En ny generation lågflygande satelliter utlovar ett "internet från rymden, " som kommer att kunna täcka även avlägsna regioner runt om i världen. Datavetare vid ETH Zürich föreslår en ny nätverksdesign som kan fördubbla nätverkskapaciteten för sådana system.

Satelliter spelar ännu inte någon stor roll i världens internetinfrastruktur. Dock, detta kan snart komma att ändras. Inom det kommande decenniet, en ny generation satelliter skulle kunna lägga grunden för ett "internet från rymden, "tror Ankit Singla, professor vid ETH Zürichs Network Design &Architecture Lab. Hans team undersöker hur man kan förbättra prestandan hos storskaliga datornätverk, inklusive internet.

Utnyttja framsteg inom kostnadssänkande teknik inom rymdsektorn, de nya satellitsystemen skulle använda tusentals satelliter istället för de tiotals satelliter som använts i tidigare system. Dessa satelliter kan sedan kopplas till varandra via laserljus för att bilda ett nätverk. Täckningen från dessa satelliter skulle nå avlägsna regioner som för närvarande inte har någon eller mycket begränsad tillgång till internet, eftersom de inte eller bara är dåligt anslutna till de interkontinentala fiberoptiska kablar som driver dagens internet.

Loppet om himmelens internet

Möjligheterna hos LEO-satelliterna har utlöst en ny, ifrågasatt "rymdkapplöpning, " med tungviktare som Elon Musks SpaceX och Jeff Bezos Amazon som kastar sina hattar i ringen. Dessa företag utvecklar storskaliga satellitkonstellationer med tusentals till tiotusentals satelliter. Dessa skulle kretsa runt jorden med hastigheter på 27, 000 km/h på en höjd av cirka 500 km (geostationära satelliter:35, 768 km).

SpaceX, till exempel, har redan skjutit upp sina första 120 satelliter, och planerar att erbjuda en satellitbaserad bredbandstjänst från 2020. Förutom global täckning, tekniken som används i "internet från rymden" lovar höga dataöverföringshastigheter utan stora förseningar i dataöverföringen - latensen, som datavetenskapare kallar dessa förseningar, är betydligt lägre än traditionell, geostationära satelliter, och även underjordiska fiberoptiska linjer för långdistanskommunikation.

"Om dessa planer lyckas, det skulle vara ett stort steg framåt i världens internetinfrastruktur, "säger Debopam Bhattacherjee. Doktoranden som arbetar med Singla undersöker den optimala utformningen av nätverk för satellitbaserat bredband för att garantera en hög bandbredd, fördröjningsfritt dataflöde. Han kommer att presentera sina resultat i Florida idag på ACM CoNEXT 2019, den internationella konferensen om nya nätverksexperiment och teknik.

Ny design för dynamiska nätverk

De nya forskningsutmaningarna som uppstår från "internet från rymden" jämfört med "internet på marknivå" beror på att satelliterna är i rörelse. Satelliterna representerar noder genom vilka data färdas. När de satellitbaserade noder ständigt ändrar sin position i förhållande till varandra, de bildar ett mycket dynamiskt nätverk. I kontrast, transitnoderna som tillhör "internet på marknivå" ändrar inte sin plats eller position. Som ett resultat, den i stort sett statiska infrastrukturen för "internet på marknivå" uppfyller inte samma krav som "internet från rymden".

"För att implementera satellitbaserat bredband, vi måste ompröva praktiskt taget alla aspekter av hur internet för närvarande är utformat för att fungera, säger Singla. Han förklarar att eftersom satelliterna flyger väldigt snabbt och i täta svärmar, mer effektiva metoder för nätverksdesign krävs för satellitinternet. Även designkoncepten som används för mobilnät på höghastighetståg, drönare och flygplan kan inte enkelt överföras till satelliter.

Bhattacherjee och Singla har nu utvecklat en matematisk modell som visar hur man i grunden kan förbättra nätverksdesignen i rymden. De har testat sin designmetod med hjälp av exemplet SpaceX och Amazon, men det kan tillämpas oberoende av tekniken i ett visst företag.

Mönster säkerställer smidig datatrafik

Designkonceptet som utarbetats av Bhattacherjee och Singla är helt baserat på den höga tidsdynamiken hos satelliterna med låg omloppsbana runt jorden. Nyckelfrågan de först ställde var:hur kan tusentals satelliter länkas samman för att uppnå bästa möjliga nätverksprestanda? Svaret är inte lätt, eftersom varje satellit inte kan ha fler än fyra anslutningar till andra satelliter.

Intuitivt, man kan tro att satelliterna alltid bara ansluter till de närmaste satelliterna. Enligt Bhattacherjee, dock, detta antagande är för restriktivt. Satelliterna skulle mycket väl kunna ansluta till satelliter som är längre bort. För att maximera dataöverföringseffektiviteten, det skulle faktiskt vara mer effektivt om data använde längre anslutningar men korsade färre noder (satelliter). Trots allt, handlingen att data korsar genom en nod förbrukar också resurser, vilket minskar resurserna som finns tillgängliga för andra anslutningar.

Dock, att minska antalet on-path-noder för att öka effektiviteten får inte äventyra längden på end-to-end-vägen. Annat, detta kommer att försämra latensen. Ytterligare, det är viktigt att intersatellitförbindelser inte ändras för ofta, eftersom upprättandet av nya anslutningar kan ta tiotals sekunder under vilka data inte kan utbytas.

Den nya idén bakom Bhattacherjees och Singlas tillvägagångssätt är att förbindelserna mellan satelliterna skulle byggas baserat på specialiserade, repetitiva mönster. Det mest lämpliga mönstret beror på satellitkonstellationens geometri och nätets ingångstrafik. En viktig punkt är att anslutningsmönstret upprepas på varje satellit i nätverket, med alla satelliter anslutna på exakt samma sätt, och med att anslutningarna förblir stabila över tiden.

När det gäller SpaceX, det nya designkonceptet ökar nätverkseffektiviteten med 54 procent jämfört med nuvarande tillvägagångssätt; för Kuiper (Amazon), effektivitetsökningen är 45 procent. "Vår strategi kan fördubbla effektiviteten hos satellitbaserat internet, "säger Bhattacherjee avslutningsvis.