With the explosive growth of data and wireless devices, federated learning (FL) over wireless medium has emerged as a promising technology for large-scale distributed intelligent systems. Yet, the urgent demand for ubiquitous intelligence will generate a large number of concurrent FL tasks, which may seriously aggravate the scarcity of communication resources. By exploiting the analog superposition of electromagnetic waves, over-the-air computation (AirComp) is an appealing solution to alleviate the burden of communication required by FL. However, sharing frequency-time resources in over-the-air computation inevitably brings about the problem of inter-task interference, which poses a new challenge that needs to be appropriately addressed. In this paper, we study over-the-air federated multi-task learning (OA-FMTL) over the multiple-input multiple-output (MIMO) multiple access (MAC) channel. We propose a novel model aggregation method for the alignment of local gradients of different devices, which alleviates the straggler problem in over-the-air computation due to the channel heterogeneity. We establish a communication-learning analysis framework for the proposed OA-FMTL scheme by considering the spatial correlation between devices, and formulate an optimization problem for the design of transceiver beamforming and device selection. To solve this problem, we develop an algorithm by using alternating optimization (AO) and fractional programming (FP), which effectively mitigates the impact of inter-task interference on the FL learning performance. We show that due to the use of the new model aggregation method, device selection is no longer essential, thereby avoiding the heavy computational burden involved in selecting active devices. Numerical results demonstrate the validity of the analysis and the superb performance of the proposed scheme.


翻译:随着数据和无线设备的爆炸性增长,对无线媒体的联邦学习(FL)已成为大规模分布式智能系统的有希望的技术。然而,对无所不在的智慧的迫切需求将产生大量同时的FL任务,这可能会严重加剧通信资源的稀缺。利用电磁波的模拟叠加,超空计算(AirComp)是一个令人感兴趣的解决办法,以减轻FL所要求的通信负担。然而,在超空计算中共享频率-时间资源不可避免地带来跨任务干扰问题,这构成了需要适当解决的新挑战。在本文件中,我们对超空-即时多任务学习(OA-FMTL)的多输出(MIMO)多存(MAC)频道(AirComporation)进行研究。我们提出了一个新的模型集成方法,用于调整不同装置的本地梯度,从而缓解了由于频道高能性能性能而导致的超空计算问题。我们建立了一种超载任务性能-超载任务性能分析系统。我们为O-FSiral系统设计了一个快速的计算方法,从而显示O-Siral IMO的计算方法的升级计算结果。我们用了一个模拟计算方法的计算方法,从而显示了一种重计算方法的升级计算方法的升级计算方法。

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