本技术介绍了一种优化的卫星联邦边缘学习方法,该方法依托星地协同传输技术,实现星上本地多轮模型训练,确保数据本地处理,减少对星地链路的依赖。通过在全局训练轮次中融入轨道内模型平均,降低星地链路使用频率,提升模型收敛速度。利用轨道内激光星间链路的高传输率和稳定性,减少星地链路使用,基于环全归约算法提出高效的轨道内通信方案。此外,提出基于网络流的星地协同模型传输机制,有效降低通信延迟,优化卫星联邦边缘学习的架构和通信机制,缩短训练收敛时间,提高模型准确率。
背景技术
随着5G通信技术进入商业化阶段,在全球范围内得到了广泛部署,特别是在进入6G时代的背景下,低地球轨道(低轨)卫星网络成为了一个重要的研究方向,且已在全球范围内积极部署。例如Starlink、Kuiper,以及中国最近宣布的低轨星座项目,其目标是充分利用低延迟和高覆盖率的特点,为遥感、地理信息系统、灾害监测等领域提供了新的解决方案。
除了通信能力,现代低轨卫星通常配备有计算和遥感等多种有效载荷。同时,各种卫星机载计算硬件,如机载CPU、GPU和其他在轨计算芯片的迅速发展,使得星载计算能力不断提升。此外,得益于低轨卫星的低高度和合成孔径雷达以及多光谱感测技术等遥感技术的成熟,加上低轨卫星数量的爆炸性增长,大量高分辨率的遥感数据在星上被收集,无疑蕴涵着巨大的信息提取和利用价值。作为当前最主要的数据挖掘方法,机器学习技术已在遥感数据处理中得到广泛应用,包括土地覆盖分类、云检测和降水估计、漏油检测等多种应用。
然而,对大量遥感数据进行机器学习模型训练的传统方法主要是:将原始数据从卫星传输到地面站,并在云计算中心执行进一步处理。然而,随着星上数据量的剧增和卫星与地面之间有限且昂贵的频谱资源,这种方法导致了巨大的通信成本。此外,星上原始数据的利用涉及严重的数据隐私问题,特别是对于高分辨率卫星图像的使用会受到相关法规的严格限制。
鉴于通信瓶颈和数据隐私的这两个挑战,利用卫星端的计算能力进行在轨模型训练正成为一个主要趋势。联邦边缘学习是一种新型的通过多个边缘设备协作训练全局模型,而无需让任何原始数据离开其设备。边缘设备首先使用各种优化方法训练本地模型,而后将本地模型参数传输到参数服务器,后者聚合接收到的模型参数并将其广播回所有边缘设备,从而创建一个迭代模型训练过程。尽管在地面网络中部署联邦边缘学习已经被广泛研究,解决方案相对成熟,但在低轨大型星座网络中部署联邦边缘学习面临独特的挑战,主要表现为由卫星的高移动性导致的极短的通信窗口和零星的卫星至地面的连接(星地链路)。
为了解决这个问题,大多数现有工作都集中在设计异步机制以减少星地链路的等待时间,却会导致全局模型收敛较慢。另一个研究方向是利用成熟的激光星间链路技术进行卫星中继,以减少星地链路中断期间的等待时间。但是这些相关研究都忽略了卫星联邦边缘学习的拓扑特性,且缺乏一种星地之间的协同传输机制。
实现思路