GPS都要落伍了？替代它是超震撼的“太空网络”

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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。瑞士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。

目前，卫星还尚未在世界的互联网设施中发挥重要作用，但这种情况可能很快就会改变。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削减成本技术，新的卫星系统将能使用数千颗卫星，而不是像之前的系统只能利用几十颗卫星。这些卫星可以通过激光彼此连接从而形成网络，可以完全覆盖目前还没有网络或网络很差的偏远地区：这些地区不能或无法稳定连接到为当今互联网提供驱动的洲际光纤电缆上。

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。这些公司在开发大型的卫星星座，其中包括了数以万记的卫星。这些卫星将在距离地球500千米的轨道上，以27000km/h的速度绕地球飞行（对地静止卫星：35,768千米）。

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速率的数据传输，延迟现象也远低于传统的对地静止卫星，甚至低于长距离通信的地下光纤线路。

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。”他正在优化设计基于卫星的宽带互联网网络，以确保高带速，无延迟的数据流通。今年，他在佛罗里达州举办的新兴网络性能和技术国际会议ACM CoNEXT 上展示他的研究成果。

动态网络的新设计

与固定的“地面互联网”相比，运动中的“太空互联网“也带来了新的研究挑战。卫星代表了数据在传输中经过的节点。随着卫星的移动，节点不断改变彼此之间的相对位置，从而形成了高度动态的网络。相反，地面互联网节点的位置并不会改变。因此，组成“地面互联网”的大量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，我们必须重新考虑当前互联网设计运行的所有方面。”Singla说道。他解释说，由于卫星以密集群体的形式快速移动，太空互联网需要一种更有效的网络设计方法。即使是用于高速的火车，无人机和飞机上的移动网络设计概念，也无法简单地迁移应用在卫星上。

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的样本卫星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。

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流畅的数据传递模型

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？找到答案并不容易，因为每个卫星最多能与四个卫星建立连接。

直觉上，人们会认为卫星应当始终与距离最近的卫星连接。然而，根据Vhattacherjee的说法，这种猜想太过局限，这些卫星也可以稳定地连接到距离较远的卫星。从最大化数据传输效率的角度来看，如果数据的传输距离更长但是经过节点更少，实际上会更有效率。毕竟，通过节点时也会消耗资源，从而使用于其他连接的资源变少。

但是，在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，否则会使增加数据的延迟。此外，卫星之间的连接不能被频繁更换，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的方法背后的新想法是，卫星之间的连接将采用专门的、可重复的模式。而最恰当的模式还取决于卫星群的几何形状和网络的输入流量。关键点在于，网络中的每颗卫星上都重复连接的模式，且都以完全相同的方式连接，并随时间推移持续稳定。

就SpaceX而言，新的设计理念使互联网传输效率与当前的方法相比提高了54％。在Kuiper（Amazon）的测试中，其效率提高了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。”

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

文章来源：环球科学