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一种新的“太空网络“设计

来源:环球科学

(图片来源:CC0 Public Domain)

新一代的低空飞行卫星有望组成太空网络,甚至可以覆盖全球各个偏远地区。来自苏黎世大学的计算机学家正在提议一种新的网络设计,可以使此类系统的网络容量增加一倍。

卫星尚未在互联网设施中发挥重要作用,但这种情况可能很快会改变。来自苏黎世大学网络设计与架构实验室的Ankit Singla教授相信,在未来十年中,新一代的卫星可以成为太空网络的基础。他的团队正在研究如何提高大型计算机网络(包括互联网)的性能。

利用太空领域先进的成本削减技术,新的卫星系统可以使用数千颗卫星,而不是像之前的系统只可以使用几十颗卫星。这些卫星可以通过激光彼此连接从而形成网络。其覆盖面积可以包括目前还没有或者网络很差的偏远地区,这些地区尚未或是罕有连接到到为当今互联网所依赖的洲际光纤电缆。

太空互联网之争

LEO卫星的能力引发了一场新的激烈的太空争霸赛,一些重量级选手比如Elon Musk的SpaceX和Jeff Bezo的亚马逊都参与其中。这些公司在开发数以万记的卫星来形成大规模太空网络。这些卫星将在距离地球500公里的轨道以27000km/h的速度绕地球环行(对地静止卫星:35,768km)。

例如,SpaceX已经发射了首批120颗卫星,并计划于2020年开始提供基于卫星的互联网服务。除了全球覆盖外,太空网络中使用的技术还保证了高数据传输速率,延迟也远低于传统的对地静止卫星,甚至低于用于长距离通信的地下光纤线路。

正在与Singla合作的博士候选人DEbopam Bhattacjerje说:“如果这些计划获得成功,那将是世界互联网基础设施的巨大飞跃。”他正在研究基于卫星的带宽互联网的网络优化设计,以确保高带宽,无延迟的数据流。他将于今天在佛罗里达州ACM CoNEXT 2019新兴网络性能和技术国际会议上展示他的成果。

动态网络的新设计

与“地面互联网”相比,处于运动中的“太空互联网“带来了新的研究挑战。卫星代表数据传输所经过的节点。随着基于卫星的节点不断改变彼此之间的相对位置,它们形成了高度动态的网络。与此对应,地面互联网的节点位置并不会改变。因此,“地面互联网”的静态结构不能满足太空互联网的要求。

要实现基于卫星的宽带互联网,我们必须重新考虑互联网当前设计运行方式的所有方面。”Singla说道。他解释说,由于卫星以密集群的形式快速移动,太空互联网需要一种更有效的网络设计方法。即使是用于火车,无人机和飞机上的移动网络设计概念,也无法简单地迁移到卫星上。

Bhattacherjee和Singla已经研究出一种数学模型,用于演示如何从根本上改善空间网络设计。他们已经使用SpaceX和Amazon的示例测试了他们的设计方法,但是这个模型的应用范围不止这两家公司。

模型可确保流畅的数据流

Bhattacherjee和Singla提出的设计概念完全基于低地球轨道卫星的高短时动态。他们首先提出的关键问题是:如何将数千颗卫星连接在一起以实现最佳的网络性能?找到达案并不容易,因为每个卫星最多与四个卫星建立连接。

直觉来说,人们会认为卫星应当始终连接到距离最近的卫星。然而,根据Vhattacherjee的说法,这种想法太过局限。这些卫星可以稳定地连接到距离较远的卫星。为了最大化数据传输效率,如果数据经过更长的传输距离但是经过更少的节点,实际上会更有效率。毕竟,通过节点时也会消耗资源,从而使可用资源变少。

但是,减少传输路径上节点数量的同时必须保证传输距离不会过长。否则将会使延迟增加。此外,卫星之间的连接不可以频繁更换,因为建立新的连接可能花费数十秒的时间,而在此期间无法传输数据。

Bhattacherjee和Singla的方法背后的新颖思想是,卫星之间的连接将基于专门的重复模式建立。最合适的模式取决于卫星群的几何形状和网络的输入流量。关键点在于,连接模式在网络中的每颗卫星上都重复,所有卫星都以完全相同的方式连接,并且连接随时间保持稳定。

就SpaceX而言,新的设计理念使网络效率与当前方法相比提高了54%。对于Kuiper(Amazon),效率提高了45%。Bhattacherjee总结说:“我们的方法可以使基于卫星的互联网效率提高一倍。”

翻译:刘博宇

审校:董子晨曦

引进来源:苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)

引进链接:https://techxplore.com/news/2019-12-network-internet-space.html

 

本文来自:环球科学
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