本發(fā)明涉及無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)優(yōu)化領(lǐng)域，尤其是涉及一種優(yōu)化無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的功率分配與設(shè)備調(diào)度的方法。

背景技術(shù)：

1、無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)使移動設(shè)備能夠在不共享其敏感原始數(shù)據(jù)的情況下協(xié)作學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)模型，從而將集中式的訓(xùn)練轉(zhuǎn)變?yōu)榉植际降挠?xùn)練。使用無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)后，分布式數(shù)據(jù)利益相關(guān)者(例如移動設(shè)備)只需要定期將其更新的本地模型上傳到中央服務(wù)器，而無需上傳其潛在的私有原始數(shù)據(jù)，從而大大降低了隱私泄露的風(fēng)險。雖然無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)可以解決數(shù)據(jù)孤島和隱私問題，但在無線網(wǎng)絡(luò)中它面臨著諸多挑戰(zhàn)，具體如下：1)有損通信：在無線網(wǎng)絡(luò)上訓(xùn)練fl算法時，用戶必須通過無線鏈接傳輸訓(xùn)練參數(shù)。由于信道間干擾的限制以及無線鏈接固有的不可靠性，會導(dǎo)致模型傳輸錯誤或無法上傳，從而引入訓(xùn)練誤差，還可能導(dǎo)致全局模型的性能下降。2)硬件限制：無線設(shè)備的硬件能力通常有限，設(shè)備算力的不足可能會限制模型的訓(xùn)練效率。此外，設(shè)備的電池能量有限，限制了其參與fl的輪次。由于每輪訓(xùn)練都需要消耗一定的能量，有限的能量預(yù)算可能導(dǎo)致設(shè)備無法持續(xù)參與訓(xùn)練，進而影響全局模型的收斂速度和最終性能。針對上述兩個問題，現(xiàn)有優(yōu)化無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)效率主要從移動設(shè)備的能量限制和無線資源的稀缺性進行考慮，因移動設(shè)備通常由電池供電，其有限的能量直接影響其參與fl的輪數(shù)，且由于無線通信資源的緊張，每輪訓(xùn)練中只有有限數(shù)量的設(shè)備能夠參與，這使得基站(bs)在每輪中需要策略性地選擇一個設(shè)備子集以參與訓(xùn)練。大多數(shù)客戶端選擇算法主要關(guān)注于通過選擇具有更多數(shù)據(jù)樣本或較小損失的客戶端來優(yōu)化全局fl模型的性能，這些算法往往以提升模型準確性為目標(biāo)；針對無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中能量效率主要是通過建模優(yōu)化資源分配，但其大多只關(guān)注了fl模型的性能優(yōu)化或能耗管理中的某一個方面，而往往忽略了這兩個因素之間的權(quán)衡；雖當(dāng)前已有優(yōu)化方法聯(lián)合了設(shè)備調(diào)度和無線資源分配，但其大部分都假設(shè)模型在理想的正交信道上進行數(shù)據(jù)傳輸，且不考慮信道間的干擾。這種假設(shè)通常會導(dǎo)致優(yōu)化算法為每個設(shè)備分配限制范圍內(nèi)的最大傳輸功率。然而,在實際的無線通信場景下，由于存在信道間干擾，這樣的功率分配算法可能會導(dǎo)致無線傳輸?shù)腻e誤率上升。

2、因此，提供一種能夠平衡考慮設(shè)備性能、設(shè)備能耗以及信道間的干擾的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)效率優(yōu)化方法是需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種優(yōu)化無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的功率分配與設(shè)備調(diào)度的方法，綜合考慮了設(shè)備之間的信道干擾和設(shè)備的實際需求，以實現(xiàn)更加精確和高效的功率分配，同時，利用實時客戶端調(diào)度算法，實現(xiàn)無線通信和設(shè)備計算兩階段的能量高效。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明提供了一種優(yōu)化無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的功率分配與設(shè)備調(diào)度的方法，在無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的每一輪本地訓(xùn)練前執(zhí)行步驟s1-s6選取參與本輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練的設(shè)備并為選取的設(shè)備分配功率，被選中的設(shè)備基于基站分發(fā)的聚合模型參數(shù)進行本輪次的本地訓(xùn)練，并將訓(xùn)練后的模型參數(shù)發(fā)送給基站，基站基于接收到的模型參數(shù)進行聚合，作為下一輪次的待分發(fā)模型參數(shù)，實現(xiàn)聯(lián)邦學(xué)習(xí)，

