Over-the-air computation (AirComp) has emerged as a new analog power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) technique for low-latency model/gradient-updates aggregation in federated edge learning (FEEL). By integrating communication and computation into a joint design, AirComp can significantly enhance the communication efficiency, but at the cost of aggregation errors caused by channel fading and noise. This paper studies a particular type of FEEL with federated averaging (FedAvg) and AirComp-based model-update aggregation, namely over-the-air FedAvg (Air-FedAvg). We investigate the transmission power control to combat against the AirComp aggregation errors for enhancing the training accuracy and accelerating the training speed of Air-FedAvg. Towards this end, we first analyze the convergence behavior (in terms of the optimality gap) of Air-FedAvg with aggregation errors at different outer iterations. Then, to enhance the training accuracy, we minimize the optimality gap by jointly optimizing the transmission power control at edge devices and the denoising factors at edge server, subject to a series of power constraints at individual edge devices. Furthermore, to accelerate the training speed, we also minimize the training latency of Air-FedAvg with a given targeted optimality gap, in which learning hyper-parameters including the numbers of outer iterations and local training epochs are jointly optimized with the power control. Finally, numerical results show that the proposed transmission power control policy achieves significantly faster convergence for Air-FedAvg, as compared with benchmark policies with fixed power transmission or per-iteration mean squared error (MSE) minimization. It is also shown that the Air-FedAvg achieves an order-of-magnitude shorter training latency than the conventional FedAvg with digital orthogonal multiple access (OMA-FedAvg).


翻译:超空计算( AirComp) 已成为一种新型的模拟电流- 离线性非垂直电流多存技术( NOMA), 用于在联合边缘学习中进行低纬度模型/ 梯度更新聚合。 通过将通信和计算整合到联合设计中, AirComp 可以显著提高通信效率, 但以频道淡化和噪音造成的汇总错误为代价。 本文研究一种特定类型的感觉, 与平均( FedAvg) 和基于 AirComprocil 的模型- 更新聚合, 即空气优化 FedAvg (Air- FedAvg) (Air- FedAvg) 的超精度优化电源访问技术。 我们调查了传输电源控制以对抗气相整合错误, 提高培训准确性和加速培训速度速度。 至此端, 我们首先分析A- Fealf Av- 常规的趋异性行为( 最佳度差距差差分解), 然后提高培训率, 我们通过在边端设备中联合优化传输动力控制系统, 也显示我们进行快速学习。

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