長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)始終遵循 “先傳輸、后計(jì)算” 的固有模式，通信與計(jì)算相互割裂，不僅易引發(fā)信號(hào)干擾、拉高系統(tǒng)功耗，還會(huì)讓算力壓力過(guò)度集中，難以適配車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等大規(guī)模并發(fā)場(chǎng)景。而一項(xiàng)名為空中計(jì)算（Over-the-Air Computation，OAC）的創(chuàng)新技術(shù)，正試圖從底層架構(gòu)打破這一困局。

OAC 最早于 2005 年被提出，近年來(lái)全球多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)相繼完成原型研發(fā)與驗(yàn)證。該技術(shù)最核心的突破，在于將通信與計(jì)算融為一體，使傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、智能家居、智慧城市等各類終端，能夠根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景動(dòng)態(tài)分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算負(fù)荷，從根本上優(yōu)化運(yùn)行效率。

這一理念利用了電磁輻射的基本物理特性：多臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)射信號(hào)時(shí)，無(wú)線信號(hào)會(huì)在空中自然疊加。通常，這種串?dāng)_被視為干擾，無(wú)線電設(shè)備（尤其是帶糾錯(cuò)機(jī)制、對(duì)低強(qiáng)度噪聲具備固有抗擾性的數(shù)字無(wú)線電）會(huì)刻意抑制它。

但如果精心設(shè)計(jì)傳輸方式，串?dāng)_反而能讓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)直接執(zhí)行求和、求平均等部分計(jì)算。目前一些原型機(jī)在數(shù)字無(wú)線電上采用類模擬信號(hào)傳輸，使疊加波形在數(shù)字信號(hào)處理前就完成數(shù)值相加。

研究人員也開始探索數(shù)字空中計(jì)算方案，將相同原理嵌入數(shù)字格式，最終讓原型方案能與現(xiàn)有數(shù)字無(wú)線電協(xié)議兼容。這些多樣化的空中計(jì)算技術(shù)可助力網(wǎng)絡(luò)平滑擴(kuò)展，支持全新的實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)密集型服務(wù)，同時(shí)更高效地利用無(wú)線頻譜。

換句話說(shuō)，OAC 將信號(hào)干擾從缺陷轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)，助力無(wú)線系統(tǒng)支撐海量增長(zhǎng)。

重新定義：將無(wú)線電干擾變?yōu)榛A(chǔ)設(shè)施

數(shù)十年來(lái)，工程師設(shè)計(jì)無(wú)線電通信協(xié)議的核心目標(biāo)只有一個(gè)：分離每一路信號(hào)，完整還原每條信息。如今的網(wǎng)絡(luò)面臨全新壓力：必須協(xié)調(diào)大量設(shè)備協(xié)同完成共享任務(wù)（如 AI 模型訓(xùn)練、多傳感器數(shù)據(jù)融合），同時(shí)盡可能減少原始數(shù)據(jù)交換，以提升效率與隱私性。因此，一種不依賴收集與存儲(chǔ)每臺(tái)設(shè)備原始數(shù)據(jù)的全新收發(fā)方式值得探索。

通過(guò)將干擾轉(zhuǎn)化為計(jì)算，OAC 把無(wú)線介質(zhì)從競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)作空間。這一范式轉(zhuǎn)變影響深遠(yuǎn)：信號(hào)不再爭(zhēng)搶獨(dú)立通道，而是協(xié)同實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)。OAC 精簡(jiǎn)多層數(shù)字處理，降低延遲，減少能耗。

即便求和這類簡(jiǎn)單操作，也能成為強(qiáng)大計(jì)算的基礎(chǔ)。許多復(fù)雜流程可拆解為簡(jiǎn)單操作組合，就像用基礎(chǔ)音調(diào)合成豐富音色。通過(guò)精心設(shè)計(jì)設(shè)備發(fā)射方式與接收端解析邏輯，搭載 OAC 的無(wú)線信道可實(shí)現(xiàn)求和之外的更多計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中，只要設(shè)計(jì)合理，無(wú)線信號(hào)就能完成現(xiàn)代算法依賴的多項(xiàng)關(guān)鍵函數(shù)。

