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 over LEO satellite constellation (FedLEO). 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 FedLEO. In the simulations, we have numerically analyzed the proposed FedLEO under practical Walker-based LEO constellation configurations along with MNIST training dataset for classification mission. The proposed FedLEO outperforms the conventional centralized and distributed architectures with higher classification accuracy as well as comparably lower latency of joint communication and computing.


翻译:低地球轨道 (LEO) 卫星已经成功地用于地球观测任务,这是由于其能够收集大量的图像或传感器数据。然而,传统的数据训练过程是在地面云服务器上执行的,这导致了很高的传输开销。随着 LEO 技术的发展,更有必要提供具有增强的机载计算能力的超高密度 LEO 卫星星座。在此背景下,我们提出了一种基于 LEO 卫星星座的协作联邦学习 (FedLEO)。我们将整个过程分配给了 LEO,利用其低有效载荷间卫链路进行通讯,而低延迟地面网关服务器 (GS) 只负责初始信号控制。GS 首先选择一个 LEO 服务器,而其 LEO 客户端则是通过聚类机制和光学卫链路的通信能力确定的。在 FedLEO 的通信质量较差时,会进行一次重新聚类来更改 LEO 服务器。在仿真中,我们利用 MNIST 训练数据集对所提出的 FedLEO 在实际基于 Walker 的 LEO 卫星星座配置下进行了数值分析,用于分类任务。所提出的 FedLEO 在分类准确度和联合通信计算延迟方面表现优异,超过了传统的集中式和分布式架构。

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