本發(fā)明屬于通信與邊緣計算相結(jié)合的，具體涉及一種d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中繼方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、d2d(device-to-device，終端直通)通信是一種在移動設(shè)備之間直接進行的通信方式，它允許智能手機、平板電腦或其他設(shè)備在沒有基站或網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下直接交換信息。這種技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有重要意義，因為它可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率、降低網(wǎng)絡(luò)延遲，并減少對中央網(wǎng)絡(luò)的依賴。

2、無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一種分布式機器學(xué)習(xí)技術(shù)，它允許多個設(shè)備或節(jié)點在保持?jǐn)?shù)據(jù)隱私的同時協(xié)作訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)模型。在這種學(xué)習(xí)模式下，各個設(shè)備可以在本地處理和分析自己的數(shù)據(jù)，然后將更新的模型參數(shù)或梯度信息發(fā)送到中央服務(wù)器，以更新全局模型。這種方法有助于保護用戶隱私，因為不需要直接上傳原始數(shù)據(jù)。

3、將d2d通信技術(shù)應(yīng)用于無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中，可以進一步提高模型交互的效率。在無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，部分終端可能因為距離遠或者有障礙物遮擋等因素，其到基站之間的鏈路質(zhì)量比較差，從而引起較大的傳輸時延，甚至傳輸中斷，影響模型的收斂速率以及正確率。d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)可以利用設(shè)備之間的近距離通信來減輕這一問題。部分終端可以通過d2d鏈路選擇其他終端進行模型參數(shù)或者梯度中繼，避免因為直接發(fā)送給基站帶來較大時延或者模型偏差。

4、在d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中，如何設(shè)計合理的基于中繼的模型訓(xùn)練算法是一個關(guān)鍵的問題。其次，系統(tǒng)也需要根據(jù)d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量以及頻譜資源，來確定終端的工作模式：即選擇中繼傳輸還是蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接傳輸。此外，還需要對兩個網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源分配進行優(yōu)化，以提高頻譜利用效率。

5、隨著5g和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)在智能城市、健康監(jiān)測、自動駕駛等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，在智能城市中，多個傳感器和監(jiān)控設(shè)備可以利用d2d通信進行數(shù)據(jù)交換，共同訓(xùn)練一個用于交通流量預(yù)測或環(huán)境監(jiān)測的模型。在健康監(jiān)測領(lǐng)域，個人健康設(shè)備可以通過d2d通信共享匿名的健康數(shù)據(jù)，以訓(xùn)練一個用于疾病預(yù)測和健康管理的模型。

6、總之，d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)是一種結(jié)合了d2d通信和聯(lián)邦學(xué)習(xí)優(yōu)勢的新興技術(shù)，它在提高數(shù)據(jù)處理效率、保護用戶隱私和降低通信成本方面具有巨大的潛力。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種本發(fā)明的目的是提供一種d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中繼方法和系統(tǒng)，該方法利用d2d網(wǎng)絡(luò)輔助本地模型上傳，通過選擇合適的傳輸模式以及中繼節(jié)點，可以減少模型的訓(xùn)練時延，提升模型的訓(xùn)練效率。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，實施例提供的一種d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中繼方法和系統(tǒng)，包括基站和終端，基站和終端組成蜂窩網(wǎng)絡(luò)，終端與終端組成d2d網(wǎng)絡(luò)，d2d網(wǎng)絡(luò)中的終端同作為另一終端的中繼節(jié)點，

3、所述終端用于測量d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量信息并在每輪訓(xùn)練之前上傳信道質(zhì)量信息至基站，所述基站用于基于信道質(zhì)量信息計算最小化時延，根據(jù)最小化時延或預(yù)設(shè)策略確定各終端的數(shù)據(jù)上傳方案并下發(fā)至終端，其中數(shù)據(jù)上傳方案包括模式選擇、中繼節(jié)點選擇、以及無線資源分配；

4、所述終端還用于基于數(shù)據(jù)上傳方案上傳本地模型參數(shù)數(shù)據(jù)至基站配備的參數(shù)服務(wù)器，所述參數(shù)服務(wù)器還用于對接收的模型參數(shù)數(shù)據(jù)進行聚合得到全局模型并通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣播全局模型至各終端，至此完成一輪聯(lián)邦學(xué)習(xí)。

5、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)均通過underlay或者overlay復(fù)用系統(tǒng)頻譜資源。

6、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述數(shù)據(jù)上傳方案包含的模式選擇，包括：

7、蜂窩鏈路模式：蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供的蜂窩鏈路，此時終端需通過蜂窩鏈路直接將本地模型參數(shù)數(shù)據(jù)上傳至參數(shù)服務(wù)器；

8、中繼鏈路模式：由d2d網(wǎng)絡(luò)提供的d2d鏈路、蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供的蜂窩鏈路組成的中繼鏈路，此時終端需通過中繼鏈路上傳本地模型參數(shù)至參數(shù)服務(wù)器。