設(shè)想五輛互相可見的聯(lián)網(wǎng)汽車，每輛車向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)車速（慢、中、快）。按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，五輛車必須獨(dú)立追蹤并統(tǒng)計(jì)所有接收信號(hào)。即便在這個(gè)極簡(jiǎn)案例中，網(wǎng)絡(luò)已出現(xiàn)擁堵。（馬克·蒙哥馬利）

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的許多核心任務(wù)，并不需要記錄與存儲(chǔ)每一次網(wǎng)絡(luò)傳輸。其目標(biāo)是推斷網(wǎng)絡(luò)流量的聚合特征 —— 達(dá)成共識(shí)，或識(shí)別流量中最重要的信息。共識(shí)算法依靠多數(shù)投票確保決策可靠，即便部分設(shè)備故障也不受影響。人工智能系統(tǒng)依賴矩陣降維、最大池化等簡(jiǎn)化操作，從噪聲數(shù)據(jù)中提取最有用的信號(hào)。

在智慧城市與智能電網(wǎng)中，關(guān)鍵信息往往不是單個(gè)讀數(shù)，而是分布情況：各路況對(duì)應(yīng)的設(shè)備數(shù)量是多少？各社區(qū)的需求范圍是多少？這些都是直方圖問(wèn)題——按類別統(tǒng)計(jì)設(shè)備數(shù)量的摘要。

空中計(jì)算方法類型化多址接入（TBMA）則是：上報(bào)相同狀態(tài)的設(shè)備在共享信道同步發(fā)射，信號(hào)在空中疊加，接收端僅獲取每類狀態(tài)的總信號(hào)強(qiáng)度。單次傳輸即可生成完整直方圖，且不會(huì)識(shí)別單個(gè)設(shè)備。設(shè)備數(shù)量越多，估算結(jié)果越準(zhǔn)確。這種方式讓無(wú)線介質(zhì)直接完成聚合與統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)更高頻譜效率、更低延遲，兼具可擴(kuò)展性與隱私保護(hù)性。

空中傳輸?shù)哪M值可通過(guò)信號(hào)疊加實(shí)現(xiàn)求和，這很容易理解：不同信號(hào)的幅度疊加，其代表的數(shù)值也隨之相加。更具挑戰(zhàn)的是，如何在數(shù)字信號(hào)中保留這種求和特性。

OAC 的實(shí)現(xiàn)原理如下：以傳感器網(wǎng)絡(luò)的 TBMA 方案為例，每種可能的傳感器讀數(shù)對(duì)應(yīng)專屬頻率信道。網(wǎng)絡(luò)中讀數(shù)為 “4” 的傳感器在頻率 4 發(fā)射，讀數(shù)為 “7” 的在頻率 7 發(fā)射。多備多組頻率濾波器的接收端，可讀取每種傳感器數(shù)值的 “投票” 計(jì)數(shù)。單次同步傳輸后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)即可呈現(xiàn)。

這看似矛盾：數(shù)字計(jì)算建立在模擬物理效應(yīng)之上。但所有 “數(shù)字” 無(wú)線電均是如此：Wi?Fi 發(fā)射器并不會(huì)向空中發(fā)射 0 和 1，而是調(diào)制電磁波，通過(guò)幅度與相位編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。“數(shù)字” 本質(zhì)指信息層，而非物理層。同理，OAC 的 “數(shù)字” 屬性在于，計(jì)算值（傳感器讀數(shù)、頻率區(qū)間計(jì)數(shù)）從一開始就是離散量化的。正因離散，數(shù)十年來(lái)保障數(shù)字通信可靠性的糾錯(cuò)機(jī)制也能在此應(yīng)用。

