Design and Optimization of Multi-Symbol Digital Over-the-air Computation
Tid: Ti 2026-03-03 kl 13.15
Plats: NSE seminar room, Teknikringen 33
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/69251234910
Språk: Engelska
Ämnesområde: Datalogi
Licentiand: Xiaojing Yan , Nätverk och systemteknik
Granskare: Assistant Professor Panagiotis Diamantoulakis, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, Greece
Huvudhandledare: Professor Carlo Fischione, Nätverk och systemteknik; Adjunct professor Gabor Fodor, Reglerteknik
QC 20260208
Abstract
Den snabba tillväxten av storskaliga Internet-of-Things-system (IoT) och framväxande 6G-nätverk har ökat behovet av kommunikationsarkitekturer som kan stödja distribuerad datagenerering, realtidsavkänning och kollaborativ intelligens. Over-the-Air Computation (AirComp) erbjuder en lovande lösning genom att utnyttja den naturliga superpositionsprincipen i den trådlösa multipelåtkomstkanalen (MAC) för att beräkna funktioner direkt över luften. Även om analog AirComp i princip möjliggör detta är metoden känslig för kanaldistorsion, saknar feltolerans och är inkompatibel med moderna digitala transceivrar, vilket begränsar dess praktiska användbarhet.
Nya digitala ramverk, såsom ChannelComp, hanterar dessa utmaningar i analog AirComp genom att utforma ändliga konstellationer som säkerställer att olika funktionsvärden mappas till separerbara punkter i den aggregerade konstellationen. ChannelComp bygger dock på enkel-symbol-modulering, vilket begränsar de geometriska frihetsgraderna för att forma den mottagna konstellationen och därmed den beräkningsmässiga noggrannheten. Dessutom behandlas alla kvantiserade värden som lika viktiga, vilket innebär att bitarnas olika signifikansnivåer i digital data inte utnyttjas. Dessa begränsningar motiverar utvecklingen av multi-symbol- och bit-medveten digital AirComp, där indata kodas i sekvenser av symboler och kan kombineras med effektanpassning, kodning eller bit-specifikt skydd. Genom att utvidga designutrymmet till multi-symbol-överföring och utnyttja strukturerad redundans blir det möjligt att förbättra robustheten mot brus och fading samt anpassa modulering efter bitarnas relativa betydelse.
Avhandlingens första del utvecklar en enhetlig teoretisk och algoritmisk grund för dessa multi-symbol-ramverk för digital AirComp. Den formaliserar problemen med konstellationsöverlagring i enkel-symbol-designs, etablerar designprinciper för tillförlitlig multi-symbol-aggregering och introducerar skalbara optimeringsverktyg — såsom semidefinit avslappning (SDR), blandad-heltal-optimering (MIP), successiv konvex approximation (SCA) och konkav-konvex-procedurer (CCP) — för att konstruera modulationssekvenser som förbättrar separerbarhet och robusthet under realistiska kanalvillkor.
Avhandlingens andra del består av fyra bifogade artiklar som implementerar och utvärderar de föreslagna idéerna. Artikel A presenterar ett beräkningsorienterat kodningsramverk som gemensamt utformar modulering och repetitionskodning. Artikel B föreslår Repetition for Multiple Access Computing (ReMAC), som selektivt upprepar modulerade symboler över flera tidsluckor för att undvika överlappning av aggregerade symboler. Artikel C utvecklar Sequential Modulation for AirComp (SeMAC), som kodar varje indata i en symbolsekvens med olika konstellationsdiagram över flera tidsluckor. Artikel D inför bit-partitionering och bitsignifikans-viktning i multi-symbol digital AirComp, vilket möjliggör förbättrat skydd av mer kritiska bitar och ger avsevärt högre beräkningsnoggrannhet. Sammantaget visar dessa arbeten att multi-symbol-moduleringsdesigner utgör en praktiskt genomförbar utveckling av digital AirComp, kompatibel med moderna trådlösa system och kapabel att beräkna allmänna icke-linjära funktioner med hög tillförlitlighet.