Effective Multi-Agent Communication Under Limited Bandwidth

计算机科学 带宽(计算) 熵(时间箭头) 强化学习 分布式计算 带宽分配 人工智能 计算机网络 物理 量子力学
作者
Lebin Yu,Qiexiang Wang,Yunbo Qiu,Jian Wang,Xudong Zhang,Zhu Han
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:23 (7): 7771-7784 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tmc.2023.3339213
摘要

With the fast development of multi-agent reinforcement learning, communication among agents has become a new research hotspot for its significant role in promoting the cooperation of automated devices. However, in real-world scenarios, agents such as unmanned vehicles and robots are likely to suffer from communication resource constraints, making designing efficient communication protocols essential. In this paper, we propose to quantize messages and reduce discrete entropy to achieve effective multi-agent communication under bandwidth limits. Achieving this goal requires solving two challenges: The first one is that the gradients of discrete entropy remain zero except for several discontinuous points wherein the gradients are undefined, making it hard to reduce discrete entropy via gradient-based training. To overcome it, we design Surrogate Entropy Minimization (SEM) scheme and confirm its effectiveness theoretically. The second challenge is maximizing cooperation performance under a given bandwidth limit. We model it as a constrained optimization problem and design Soft Barrier Method (SBM). Our proposed scheme is evaluated alongside four other methods in six environment settings and five different bandwidth limits, and demonstrates outstanding performance. Specifically, it manages to reduce bandwidth consumption by up to 90% with little or no loss of cooperation performance.
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