This paper presents the first broadband digital over-the-air computation (AirComp) system for phase asynchronous OFDM-based federated edge learning systems. Existing analog AirComp systems often assume perfect phase alignment via channel precoding and utilize uncoded analog modulation for model aggregation. In contrast, our digital AirComp system leverages digital modulation and channel codes to overcome phase asynchrony, thereby achieving accurate model aggregation in the asynchronous multi-user OFDM systems. To realize a digital AirComp system, we propose a non-orthogonal multiple access protocol that allows simultaneous transmissions from multiple edge devices, and present a joint channel decoding and aggregation (Jt-CDA) decoder (i.e., full-state joint decoder). To reduce the computation complexity, we further present a reduced-complexity Jt-CDA decoder (i.e., reduced-state joint decoder), and its arithmetic sum bit error rate performance is similar to that of the full-state joint decoder for most signal-to-noise ratio (SNR) regimes. Simulation results on test accuracy (of CIFAR10 dataset) versus SNR show that: 1) analog AirComp systems are sensitive to phase asynchrony under practical setup, and the test accuracy performance exhibits an error floor even at high SNR regime; 2) our digital AirComp system outperforms an analog AirComp system by at least 1.5 times when SNR 9dB, demonstrating the advantage of digital AirComp in asynchronous multi-user OFDM systems.
翻译:本文展示了第一个宽带数字超空计算系统(AirComp), 用于不同阶段不同步的以DDM为基础的联合边际学习系统(AirComp) 。 现有的模拟 AirComp 系统通常通过频道预编码进行完全的阶段调整, 并使用未编码的模拟调制模型聚合。 相反, 我们的数字 AirComp 系统利用数字调制和频道代码来克服不同步的阶段, 从而在不同步的多用户DM系统中实现准确的模型汇总。 为了实现数字式AirComp 系统, 我们提议了一个允许多个边缘设备同时传输的非横向多重访问协议。 现有的模拟 AirComp 系统往往假设通过频道( Jt-CDA) 进行完全的分解和合并( Jt-CDA) 解调制。 为了降低计算复杂性, 我们进一步展示了一个不连贯的Jt- CDA decoder(即降低状态联合解码), 其计算总和比差率率表现类似于全州联合解码多访问协议( ), 在最接近信号至偏差的系统中, Srmill 精确的系统显示了SR 的系统(SR) 级系统在Srmell 级测试系统下, 在Sral 级测试系统下, 在Sral 级系统下显示一个Sralb 级系统 性性性运行运行运行的性运行 性 性 性 性 性测试性 性测试性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性能 性能, 在Sral 性能 性能, 在SBRBR, 在SBR 性 上显示 Sral 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性能 性能 性能 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性 性能 性 性能 性能 性能 性能 性能 性能 性能 性