Low-Earth orbit (LEO) satellites have been prosperously deployed for various Earth observation missions due to its capability of collecting a large amount of image or sensor data. However, traditionally, the data training process is performed in the terrestrial cloud server, which leads to a high transmission overhead. With the recent development of LEO, it is more imperative to provide ultra-dense LEO constellation with enhanced on-board computation capability. Benefited from it, we have proposed a collaborative federated learning for low Earth orbit (FELLO). We allocate the entire process on LEOs with low payload inter-satellite transmissions, whilst the low-delay terrestrial gateway server (GS) only takes care for initial signal controlling. The GS initially selects an LEO server, whereas its LEO clients are all determined by clustering mechanism and communication capability through the optical inter-satellite links (ISLs). The re-clustering of changing LEO server will be executed once with low communication quality of FELLO. In the simulations, we have numerically analyzed the proposed FELLO under practical Walker-based LEO constellation configurations along with MNIST training dataset for classification mission. The proposed FELLO outperforms the conventional centralized and distributed architectures with higher classification accuracy as well as comparably lower latency of joint communication and computing.


翻译:地球低轨道(LEO)卫星因其采集大量的图像或传感器数据的能力而被广泛部署于各种地球观测任务中。然而,传统上,数据训练过程是在地面云服务上执行的,这导致了高传输开销。随着LEO技术的不断发展,为提供具有增强的板载计算能力的超密集LEO星座变得更加紧迫。基于此,我们提出了一种基于光学星间链路(ISLs)的联合联邦学习(FELLO)方案,将整个过程分配到具有低负载ISLs的LEOs上执行,而低延迟地面网关服务器(GS)仅负责初始信号控制。GS最初选择一个LEO服务器,而其LEO客户端则由聚类机制和通过光学ISLs的通信能力决定。当FELLO的通信质量不佳时,将执行更改LEO服务器的重新聚类。在模拟中,我们针对实际基于Walker的LEO星座配置,以及MNIST分类任务数据集,对所提出的FELLO进行了数值分析。与传统的集中式和分布式架构相比,所提出的FELLO具有更高的分类准确性,以及相对较低的联合通信和计算延迟。

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