Een nieuwe generatie laagvliegende satellieten belooft een "internet vanuit de ruimte, " die zelfs afgelegen regio's over de hele wereld kan bestrijken. Computerwetenschappers van ETH Zürich stellen een nieuw netwerkontwerp voor dat de netwerkcapaciteit van dergelijke systemen zou kunnen verdubbelen.

Satellieten spelen nog geen grote rol in de internetinfrastructuur van de wereld. Echter, hier kan binnenkort verandering in komen. Binnen het volgende decennium zal een nieuwe generatie satellieten zou de basis kunnen leggen voor een "internet vanuit de ruimte, " gelooft Ankit Singla, professor aan het Network Design &Architecture Lab van ETH Zürich. Zijn team onderzoekt hoe de prestaties van grootschalige computernetwerken kunnen worden verbeterd, inclusief internet.

gebruik te maken van de vooruitgang op het gebied van kostenbesparende technologieën in de ruimtevaartsector, de nieuwe satellietsystemen zouden duizenden satellieten gebruiken in plaats van de tientallen satellieten die in eerdere systemen werden gebruikt. Deze satellieten zouden dan via laserlicht aan elkaar kunnen worden gekoppeld om een ​​netwerk te vormen. De dekking van deze satellieten zou afgelegen regio's bereiken die momenteel geen of zeer beperkte toegang tot internet hebben, omdat ze niet of slechts slecht zijn aangesloten op de intercontinentale glasvezelkabels die het internet van vandaag voeden.

De race om het internet van de lucht

De mogelijkheden van de LEO-satellieten hebben geleid tot een nieuwe, omstreden "ruimterace, " met zwaargewichten zoals Elon Musk's SpaceX en Jeff Bezos' Amazon die hun hoed in de ring gooien. Deze bedrijven ontwikkelen grootschalige satellietconstellaties met duizenden tot tienduizenden satellieten. Deze zouden rond de aarde draaien met snelheden van 27, 000 km/u op een hoogte van ongeveer 500 km (geostationaire satellieten:35, 768 kilometer).

RuimteX, bijvoorbeeld, heeft al zijn eerste 120 satellieten gelanceerd, en is van plan om vanaf 2020 een satellietgebaseerde breedbandinternetdienst aan te bieden. Naast wereldwijde dekking, de technologie die wordt gebruikt in het "internet vanuit de ruimte" belooft hoge gegevensoverdrachtsnelheden zonder grote vertragingen in de gegevensoverdracht - de latentie, zoals computerwetenschappers deze vertragingen noemen, aanzienlijk lager is dan die van traditionele, geostationaire satellieten, en zelfs die van ondergrondse glasvezellijnen voor communicatie over lange afstand.

"Als deze plannen slagen, het zou een enorme sprong voorwaarts zijn in de internetinfrastructuur van de wereld, ", zegt Debopam Bhattacherjee. De promovendus die met Singla samenwerkt, onderzoekt het optimale ontwerp van netwerken voor satellietbreedbandinternet om een ​​hoge bandbreedte te garanderen, vertragingsvrije datastroom. Hij zal vandaag zijn resultaten presenteren in Florida op ACM CoNEXT 2019, de internationale conferentie over opkomende netwerkexperimenten en technologieën.

Nieuw ontwerp voor dynamische netwerken

De nieuwe onderzoeksuitdagingen die voortvloeien uit het "internet vanuit de ruimte" in vergelijking met het "internet op de grond" zijn te wijten aan het feit dat de satellieten in beweging zijn. De satellieten vertegenwoordigen knooppunten waardoor de gegevens reizen. Omdat de op satellieten gebaseerde knooppunten voortdurend van positie ten opzichte van elkaar veranderen, ze vormen een zeer dynamisch netwerk. In tegenstelling tot, de doorvoerknooppunten die behoren tot het "internet op grondniveau" veranderen hun locatie of positie niet. Als resultaat, de grotendeels statische infrastructuur van het "internet op de begane grond" voldoet niet aan dezelfde eisen als die voor het "internet vanuit de ruimte".

"Om breedbandinternet via satelliet te implementeren, we moeten vrijwel alle aspecten heroverwegen van de manier waarop internet momenteel is ontworpen om te functioneren, " zegt Singla. Hij legt uit dat aangezien de satellieten erg snel en in dichte zwermen vliegen, efficiëntere benaderingen van netwerkontwerp zijn vereist voor satellietinternet. Zelfs de ontwerpconcepten die worden gebruikt voor mobiele netwerken op hogesnelheidstreinen, drones en vliegtuigen kunnen niet gemakkelijk naar satellieten worden overgebracht.

Bhattacherjee en Singla hebben nu een wiskundig model ontwikkeld dat aantoont hoe men het netwerkontwerp in de ruimte fundamenteel kan verbeteren. Ze hebben hun ontwerpaanpak getest aan de hand van het voorbeeld van SpaceX en Amazon, maar het kan onafhankelijk van de technologie van een bepaald bedrijf worden toegepast.

Patronen zorgen voor vlot dataverkeer

Het ontwerpconcept van Bhattacherjee en Singla is volledig gebaseerd op de hoge temporele dynamiek van satellieten in een lage baan om de aarde. De belangrijkste vraag die ze eerst stelden was:hoe kunnen duizenden satellieten aan elkaar worden gekoppeld om de best mogelijke netwerkprestaties te bereiken? Het antwoord is niet eenvoudig, aangezien elke satelliet niet meer dan vier verbindingen met andere satellieten kan hebben.

Intuïtief, je zou kunnen denken dat de satellieten altijd alleen verbinding maken met de dichtstbijzijnde satellieten. Volgens Bhattacherjee, echter, deze veronderstelling is te restrictief. De satellieten kunnen heel goed verbinding maken met satellieten die verder weg zijn. Om de efficiëntie van de gegevensoverdracht te maximaliseren, het zou eigenlijk efficiënter zijn als de gegevens langere verbindingen zouden gebruiken maar minder knooppunten (satellieten) zouden kruisen. Ten slotte, de handeling van het doorkruisen van gegevens door een knooppunt verbruikt ook bronnen, waardoor de beschikbare middelen voor andere verbindingen worden verminderd.

Echter, het verminderen van het aantal knooppunten op het pad om de efficiëntie te verhogen, mag de lengte van het end-to-end-pad niet in gevaar brengen. Anders, dit zal de latentie verslechteren. Verder, het is belangrijk dat verbindingen tussen satellieten niet te vaak veranderen, omdat het tot stand brengen van nieuwe verbindingen tientallen seconden kan duren waarin gegevens niet kunnen worden uitgewisseld.

Het nieuwe idee achter de benadering van Bhattacherjee en Singla is dat de verbindingen tussen de satellieten zouden worden gebouwd op basis van gespecialiseerde, herhalende patronen. Het meest geschikte patroon hangt af van de geometrie van de satellietconstellatie en het invoerverkeer van het netwerk. Een belangrijk punt is dat het verbindingspatroon zich herhaalt op elke satelliet in het netwerk, met alle satellieten op precies dezelfde manier aangesloten, en waarbij de verbindingen in de loop van de tijd stabiel blijven.

In het geval van SpaceX, het nieuwe ontwerpconcept verhoogt de netwerkefficiëntie met 54 procent in vergelijking met de huidige aanpak; voor Kuiper (Amazone), de efficiëntieverhoging is 45 procent. "Onze aanpak zou de efficiëntie van internet via satelliet kunnen verdubbelen, " zegt Bhattacherjee tot slot.