This paper studies a hierarchical over-the-air computation (AirComp) network over a large area, in which multiple relays are exploited to facilitate data aggregation from massive WDs. We present a two-phase amplify-and-forward (AF) relaying protocol. In the first phase, the WDs simultaneously send their data to the relays, while in the second phase, the relays amplify the respectively received signals and concurrently forward them to the fusion center (FC) for aggregation. Our objective is to minimize the computational mean squared error (MSE) at the FC, by jointly optimizing the WD transmit coefficients, the relay AF coefficients, and the FC de-noising factor, subject to their individual transmit power constraints. First, we consider the centralized design with global channel state information (CSI), in which the inter-relay signals can be exploited beneficially for data aggregation. In this case, we develop an alternating-optimization-based algorithm to obtain a high-quality solution to the computational MSE minimization problem. Next, to reduce the signaling overhead caused by the centralized design, we consider an alternative decentralized design with partial CSI, in which the relays and the FC make their own decisions by only requiring the channel power gain information across different relays. In this case, the relays and FC need to treat the inter-relay signals as harmful interference or noise. Accordingly, we optimize the transmit coefficients of the WDs associated with each relay, and the relay AF coefficients (together with the FC de-noising factor) in an iterative manner, which can be implemented efficiently in a decentralized way.


翻译:本文研究一个大面积地区的分级超空计算(AirComp)网络,其中利用多个中继来便利大型WD的数据汇总。 我们展示了一个两阶段的扩展和前向(AF)转发协议。 在第一阶段, WD同时将其数据发送给中继器, 在第二阶段, 转发器将分别接收的信号放大, 并同时将其传送到聚合中心。 我们的目标是尽量减少FC的计算平均平方差(MSE), 联合优化WD传输系数、 代用AF系数和FC去注解系数, 以便利大型WD传输数据汇总。 我们根据个人传输的电力限制, 提出一个双向设计, 使用全球频道状态信息(CSI) 集中设计, 从而利用中继信号对数据汇总有好处。 在本案中, 我们开发一种基于交替操作的算式算式算式算法, 以获得高质量的解决方案 。 其次, 减少由中央设计引发的电路的电路, 以及FC 进行替代式的中继器设计, 使用不同的中继器 。

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