This paper presents NCOTA-DGD, a Decentralized Gradient Descent (DGD) algorithm that combines local gradient descent with a novel Non-Coherent Over-The-Air (NCOTA) consensus scheme to solve distributed machine-learning problems over wirelessly-connected systems. NCOTA-DGD leverages the waveform superposition properties of the wireless channels: it enables simultaneous transmissions under half-duplex constraints, by mapping local optimization signals to a mixture of preamble sequences, and consensus via non-coherent combining at the receivers. NCOTA-DGD operates without channel state information at transmitters and receivers, and leverages the average channel pathloss to mix signals, without explicit knowledge of the mixing weights (typically known in consensus-based optimization algorithms). It is shown both theoretically and numerically that, for smooth and strongly-convex problems with fixed consensus and learning stepsizes, the updates of NCOTA-DGD converge in Euclidean distance to the global optimum with rate $\mathcal O(K^{-1/4})$ for a target of $K$ iterations. NCOTA-DGD is evaluated numerically over a logistic regression problem, showing faster convergence vis-\`a-vis running time than implementations of the classical DGD algorithm over digital and analog orthogonal channels.


翻译:本文提出NCOTA-DGD算法,一种结合局部梯度下降与新型非相干空中共识(NCOTA)的去中心化梯度下降(DGD)算法,用于解决无线连接系统上的分布式机器学习问题。NCOTA-DGD利用无线信道的波形叠加特性:通过将局部优化信号映射为前导序列的混合,在半双工约束下实现同时传输,并在接收端通过非相干合并达成共识。该算法无需在发射端和接收端获取信道状态信息,且利用平均信道路径损耗实现信号混合,无需显式知晓混合权重(这在基于共识的优化算法中通常是已知的)。理论分析与数值实验表明,对于固定共识和固定学习步长的光滑强凸问题,NCOTA-DGD的更新在欧氏距离上以$\mathcal O(K^{-1/4})$的速率收敛到全局最优解($K$为目标迭代次数)。在逻辑回归问题上的数值评估显示,与通过数字和模拟正交信道实现的经典DGD算法相比,NCOTA-DGD在收敛速度与运行时间性能比上具有明显优势。

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