喜讯 | 理工学院研究生吴晨睿一作论文被2022 IEEE卫星计算大会接收并获最佳学生论文奖

香港中文大学（深圳）理工学院计算机与信息工程研究生吴晨睿在IEEE Satellite 2022上以口头演讲发表的论文《DSFL: Decentralized Satellite Federated Learning for Energy-Aware LEO Constellation Computing》被2022 IEEE卫星计算大会接收并获最佳学生论文奖（Best Student Paper Award）。吴晨睿为此论文的第一作者，王方鑫教授为此论文的通讯作者。

该工作探究了联邦学习在卫星计算这一通信场景的应用，为促进协作式机器学习和卫星网络的融合提供了深刻的见解。

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会议简介

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2022 IEEE卫星计算大会（IEEE Satellite 2022）由IEEE计算机学会云计算技术委员会（IEEE TCCLD）支持举办。IEEE Satellite是卫星计算领域一流的国际会议，将为相关领域的科研人员和工业界从业人员提供重要的国际平台来交流计算机科学和电子工程领域卫星计算最新的科研进展和实践经验。

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论文研究内容

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近地轨道(LEO)卫星星座在6G移动网络和空天地网络中发挥着重要作用。通过低轨道卫星、地面基站和终端组成的通信网络，可以实现全球的网络服务。全球的通信覆盖和宝贵的数据资源为利用LEO卫星的计算和数据资源提供了新的机遇，可用于灾害预测、交通监测、农业监控等智能学习任务。联邦学习(FL)是实现这一目标的一个很有前途的框架，它在隐私保护和数据利用之间取得了平衡。传统的FL采用集中式部署，即以地面基站为服务器，卫星作为客户端，但这会面临两个挑战:

1)集中式部署存在单点故障的风险；2)卫星与地面的间歇性通信会导致模型收敛变慢。

为了应对这些挑战，本文考虑卫星通信中有限的通信流量、数据的隐私和机器学习的效率，提出了一种去中心化的卫星联邦学习方法。卫星以去中心化的方式进行协作，以达成模型参数的共识，克服了卫星间数据异质性的影响。在考虑卫星电池容量有限的情况下，我们进一步设计了一种能量感知的通信策略，以延长卫星使用寿命，避免通信拥塞。在真实数据集中进行了验证。

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学生感言

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吴晨睿

理工学院计算机与信息工程2021级研究生

非常感谢我的研究生导师王方鑫老师和另一位合作老师朱怡飞老师的耐心指导与悉心教诲，在论文构思、实验设计和论文撰写过程中给予支持与帮助。

这篇论文的过程也是充满坎坷与努力。首先是对相关论文的阅读和分析。卫星网络作为一个通信与计算机领域的研究热点，已经有许多相关工作。而联邦学习作为一个新兴的分布式机器学习范式，在卫星上的应用寥寥。通过对已有工作的分析，发现在卫星场景下同步更新的联邦学习会造成系统效率低下，异步更新的联邦学习会受模型陈旧度的影响，而一种常见的去中心化机器学习Gossip Learning由于只与邻居通信，会加剧数据异质性带来的模型漂移现象。因此本文提出了一种all to all的去中心化联邦学习，每个卫星作为一个转发点，使模型能在整个卫星网络上实现共享，从而同时解决更新效率和模型性能的挑战。这样的更新策略会造成比中心化机器学习更大的通信步长，而卫星的能量资源和电池寿命也是宝贵的。因此提出了一种根据卫星间连接的流量和能量进行选择的通信策略，规划出一条最节能的路径。

这项工作遇到的最大的挑战是实验。与以往人工智能的实验只需要简单的数值仿真不同，这篇工作需要模拟卫星网络来还原现实场景。为此，我作为一个初学者，开始寻找和筛选模拟卫星的软件与工具。通过对现有论文的查阅和亲身尝试了许多种工具后，最终确定了STK (Satellite Tool Kit)卫星模拟软件。如何将该工具与FL的代码相结合又是一个挑战。为了严谨地完成科研工作，我系统学习了卫星数据特征，在联邦学习任务中进行卫星网络的建立，完成了整个系统的模拟。在此基础上应用常规的机器学习任务和比较。在这个过程中我得到了巨大的锻炼和成长。在论文的写作过程中，老师的指导也让我充分地理解了科研工作的严谨。无论是文章中公式的准确性，还是图表的展示效果，甚至每一条引用的细心校验，每一条语句的认真打磨，都是科研工作的严格要求。

对我来说，这次的科研工作是一个全新的体验，勇敢地去尝试未知的领域，去迈出第一步。在这过程中会遇到各种问题，过程虽然是艰辛的，但是经过这些磨砺与思考，不断学习并努力克服困难，完成一个精准严谨的科研工作的成就感是巨大的。能够获得这个奖既是对自己过去的认可，也是对未来的鞭策，应当以更高的要求，更精益求精的工作态度，去完成更加高水平的科研工作。

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指导教授简介

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王方鑫

理工学院/未来智联网络研究院助理教授

校长青年学者

王方鑫博士现为香港中文大学（深圳）理工学院/未来智联网络研究院助理教授、博士生导师。他于北京邮电大学获得学士学位，清华大学获得硕士学位，加拿大Simon Fraser University获得博士学位，随后于加拿大University of British Columbia从事博士后研究。他的研究兴趣包括通感算一体化的多媒体智能网络，云边端协同计算，人工智能与计算机网络的交叉研究。他在IEEE INFOCOM, ACM Multimedia, IEEE/ACM Transactions on Networking, IEEE Transaction on Mobile Computing, IEEE Internet of Things Journal, IEEE Transactions on Networking Science and Engineering等国际顶级期刊会议上发表论文40余篇, 近5年来论文总引用数次数超700余次。他担任Digital 担任多个学术会议和研讨会的技术委员会委员、分会主席，包括IEEE/ACM IWQoS国际会议（CCF推荐B类会议）的出版主席、分会主席，IEEE ICC（通信领域顶级会议）的技术委员会委员，2021粤港澳大湾区智能网络与通信系统论坛联合主席，2022 WOCC技术委员会委员。他先后获得“校长青年学者”荣誉称号，西蒙弗雷泽大学(SFU)优秀博士毕业生奖章(当年全系唯一)，SFU Michael Stevenson卓越研究生奖学金奖励(当年全系唯一)，基金委优秀海外自费留学生奖励（奖励全球前500名海外留学生）。

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排版|卢梓涵（2022级理工学院 逸夫书院）

审核 | SSE Office

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