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A Knowledge Distillation-Empowered Adaptive Federated Reinforcement Learning Framework for Multi-Domain IoT Applications Scheduling

计算机科学 强化学习 调度(生产过程) 物联网 分布式计算 计算机网络 联合学习 作业车间调度 服务器 移动计算 适应性学习 处理器调度 自适应系统 无线 分布式学习 动态优先级调度
作者
Zhiyu Wang,Mohammad Goudarzi,Mingming Gong,Rajkumar Buyya
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:25 (8): 12890-12907
标识
DOI:10.1109/tmc.2026.3672603
摘要

The rapid proliferation of Internet of Things (IoT) applications across heterogeneous Cloud-Edge-IoT environments presents significant challenges in distributed scheduling optimization. Existing approaches face issues, including fixed neural network architectures that are incompatible with computational heterogeneity, non-Independent and Identically Distributed (non IID) data distributions across IoT scheduling domains, and insufficient cross-domain collaboration mechanisms. This pa per proposes KD-AFRL, a Knowledge Distillation-empowered Adaptive Federated Reinforcement Learning framework that addresses multi-domain IoT application scheduling through three core innovations. First, we develop a resource-aware hybrid architecture generation mechanism that creates dual-zone neural networks enabling heterogeneous devices to participate in collaborative learning while maintaining optimal resource utilization. Second, we propose a privacy-preserving environment-clustered federated learning approach that utilizes differential privacy and K-means clustering to address non-IID challenges and facilitate effective collaboration among compatible domains. Third, we introduce an environment-oriented cross-architecture knowledge distillation mechanism that enables efficient knowledge transfer between heterogeneous models through temperature-regulated soft targets. Comprehensive experiments with real Cloud-Edge IoT infrastructure demonstrate KD-AFRL's effectiveness using diverse IoT applications. Results show significant improvements over the best baseline, with 21% faster convergence and 15.7%, 10.8%, and 13.9% performance gains in completion time, energy consumption, and weighted cost, respectively. Scalability experiments reveal that KD-AFRL achieves 3-5 times better performance retention compared to existing solutions as the number of domains increases.

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