同步是 OAC 與傳統(tǒng)數(shù)字無(wú)線協(xié)議最大的差異所在。如今多數(shù) OAC 變體需要納秒級(jí)共享時(shí)鐘：所有信號(hào)相位必須同步，否則疊加可能變?yōu)橄嘞蓴_。盡管 TBMA 放寬了要求 —— 設(shè)備僅需共享時(shí)間窗口 —— 但在空中計(jì)算真正面向移動(dòng)場(chǎng)景前，仍存在大量工程挑戰(zhàn)。

空中計(jì)算實(shí)際落地將如何運(yùn)作？

近年來(lái)，空中計(jì)算已從理論走向初步概念驗(yàn)證與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。研究團(tuán)隊(duì)已成功搭建可重復(fù)驗(yàn)證的原型機(jī)：無(wú)需線纜，也無(wú)需 GPS 鎖定參考等外部時(shí)鐘源，所有同步均在無(wú)線電內(nèi)部完成。

在商用現(xiàn)成軟件無(wú)線電——亞德諾半導(dǎo)體的 Adalm?Pluto的基礎(chǔ)上，每臺(tái)無(wú)線電內(nèi)部的 FPGA 硬件都被修改，使其能響應(yīng)另一臺(tái)無(wú)線電發(fā)射的觸發(fā)信號(hào)。這一簡(jiǎn)單改造實(shí)現(xiàn)了同步發(fā)射，這是 OAC 的核心要求。這一方案由 5 臺(tái)邊緣設(shè)備無(wú)線電與 1 臺(tái)基站無(wú)線電組成，任務(wù)是通過(guò)空中訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成圖像識(shí)別。該系統(tǒng)于 2022 年首次公布成果，在網(wǎng)絡(luò)不傳輸任何原始數(shù)據(jù)的情況下，圖像識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá) 95%。

通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)，這五輛汽車會(huì)同時(shí)傳輸各自的車速。報(bào)告相同車速的車輛會(huì)共用同一頻道；它們的信號(hào)會(huì)在空中相互疊加。（馬克·蒙哥馬利）

但在 OAC 成為商用無(wú)線系統(tǒng)常規(guī)功能前，網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的時(shí)序與信號(hào)功率協(xié)調(diào)。移動(dòng)性也是難題：移動(dòng)設(shè)備位置變化時(shí)，相位同步會(huì)快速衰減，計(jì)算精度可能下降。目前 OAC 測(cè)試僅在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中運(yùn)行。讓其在動(dòng)態(tài)真實(shí)場(chǎng)景（高速公路車輛、城市散落傳感器）中穩(wěn)定工作，仍是這項(xiàng)新興技術(shù)的新前沿。

研究團(tuán)隊(duì)正在擴(kuò)大原型機(jī)與演示規(guī)模，共同研究設(shè)備數(shù)量超出實(shí)驗(yàn)室規(guī)模后 OAC 的表現(xiàn)。將原型機(jī)與測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)化為自動(dòng)駕駛汽車、智慧城市的量產(chǎn)系統(tǒng)，需要預(yù)判未來(lái)的移動(dòng)性與同步問(wèn)題，以及未來(lái)一系列其他挑戰(zhàn)。

OAC 未來(lái)發(fā)展方向

要實(shí)現(xiàn)空中計(jì)算的技術(shù)愿景，納秒級(jí)時(shí)序與精湛的射頻信號(hào)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，近年來(lái)工程技術(shù)在這兩個(gè)領(lǐng)域均取得重大進(jìn)展。

OAC 需要波形疊加，因此受益于射頻發(fā)射器在時(shí)間、頻率、相位與幅度上的緊密協(xié)調(diào)。這些要求自然建立在數(shù)十年共享接入無(wú)線通信系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)之上。現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)已通過(guò)高精度時(shí)序與上行協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備同步。