4、s1、基于信道增益和設(shè)備之間的信道干擾系數(shù)構(gòu)建信道狀態(tài)信息矩陣，并計算每一設(shè)備的效用函數(shù)；

5、s2、構(gòu)建功率分配目標(biāo)函數(shù)，基于所述的信道狀態(tài)信息矩陣和功率分配目標(biāo)函數(shù)，獲取第一功率分配向量和第一設(shè)備選擇向量；

6、s3、基于第一設(shè)備選擇向量更新對應(yīng)設(shè)備的效用函數(shù)，構(gòu)建設(shè)備選擇目標(biāo)函數(shù)；

7、s4、基于所述的設(shè)備選擇目標(biāo)函數(shù)修正第一設(shè)備選擇向量，獲得第二設(shè)備選擇向量；

8、s5、基于所述的信道狀態(tài)信息矩陣、第二設(shè)備選擇向量和功率分配目標(biāo)函數(shù)，獲取第二功率分配向量；

9、s6、基于第二設(shè)備選擇向量選取參與本輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)訓(xùn)練的設(shè)備，并基于第二功率分配向量為選取的設(shè)備分配功率。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的構(gòu)建信道狀態(tài)信息矩陣的方法為：

11、計算每一設(shè)備的信道增益和每兩設(shè)備之間的信道干擾系數(shù)；

12、基于所述的信道增益和信道干擾系數(shù)，賦予信道狀態(tài)信息矩陣元素，即hn,n＝αn，hn,m＝βn,m,n≠m，其中，n表示設(shè)備總數(shù)；n和m表示第n個或第m個設(shè)備，n＝1,2,…n，m＝1,2,…n；hn,n表示信道狀態(tài)信息矩陣中第n行第n列的元素；hn,m表示信道狀態(tài)信息矩陣中第n行第m列的元素；αn表示設(shè)備n的信道增益；βn,m表示設(shè)備n和設(shè)備m之間的信道干擾系數(shù)。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的效用函數(shù)的計算方法為：獲取設(shè)備的本地數(shù)據(jù)集，基于所述的本地數(shù)據(jù)集計算效用函數(shù)，其表達式為：u(n,t)＝an,tdn，其中，u(n,t)表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的效用函數(shù)；an,t∈{0,1，當(dāng)an,t＝1時表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)被選中，當(dāng)an,t＝0時表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)未被選中；dn表示設(shè)備n的本地數(shù)據(jù)集。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的功率分配目標(biāo)函數(shù)的表達式為：

15、

16、其中，n0表示參與功率分配的設(shè)備數(shù)量；μn表示設(shè)備n無線傳輸?shù)哪芰啃蕶?quán)重；表示設(shè)備n每一聯(lián)邦學(xué)習(xí)輪次的無線傳輸能量效率；表示設(shè)備索引集；pmin表示設(shè)備發(fā)送功率的最小值；pmax表示設(shè)備發(fā)送功率的最大值；pn(h表示信道狀態(tài)信息矩陣對應(yīng)的設(shè)備中設(shè)備n的發(fā)送功率；表示信道狀態(tài)信息矩陣對應(yīng)的設(shè)備中設(shè)備n的傳輸時間；表示限制傳輸時間；表示信道狀態(tài)信息矩陣對應(yīng)的設(shè)備中設(shè)備n的包錯誤率；q0表示子矩陣對應(yīng)的設(shè)備中設(shè)備n的限制包錯誤率；

17、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的獲取第一功率分配向量的方法為：

18、基于所述的信道狀態(tài)信息矩陣構(gòu)建圖，其中，圖的節(jié)點為設(shè)備，邊為設(shè)備之間的信道連接；

19、基于所述的圖，獲取節(jié)點之間的非局部依賴關(guān)系并利用注意力機制為每一節(jié)點分配不同權(quán)重，生成中間圖；

20、基于所述的中間圖，聚合每一節(jié)點的相鄰節(jié)點的信息，更新每一節(jié)點的特征信息；

21、基于更新后的特征信息利用卷積操作執(zhí)行特征提取，結(jié)合特征提取的結(jié)果和所述的功率分配目標(biāo)函數(shù)，生成第一功率分配向量。

