Game-Theoretic Power Allocation and Client Selection for Privacy-Preserving Federated Learning in IoMT
Julkaisuvuosi
2025
Tekijät
Liu, Jingyuan; Chang, Zheng; Ye, Chaoxiong; Mumtaz, Shahid; Hämäläinen, Timo
Tiivistelmä
In recent years, the Internet of Medical Things (IoMT) has significantly boosted the healthcare industry. Federated learning (FL) can enhance the utilization of patient data while protecting privacy. Despite the great potential of FL to enhance the architecture of IoMT, the need for effective interference management and the limited energy resources of IoMT devices make the integration of FL into IoMT environments particularly challenging. This study proposes an innovative framework to address these challenges by optimizing power allocation and client selection across participating IoMT devices in the FL process. By employing a Stackelberg game model, our approach orchestrates power allocation among IoMT devices to enhance communication efficiency while adhering to strict differential privacy (DP) standards. Regarding the availability of network state information, we propose non-uniform pricing and uniform pricing strategies, respectively. Then, we derive the optimal interference price and power for the IoMT devices using nonlinear programming and convex optimization. To tackle the issue of energy constraints in IoMT devices, we adopt Lyapunov optimization for adaptive client selection, ensuring sustainable device participation in the FL process over time. In addition, our approach integrates DP to protect patient data, carefully balancing between privacy and the accuracy of the learning model. Our extensive simulations demonstrate marked improvements in privacy preservation, communication efficiency, and energy management efficiency, highlighting the effectiveness of our proposed method over existing solutions.
Näytä enemmänOrganisaatiot ja tekijät
Julkaisutyyppi
Julkaisumuoto
Artikkeli
Emojulkaisun tyyppi
Lehti
Artikkelin tyyppi
Alkuperäisartikkeli
Yleisö
TieteellinenVertaisarvioitu
VertaisarvioituOKM:n julkaisutyyppiluokitus
A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessäJulkaisukanavan tiedot
Volyymi
Early Access
ISSN
Julkaisufoorumi
Avoin saatavuus
Avoin saatavuus kustantajan palvelussa
Ei
Rinnakkaistallennettu
Ei
Muut tiedot
Tieteenalat
Tietojenkäsittely ja informaatiotieteet
Avainsanat
[object Object],[object Object],[object Object]
Julkaisumaa
Yhdysvallat (USA)
Kustantajan kansainvälisyys
Kansainvälinen
Kieli
englanti
Kansainvälinen yhteisjulkaisu
Kyllä
Yhteisjulkaisu yrityksen kanssa
Ei
DOI
10.1109/tcomm.2024.3523968
Julkaisu kuuluu opetus- ja kulttuuriministeriön tiedonkeruuseen
Kyllä