“太空互聯網”的新型網絡設計

簡介

當前,衛星尚未在全球互聯網基礎設施中發揮重要作用,然而隨著衛星通信系統的發展,寬帶衛星服務將把地面網絡擴展到衛星網絡。在未來10年內,新一代衛星可能為“太空互聯網”奠定基礎,成為遠距離互聯網數據傳輸和向偏遠地區普及互聯網的主要方式。


近日,蘇黎世聯邦理工學院網絡設計與架構實驗室Ankit Singla教授表示,在未來10年內,新一代衛星可能為“太空互聯網”奠定基礎。他的團隊正在研究如何提高包括互聯網在內的大型計算機網絡的性能。新的衛星系統將使用數千顆衛星,而過去系統只使用數十顆。這些衛星可以通過激光相互連接,形成一個網絡,其覆蓋范圍將延伸到目前無法或只能有限接入互聯網的偏遠地區。

圖1 SpaceX公司在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射了60顆“星鏈”衛星

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太空互聯網競賽

LEO衛星的能力引發了一場新的、激烈的太空競賽,諸如擁有“星鏈”衛星的SpaceX以及亞馬遜等重量級太空公司都加入了競爭。這些公司正在開發擁有成千上萬顆衛星的大型衛星星座。這些衛星將以每小時2.7萬千米的速度在約500千米的高度繞地球運行。

SpaceX公司已經發射了首批120顆衛星,并計劃在2020年提供基于衛星的寬帶互聯網服務。除了覆蓋全球,太空互聯網所使用的技術可確保高數據傳輸速率且不會導致嚴重的數據傳輸延遲,其延遲情況遠遠低于傳統的地球同步衛星,甚至低于用于遠距離通信的地下光纖線路。如果這些計劃成功,全世界的互聯網基礎設施將實現飛躍性發展。

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動態網絡的新設計

與地面網絡相比,太空互聯網帶來了新的研究挑戰,即作為數據傳輸節點的衛星處于運動狀態。由于基于衛星的節點不斷改變彼此之間的位置,它們形成了一個高度動態的網絡。而地面網絡的傳輸節點不會改變它們的位置,因此,地面的互聯網基礎設施無法滿足太空互聯網的需求。

要實現基于衛星的寬帶互聯網,必須重新考慮目前互聯網運作方式的方方面面。由于衛星飛行速度非???,而且密集成群,衛星互聯網需要更有效的網絡設計方法。即使是用于高鐵、無人機和飛機上的移動網絡,其設計概念也無法輕易地用于衛星互聯網。蘇黎世聯邦理工學院網絡設計與架構實驗室現在已經開發了一個數學模型來演示如何從根本上改善太空網絡設計。

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改進網絡性能的設計理念

Singla教授首先提出的關鍵問題是:如何將數千顆衛星連接在一起,以實現最佳的網絡性能?對于基于衛星的寬帶互聯網而言,其最優的網絡設計需確保高帶寬、無延誤的數據流。此外,衛星間的連接不能頻繁改變,因為建立新連接可能需要數十秒,在此期間無法交換數據。Singla教授的想法是,衛星之間的連接將基于專門的、重復的模式。最合適的模式取決于衛星星座的結構和網絡的流量輸入。關鍵的一點是,所有衛星都以完全相同的方式連接,并且隨著時間的推移保持穩定連接。

SpaceX和亞馬遜利用新的設計理念進行了測試,前者的網絡效率提高了54%,后者的Kuiper項目效率提高了45%。

朱虹編譯自互聯網

李曉文審定

2020年2月1日

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