OAC 采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)與 Wi?Fi 系統(tǒng)已有的同步技術(shù)，但要真正實(shí)現(xiàn)空中計(jì)算，仍需更高精度。功率控制、增益調(diào)整、時(shí)序校準(zhǔn)是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)工具，預(yù)計(jì)工程師將進(jìn)一步優(yōu)化這些方法，以滿足 OAC 更嚴(yán)苛的精度要求。

一次傳輸就能呈現(xiàn)全貌：一輛車行駛緩慢；三輛車以中速行駛；還有一輛車行駛迅速。整體情況一目了然——并未共享或處理任何單個(gè)車輛的數(shù)據(jù)。（馬克·蒙哥馬利）

事實(shí)上，在某些場(chǎng)景下，現(xiàn)有非完美時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)已足夠使用。當(dāng)今 5G 與 6G 無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與新興標(biāo)準(zhǔn)采用智能編碼，可容忍非完美同步。輕微時(shí)序誤差、頻率漂移與信號(hào)重疊預(yù)計(jì)在某些情況下仍能適配 OAC 協(xié)議。空中計(jì)算不必抗拒干擾，反而可兼容這些不完美因素。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是將處理轉(zhuǎn)移到發(fā)射端。與其讓接收端清理重疊信號(hào)，更高效的方式是每臺(tái)發(fā)射端在發(fā)送前自行修正信號(hào)。這種 “預(yù)補(bǔ)償” 技術(shù)已應(yīng)用于 MIMO 技術(shù)（現(xiàn)代 Wi?Fi 與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多天線系統(tǒng)）。OAC 只需復(fù)用為 5G 與 6G 技術(shù)已開發(fā)的成熟方案。

材料科學(xué)也將助力 OAC 發(fā)展。新一代智能可重構(gòu)超表面通過(guò)天線內(nèi)微小可調(diào)元件調(diào)控信號(hào)，捕獲無(wú)線電波并在反射時(shí)重塑波形。可重構(gòu)超表面能增強(qiáng)有用信號(hào)、消除干擾、同步原本失步的波前到達(dá)時(shí)間。OAC 將從智能超表面提供的這些新興能力中受益。

在系統(tǒng)層面，OAC 代表無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的根本性轉(zhuǎn)變。無(wú)線工程師傳統(tǒng)上會(huì)避免設(shè)計(jì)同時(shí)發(fā)射的設(shè)備，而空中計(jì)算系統(tǒng)將徹底顛覆這一熟悉的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

有人可能質(zhì)疑，OAC 會(huì)顛覆數(shù)十年來(lái)默認(rèn)數(shù)據(jù)通道僅負(fù)責(zé)傳輸、不承擔(dān)計(jì)算的無(wú)線信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。但OAC與現(xiàn)有無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的融合不會(huì)遇到太大困難。

網(wǎng)絡(luò)可預(yù)留短暫時(shí)間窗口或窄帶帶寬用于空中計(jì)算，其余資源用于普通數(shù)據(jù)傳輸。從無(wú)線電角度看，OAC 只是一種按需開啟的工作模式。

過(guò)去十年，多項(xiàng)曾屬于實(shí)驗(yàn)性的技術(shù)已被整合進(jìn)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，例如毫米波移動(dòng)通信、多用戶 MIMO、波束成形、網(wǎng)絡(luò)切片，方式是將每項(xiàng)新技術(shù)定義為可選功能。而OAC 也可能作為可選服務(wù)，與傳統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)流量并行運(yùn)行。由于 OAC 對(duì)時(shí)序與精度要求極高，網(wǎng)絡(luò)需具備按應(yīng)用開啟 / 關(guān)閉空中計(jì)算的能力。

隨著技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，OAC 將在21世紀(jì)20年代及未來(lái)從實(shí)驗(yàn)室原型走向標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線能力。在此過(guò)程中，無(wú)線介質(zhì)將從被動(dòng)數(shù)據(jù)載體轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)計(jì)算伙伴，為未來(lái)無(wú)線技術(shù)所需的實(shí)時(shí)智能系統(tǒng)提供關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。