهینه‌سازی محدب برای یافتن پاسخ‌های بهینه برای بردار شکل‌دهی پرتو و تخصیص زمان ارائه می‌گردد. عملکرد الگوریتم‌های پیشنهادی از دو منظر: تابع هدف بهینه‌سازی و کیفیت مدل‌های یادگیری فدراسیونی ارزیابی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که رویکردهای پیشنهادی می‌تواند به شکل مؤثری موجب بهبود عملکرد یادگیری در شبکه‌های فدراسیونی شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Resource Allocation in SWIPT-Enabled MIMO Networks for Enhancing Federated Learning Performance

نویسندگان [English]

  • Seyed Mehdi Hosseini Andargoli 1
  • Ghosay Jabbar Kazem Almansouri 2
1 telecommunications group, electrical eng. dep., Babol Noshirvani university of technology, Babol, Iran
2 Communication group, Electrical and computer engineering faculty, Babol Noshirvani university of technology
چکیده [English]

Federated learning is an emerging paradigm in distributed machine learning, where users collaboratively train a global model by updating local models and transmitting gradients—without sharing their raw data. This learning approach is particularly valuable in privacy-sensitive and distributed environments. Despite its advantages, communication errors during wireless model transmission remain one of the key challenges in federated learning systems. In this paper, we study beamforming design and resource allocation in a MIMO-SWIPT network with users participating in federated learning. The main objective is to minimize the learning loss function while considering wireless physical-layer constraints. To this end, we establish a relationship between physical parameters of the wireless system and the learning loss function, from which we derive a new metric called the "gap function." A joint optimization problem is then formulated over transmission time, power allocation, and beamforming vector to minimize this gap function. An iterative algorithm based on convex optimization is proposed to determine the optimal beamforming vector and time allocation. The proposed algorithms are evaluated from two perspectives: the objective function of the formulated optimization problem and the performance of federated learning using a specific dataset. Simulation results demonstrate that the proposed approach can effectively improve learning performance in federated wireless networks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Federated learning
  • Simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT)
  • Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) networks
  • Beamforming design
  • Power and time allocation
  • Convex optimization