22、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，獲取所述的第一設(shè)備選擇向量的方法為：

23、基于所述的第一功率分配向量獲取每一設(shè)備的發(fā)送功率，并計算每一設(shè)備的傳輸時間和傳輸包錯誤率，其表達式為：

24、

25、其中，sinrn,t表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中與基站信號的干擾加噪聲比；αn表示設(shè)備n的信號增益；pn,t表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的功率由第一功率分配向量pt獲??；m表示第m個設(shè)備；βn,m表示設(shè)備m和設(shè)備n之間的信道干擾系數(shù)；pm,t表示設(shè)備m在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的功率由第一功率分配向量pt獲??；表示傳輸時間；b表示通信帶寬；m表示設(shè)備向基站傳輸數(shù)據(jù)包的大?。籶ern,t(pt,h)表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中的傳輸包錯誤率；c表示瀑布閾值，為預(yù)設(shè)常數(shù)；

26、基于所述的發(fā)送功率、傳輸時間和傳輸包錯率以功率分配目標(biāo)函數(shù)約束為篩選條件，選取符合篩選條件的設(shè)備，生成第一設(shè)備選擇向量。

27、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的基于第一設(shè)備選擇向量更新對應(yīng)設(shè)備的效用函數(shù)的方法為：

28、

29、其中，u′(n,t)為更新后的效用函數(shù)，scale(·)表示第一設(shè)備選擇向量對應(yīng)的設(shè)備中設(shè)備n當(dāng)前能量與所需能量之比；t表示無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)總輪次；t表示第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)；表示第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)計算階段的能量消耗；表示第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)無線傳輸?shù)哪芰肯摹?/p>

30、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的設(shè)備選擇目標(biāo)函數(shù)的表達式為：

31、

32、

33、其中，a表示設(shè)備選擇矩陣，由第一設(shè)備選擇向量獲?。槐硎镜趖輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)的計算階段的能效；an,t∈{0,1，當(dāng)an,t＝1時表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)被選中，當(dāng)an,t＝0時表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)未被選中；dn表示設(shè)備n的本地數(shù)據(jù)集；表示設(shè)備索引；表示無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)輪次索引；n0表示每輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)最多選擇的設(shè)備數(shù)量；u′(n,t)表示更新后的效用函數(shù)；η表示超參數(shù)；表示設(shè)備n在第t輪無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)計算的時間；表示設(shè)備的限制計算時間。

34、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的獲得第二設(shè)備選擇向量的方法為：基于所述的設(shè)備選擇目標(biāo)函數(shù)利用標(biāo)準分支定界法在所述的第一設(shè)備選擇向量對應(yīng)的設(shè)備集中進行求解，生成第二設(shè)備選擇向量。

35、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的獲取第二功率分配向量的方法為：

36、基于所述的第二設(shè)備選擇向量，在所述的信道狀態(tài)信息矩陣中篩選符合條件的矩陣元素構(gòu)建為子矩陣；

37、基于所述的子矩陣和功率分配目標(biāo)函數(shù)，獲取第二功率分配向量。

38、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

39、1)、本發(fā)明相較于現(xiàn)有的功率分配算法，考慮了設(shè)備信道間的干擾影響，通過定義設(shè)備的聯(lián)邦學(xué)習(xí)效用函數(shù)，將能耗高的設(shè)備合理調(diào)度到聯(lián)邦學(xué)習(xí)的后程，并對無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)功率分配問題中的重要限制條件進行建模約束，包括傳輸功率限制、傳輸時間限制和傳輸包錯誤限制，根據(jù)限制條件進行初步篩選符合條件的設(shè)備；再構(gòu)建設(shè)備選擇目標(biāo)函數(shù)，進行設(shè)備選擇修正以確保篩選出最適合于當(dāng)前輪次進行訓(xùn)練的設(shè)備；最后根據(jù)修正后的設(shè)備選擇重新分配每一設(shè)備的功率，以實現(xiàn)傳輸效益最大化，不僅實現(xiàn)了優(yōu)化無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中設(shè)備無線通信效率和設(shè)備計算效率，還保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高效性；

40、2)、本發(fā)明通過實時采集和更新信道通信狀態(tài)信息，能夠快速響應(yīng)信道條件變化，并及時根據(jù)變化后的信道通信狀態(tài)信息，能夠自適應(yīng)的動態(tài)調(diào)整功率分配和設(shè)備調(diào)度策略，可以適應(yīng)不同的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)通信環(huán)境。