9、在一種可能的實現(xiàn)方式中，終端需通過中繼鏈路上傳本地模型參數(shù)至參數(shù)服務(wù)器，包括：

10、直接轉(zhuǎn)發(fā)策略：需先通過d2d鏈路傳輸本地模型參數(shù)到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點不處理接收的本地模型參數(shù)，再通過蜂窩鏈路直接將接收的本地模型參數(shù)上傳至參數(shù)服務(wù)器；

11、或模型匯聚轉(zhuǎn)發(fā)策略：需先通過d2d鏈路傳輸本地模型參數(shù)到中繼節(jié)點，中繼節(jié)點將接收的本地模型參數(shù)與自身的本地模型參數(shù)進行聚合后形成新模型參數(shù)后，再通過蜂窩鏈路直接將新模型參數(shù)上傳至參數(shù)服務(wù)器。

12、在一種可能的實現(xiàn)方式中，參數(shù)服務(wù)器與中繼節(jié)點對模型參數(shù)進行聚合時采用加權(quán)平均聚合方式，且每個終端的權(quán)重由終端的本地數(shù)據(jù)量決定，具體為終端參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量與參與聯(lián)邦學(xué)習(xí)的所有終端的所有數(shù)據(jù)量之間的比值。

13、在一種可能的實現(xiàn)方式中，數(shù)據(jù)上傳方案中的模式選擇和中繼節(jié)點選擇由系統(tǒng)單次模型訓(xùn)練時延決定，當(dāng)系統(tǒng)單次模型訓(xùn)練時延最低時，此時的模式選擇以及中繼節(jié)點的選擇方案為最優(yōu)。當(dāng)直接轉(zhuǎn)發(fā)策略對應(yīng)的單次模型訓(xùn)練時延t表示為：

14、

15、其中，ai,k表示終端i的中繼節(jié)點選擇，ai,k＝1表示終端i選擇終端k轉(zhuǎn)發(fā)本地模型參數(shù)且滿足表示終端集合，當(dāng)i＝k時，表示是否選擇蜂窩通信模式，表示本地計算的時延，由本地計算能力fi、所需要計算的樣本數(shù)目b、以及模型需要計算量fo有關(guān)，表示通信時延，由兩個部分組成：終端i到終端k的d2d鏈路時延和終端k到基站的蜂窩鏈路時延，分別可以表示為：和m表示模型的參數(shù)量，和表示d2d鏈路中終端i到終端k的時隙比例分配，終端k通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)中繼終端i模型參數(shù)時的時隙比例分配，bd和bc表示d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)站占用的帶寬，和分別表示d2d鏈路中終端i到終端k的信噪比和終端k在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的信噪比；

16、在一種可能的實現(xiàn)方式中，當(dāng)模型匯聚轉(zhuǎn)發(fā)策略對應(yīng)的單次模型訓(xùn)練時延t表示為：

17、

18、最小化時延即求解該問題為混合非線性規(guī)劃問題，可以通過迭代優(yōu)化獲得其次優(yōu)解。

19、在一種可能的實現(xiàn)方式中，根據(jù)預(yù)設(shè)策略確定各終端的數(shù)據(jù)上傳方案，包括：

20、終端i通過對比自身的蜂窩鏈路信噪比與選擇終端k作為中繼節(jié)點時d2d鏈路信噪比和蜂窩鏈路信噪比的調(diào)和平均數(shù)作為的中繼鏈路信噪比，當(dāng)自身的蜂窩鏈路信噪比大于中繼鏈路信噪比時，選擇蜂窩鏈路模式作為數(shù)據(jù)上傳方案；反之則選擇終端k作為中繼節(jié)點的中繼鏈路模式作為數(shù)據(jù)上傳方案，用公式描述為：

21、

22、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述終端在進行本地模型訓(xùn)練之前，還上傳本地算力和本地用于訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)量。

23、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明實施例還提供了一種d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中繼方法，所述方法采用上述系統(tǒng)，包括以下步驟：

24、所述終端測量d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量信息并在每輪訓(xùn)練之前上傳信道質(zhì)量信息至基站；

25、所述基站基于信道質(zhì)量信息計算最小化時延，根據(jù)最小化時延或預(yù)設(shè)策略確定各終端的數(shù)據(jù)上傳方案并下發(fā)至終端，其中數(shù)據(jù)上傳方案包括模式選擇、中繼節(jié)點選擇、以及無線資源分配；

26、所述終端基于數(shù)據(jù)上傳方案上傳本地模型參數(shù)數(shù)據(jù)至基站配備的參數(shù)服務(wù)器；

27、所述參數(shù)服務(wù)器對接收的模型參數(shù)數(shù)據(jù)進行聚合得到全局模型并通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)廣播全局模型至各終端，至此完成一輪聯(lián)邦學(xué)習(xí)。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果至少包括：

29、本發(fā)明提供的d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)中繼系統(tǒng)和方法中，d2d輔助的無線聯(lián)邦學(xué)習(xí)可以根據(jù)d2d網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的狀況，充分利用d2d網(wǎng)絡(luò)短距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，解決了本地因為蜂窩網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量而造成的模型匯聚偏差以及巨大訓(xùn)練時延的問題，提升模型訓(xùn)練效率。