The space-air-ground integrated network (SAGIN), one of the key technologies for next-generation mobile communication systems, can facilitate data transmission for users all over the world, especially in some remote areas where vast amounts of informative data are collected by Internet of remote things (IoRT) devices to support various data-driven artificial intelligence (AI) services. However, training AI models centrally with the assistance of SAGIN faces the challenges of highly constrained network topology, inefficient data transmission, and privacy issues. To tackle these challenges, we first propose a novel topology-aware federated learning framework for the SAGIN, namely Olive Branch Learning (OBL). Specifically, the IoRT devices in the ground layer leverage their private data to perform model training locally, while the air nodes in the air layer and the ring-structured low earth orbit (LEO) satellite constellation in the space layer are in charge of model aggregation (synchronization) at different scales.To further enhance communication efficiency and inference performance of OBL, an efficient Communication and Non-IID-aware Air node-Satellite Assignment (CNASA) algorithm is designed by taking the data class distribution of the air nodes as well as their geographic locations into account. Furthermore, we extend our OBL framework and CNASA algorithm to adapt to more complex multi-orbit satellite networks. We analyze the convergence of our OBL framework and conclude that the CNASA algorithm contributes to the fast convergence of the global model. Extensive experiments based on realistic datasets corroborate the superior performance of our algorithm over the benchmark policies.


翻译:空间-地空综合网络(SAGIN)是下一代移动通信系统的关键技术之一,可为全世界用户提供数据传输,特别是在一些偏远地区,通过互联网远程事物(IORT)设备收集大量信息数据,以支持各种数据驱动人工智能服务,但是,在SAGIN的协助下,培训AI模型面临高度有限的网络地形、数据传输效率低下和隐私问题等挑战。为了应对这些挑战,我们首先提议为SAGIN,即橄榄学分支学习(OBL),为全球用户,特别是一些偏远地区的用户提供数据传输。具体地说,IORT设备利用他们的私人数据在当地进行模型培训,而空气层的空结点和环形低地球轨道卫星星座则在不同规模上负责模型聚合(同步化)等挑战。为了进一步提高OBL的通信效率和复杂性,一个高效的上层和无II-WA-SAT-Sate(OAAAA)的高级精良性逻辑统化学习框架,这是我们从CSA卫星轨道上向更接近的地理序列分配数据框架设计的我们CSA。

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