基于移动性预测的车联网联邦学习资源调度
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国家自然科学基金面上项目(62271264); 浙江省“尖兵领雁+X”重大科技计划 (2025C02033)


Resource Scheduling Based on Mobility Prediction for Federated Learning in Internet of Vehicles
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    摘要:

    联邦学习被广泛应用于移动网络, 采用分布式的方法进行本地和全局模型训练, 可以有效确保数据安全. 但是联邦学习在车联网中的应用又面临着3大挑战: 频繁的全局通信导致高延迟, 车辆有限的计算和电力资源以及高动态网络环境引起的带宽波动. 这些因素共同对联邦学习系统的执行造成了阻碍, 显著地降低了系统效率. 为了解决这些问题, 本文提出一种融合了移动性和带宽预测与多智能体强化学习的自适应资源调度策略. 在该策略中提出一个多维度预测模型, 将小波神经网络(WNN)和扩展的长短期记忆(xLSTM)网络结合作为预测模型, 针对车辆移动位置和带宽这两个维度进行预测, 为多智能体强化学习框架提供了准确输入. 同时采用多代理深度Q网络(MADQN)的动态资源调度算法来解决资源分配和功率控制挑战, 以此降低拖尾问题对系统效率的影响, 使边缘节点能够自主决策. 实验结果表明, 与传统方法相比, 本文方法有效地降低了系统成本和能耗, 同时模型性能也有一定提升, 并提高了传输成功率.

    Abstract:

    Federated learning is widely applied in mobile networks, utilizing a distributed approach for both local and global model training, effectively ensuring data security. However, its application in Internet of Vehicles faces three major challenges: frequent global communication causing high latency, limited computational and power resources of vehicles, and bandwidth fluctuations induced by highly dynamic network environments. These factors collectively hinder the execution of federated learning systems and significantly reduce efficiency. To address these issues, this study proposes an adaptive resource scheduling strategy integrating mobility and bandwidth prediction with multi-agent reinforcement learning. This strategy introduces a multidimensional prediction model combining wavelet neural network (WNN) and extended long short-term memory (xLSTM) to forecast vehicle mobility positions and bandwidth, providing accurate inputs for the multi-agent reinforcement learning framework. Concurrently, a multi-agent deep Q-network (MADQN) dynamic resource scheduling algorithm is employed to tackle resource allocation and power control challenges, thus mitigating the impact of the tail problem on system efficiency and enabling autonomous decision-making by edge nodes. Experimental results show that, compared to traditional methods, this approach significantly reduces system costs and energy consumption, while improving model performance and transmission success rates.

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引用本文

赵梓源,金子龙.基于移动性预测的车联网联邦学习资源调度.计算机系统应用,,():1-11

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  • 收稿日期:2025-08-05
  • 最后修改日期:2025-08-28
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  • 在线发布日期: 2026-01-08
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