初识空中计算(Over-the-Air Computation)

近几年，空中计算被多次提及。作为一种新的计算范式，空中计算被认为是能够解决物联网时代下大量接入的解决方案。本篇文章主要围绕下面几个问题，并希望能够解释清楚
首先说明：空中计算针对的是无线网络
以下问题：
1.为什么要有空中计算？
2.空中计算是什么?
3.空中计算未来的方向在哪里？
4.主要研究空中计算的研究机构有哪些？

1.为什么要有空中计算？

是需求导致了空中计算的诞生。在物联网时代下，会有海量节点接入。传感器采集数据后需要对数据进行处理/计算，但传感器的计算资源受限，需要回传至中心节点借助其算力，也就是要先通信再计算。这在大量接入的环境下，时延太大。所以空中计算被提出，将通信和计算结合，来解决海量接入的时延问题。

2.空中计算是什么？

从名字上就比较好理解，就是在传输过程中就完成计算。听更直观的例子是之前所有的数据(假设N个点)都要传输至center再进行计算(假设每个数据需要先单独处理，再总体求平均值)，那整个过程需要进行N次计算+一次center求平均值。而空中计算的方式，数据的N次计算都在传输过程中完成，center只需要进行一次平均值计算，这样就大大减少了延时。而是处理时间不随N的变化而变化太大。
听起来有点儿玄幻，其实现的原理是什么呢？其实是利用来自多个传感器的同时相干传输，并修改传感器传输，以便在无线信道上碰撞产生所需功能值。空中计算基于“通信计算一体化”，利用信号在传输过程中的波形叠加属性，实现快速的数据汇集
空中计算主要关注于两个核心问题：
1）在于如何解决海量数据收集与大规模计算带来的传输时延与计算时延
2）在于如何设计适合于无线网络的智能计算框架

空中计算具体的实现方式有两种：基于模拟、基于数字

模拟的优点是实现相对简单，缺点是无法有效的对抗噪声。数字的优缺点与之相反，即实现复杂，可有效对抗噪声。

空中计算听上去不错，但也不是对于一切均适用。空中计算算是一种并行通信，在通信中完成计算，适用于通信负载有限情况。最重要的是，空中计算不是能够完成所有任务。只能完成求和、求平均值、求最大最小值这样的简单任务。实际背景：对采集数据的需求。需要平均值、看最大值是否高于阈值。前面提到了空中计算是解决大量接入场景，所以只适合大型网络，不适合小型。
具体的实现细节、原理介绍可去查看首次提出文章：Over-the-air Function Computation in Sensor Networks
时间：2016

3.空中计算未来的方向在哪里？

1）与联邦学习结合(Federated Learning Based on Over-the-Air Computation)
像联邦学习这种分布式的架构很适合空中计算，在通信中完成计算可以避免center了解计算过程，保密性更好。
2）空中计算过程的加强、优化(Over-The-Air Computation via Intelligent Reflecting Surfaces)，借助于智能反射面强化计算等
3）与深度学习结合(Deep Over-the-Air Computation)。设计适合深度学习的框架，可以更好的服务于与机器学习相关的上层应用

4.主要研究空中计算的研究机构有哪些？

国内：
1）中兴通讯：专题——无线网络空中计算(专题：无线网络空中计算 (zte.com.cn))
2）各大高校：中科大、浙大、南方科技大等(总体感觉高校对此的研究论文还不是很多)
国外：
1）Massachusetts Institute of Technology——提出者
2）期刊：IEEE Trans. Wireless Communicaitons/IEEE Internet of Things Journal/IEEE Wireless Communications Letters均刊登过相关文章

因作者水平有限，如有错误之处，请在下方评论区指正，谢谢！