Delay-Constrained Client Selection for Heterogeneous Federated Learning in Intelligent Transportation Systems

计算机科学 效率低下 背包问题 选择(遗传算法) 贪婪算法 机器学习 软件部署 人工智能 集合(抽象数据类型) 分布式计算 数学优化 数据挖掘 算法 数学 程序设计语言 经济 微观经济学 操作系统
作者
Weiwen Zhang,Yanxi Chen,Yifeng Jiang,Jianqi Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Network Science and Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11 (1): 1042-1054 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tnse.2023.3320123
摘要

Federated learning has been claimed as a solution in intelligent transportation systems, which allows for the implementation of distributed machine learning while ensuring privacy and data security. However, federated learning suffers from training inefficiency in practical deployment due to the heterogeneity of the participating clients. In this paper, we investigate how to optimize client selection to improve the training efficiency of traffic flow prediction, by considering the number of clients involved in training. We first formulate a constrained optimization problem on client selection, which aims to maximize the number of clients while meeting the training deadlines. We then transform the optimization problem into a two-dimensional unbounded knapsack problem (2UKP). Subsequently, we propose a K-means and Dynamic Programming (KDP) algorithm to solve the 2UKP. Specifically, we cluster the clients based on their computational capacity and geographic distance to the server by K-means and adopt dynamic programming to obtain the set of the selected clients. We evaluate the performance of the proposed KDP algorithm on Caltrans Performance Measurement System (PeMS) dataset and Highways England dataset. Comprehensive experimental results show that our proposed KDP algorithm can obtain up to 56% improvement in the number of clients within a given deadline compared to random and greedy strategies, achieving prediction accuracy of up to 20% improvement under the PeMS dataset and 15% improvement under the Highways England dataset. Moreover, the proposed KDP with 30% as the straggler ratio can still outperform the baseline FedGRU.
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