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一種新的“太空網絡“設計

來源:環球科學

(圖片來源:CC0 Public Domain)

新一代的低空飛行衛星有望組成太空網絡,甚至可以覆蓋全球各個偏遠地區。來自蘇黎世大學的計算機學家正在提議一種新的網絡設計,可以使此類系統的網絡容量增加一倍。

衛星尚未在互聯網設施中發揮重要作用,但這種情況可能很快會改變。來自蘇黎世大學網絡設計與架構實驗室的Ankit Singla教授相信,在未來十年中,新一代的衛星可以成為太空網絡的基礎。他的團隊正在研究如何提高大型計算機網絡(包括互聯網)的性能。

利用太空領域先進的成本削減技術,新的衛星系統可以使用數千顆衛星,而不是像之前的系統只可以使用幾十顆衛星。這些衛星可以通過激光彼此連接從而形成網絡。其覆蓋面積可以包括目前還沒有或者網絡很差的偏遠地區,這些地區尚未或是罕有連接到到為當今互聯網所依賴的洲際光纖電纜。

太空互聯網之爭

LEO衛星的能力引發了一場新的激烈的太空爭霸賽,一些重量級選手比如Elon Musk的SpaceX和Jeff Bezo的亞馬遜都參與其中。這些公司在開發數以萬記的衛星來形成大規模太空網絡。這些衛星將在距離地球500公里的軌道以27000km/h的速度繞地球環行(對地靜止衛星:35,768km)。

例如,SpaceX已經發射了首批120顆衛星,并計劃于2020年開始提供基于衛星的互聯網服務。除了全球覆蓋外,太空網絡中使用的技術還保證了高數據傳輸速率,延遲也遠低于傳統的對地靜止衛星,甚至低于用于長距離通信的地下光纖線路。

正在與Singla合作的博士候選人DEbopam Bhattacjerje說:“如果這些計劃獲得成功,那將是世界互聯網基礎設施的巨大飛躍?!彼谘芯炕谛l星的帶寬互聯網的網絡優化設計,以確保高帶寬,無延遲的數據流。他將于今天在佛羅里達州ACM CoNEXT 2019新興網絡性能和技術國際會議上展示他的成果。

動態網絡的新設計

與“地面互聯網”相比,處于運動中的“太空互聯網“帶來了新的研究挑戰。衛星代表數據傳輸所經過的節點。隨著基于衛星的節點不斷改變彼此之間的相對位置,它們形成了高度動態的網絡。與此對應,地面互聯網的節點位置并不會改變。因此,“地面互聯網”的靜態結構不能滿足太空互聯網的要求。

要實現基于衛星的寬帶互聯網,我們必須重新考慮互聯網當前設計運行方式的所有方面?!盨ingla說道。他解釋說,由于衛星以密集群的形式快速移動,太空互聯網需要一種更有效的網絡設計方法。即使是用于火車,無人機和飛機上的移動網絡設計概念,也無法簡單地遷移到衛星上。

Bhattacherjee和Singla已經研究出一種數學模型,用于演示如何從根本上改善空間網絡設計。他們已經使用SpaceX和Amazon的示例測試了他們的設計方法,但是這個模型的應用范圍不止這兩家公司。

模型可確保流暢的數據流

Bhattacherjee和Singla提出的設計概念完全基于低地球軌道衛星的高短時動態。他們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?找到達案并不容易,因為每個衛星最多與四個衛星建立連接。

直覺來說,人們會認為衛星應當始終連接到距離最近的衛星。然而,根據Vhattacherjee的說法,這種想法太過局限。這些衛星可以穩定地連接到距離較遠的衛星。為了最大化數據傳輸效率,如果數據經過更長的傳輸距離但是經過更少的節點,實際上會更有效率。畢竟,通過節點時也會消耗資源,從而使可用資源變少。

但是,減少傳輸路徑上節點數量的同時必須保證傳輸距離不會過長。否則將會使延遲增加。此外,衛星之間的連接不可以頻繁更換,因為建立新的連接可能花費數十秒的時間,而在此期間無法傳輸數據。

Bhattacherjee和Singla的方法背后的新穎思想是,衛星之間的連接將基于專門的重復模式建立。最合適的模式取決于衛星群的幾何形狀和網絡的輸入流量。關鍵點在于,連接模式在網絡中的每顆衛星上都重復,所有衛星都以完全相同的方式連接,并且連接隨時間保持穩定。

就SpaceX而言,新的設計理念使網絡效率與當前方法相比提高了54%。對于Kuiper(Amazon),效率提高了45%。Bhattacherjee總結說:“我們的方法可以使基于衛星的互聯網效率提高一倍?!?/p>

翻譯:劉博宇

審校:董子晨曦

引進來源:蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)

引進鏈接:https://techxplore.com/news/2019-12-network-internet-space.html

 

本文來自:環球科學
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[責任編輯:環球科學]
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