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CEFL: Online Admission Control, Data Scheduling, and Accuracy Tuning for Cost-Efficient Federated Learning Across Edge Nodes

计算机科学 云计算 Lyapunov优化 分布式计算 边缘计算 边缘设备 调度(生产过程) GSM演进的增强数据速率 架空(工程) 服务器 强化学习 数据中心 计算机网络 人工智能 操作系统 经济 李雅普诺夫指数 Lyapunov重新设计 混乱的 运营管理
作者
Zhi Zhou,Song Yang,Lingjun Pu,Shuai Yu
出处
期刊:IEEE Internet of Things Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:7 (10): 9341-9356 被引量:39
标识
DOI:10.1109/jiot.2020.2984332
摘要

With the proliferation of Internet of Things (IoT), zillions of bytes of data are generated at the network edge, incurring an urgent need to push the frontiers of artificial intelligence (AI) to network edge so as to fully unleash the potential of the IoT big data. To materialize such a vision which is known as edge intelligence, federated learning is emerging as a promising solution to enable edge nodes to collaboratively learn a shared model in a privacy-preserving and communication-efficient manner, by keeping the data at the edge nodes. While pilot efforts on federated learning have mostly focused on reducing the communication overhead, the computation efficiency of those resource-constrained edge nodes has been largely overlooked. To bridge this gap, in this article, we investigate how to coordinate the edge and the cloud to optimize the system-wide cost efficiency of federated learning. Leveraging the Lyapunov optimization theory, we design and analyze a cost-efficient optimization framework CEFL to make online yet near-optimal control decisions on admission control, load balancing, data scheduling, and accuracy tuning for the dynamically arrived training data samples, reducing both computation and communication cost. In particular, our control framework CEFL can be flexibly extended to incorporate various design choices and practical requirements of federated learning, such as exploiting the cheaper cloud resource for model training with better cost efficiency yet still facilitating on-demand privacy preservation. Via both rigorous theoretical analysis and extensive trace-driven evaluations, we verify the cost efficiency of our proposed CEFL framework.
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