“太空互联网”的新型网络设计

来源：中国指挥与控制学会

简介

当前，卫星尚未在全球互联网基础设施中发挥重要作用，然而随着卫星通信系统的发展，宽带卫星服务将把地面网络扩展到卫星网络。在未来10年内，新一代卫星可能为“太空互联网”奠定基础，成为远距离互联网数据传输和向偏远地区普及互联网的主要方式。

近日，苏黎世联邦理工学院网络设计与架构实验室Ankit Singla教授表示，在未来10年内，新一代卫星可能为“太空互联网”奠定基础。他的团队正在研究如何提高包括互联网在内的大型计算机网络的性能。新的卫星系统将使用数千颗卫星，而过去系统只使用数十颗。这些卫星可以通过激光相互连接，形成一个网络，其覆盖范围将延伸到目前无法或只能有限接入互联网的偏远地区。

图1 SpaceX公司在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射了60颗“星链”卫星

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太空互联网竞赛

LEO卫星的能力引发了一场新的、激烈的太空竞赛，诸如拥有“星链”卫星的SpaceX以及亚马逊等重量级太空公司都加入了竞争。这些公司正在开发拥有成千上万颗卫星的大型卫星星座。这些卫星将以每小时2.7万千米的速度在约500千米的高度绕地球运行。

SpaceX公司已经发射了首批120颗卫星，并计划在2020年提供基于卫星的宽带互联网服务。除了覆盖全球，太空互联网所使用的技术可确保高数据传输速率且不会导致严重的数据传输延迟，其延迟情况远远低于传统的地球同步卫星，甚至低于用于远距离通信的地下光纤线路。如果这些计划成功，全世界的互联网基础设施将实现飞跃性发展。

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动态网络的新设计

与地面网络相比，太空互联网带来了新的研究挑战，即作为数据传输节点的卫星处于运动状态。由于基于卫星的节点不断改变彼此之间的位置，它们形成了一个高度动态的网络。而地面网络的传输节点不会改变它们的位置，因此，地面的互联网基础设施无法满足太空互联网的需求。

要实现基于卫星的宽带互联网，必须重新考虑目前互联网运作方式的方方面面。由于卫星飞行速度非常快，而且密集成群，卫星互联网需要更有效的网络设计方法。即使是用于高铁、无人机和飞机上的移动网络，其设计概念也无法轻易地用于卫星互联网。苏黎世联邦理工学院网络设计与架构实验室现在已经开发了一个数学模型来演示如何从根本上改善太空网络设计。

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改进网络性能的设计理念

Singla教授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？对于基于卫星的宽带互联网而言，其最优的网络设计需确保高带宽、无延误的数据流。此外，卫星间的连接不能频繁改变，因为建立新连接可能需要数十秒，在此期间无法交换数据。Singla教授的想法是，卫星之间的连接将基于专门的、重复的模式。最合适的模式取决于卫星星座的结构和网络的流量输入。关键的一点是，所有卫星都以完全相同的方式连接，并且随着时间的推移保持稳定连接。

SpaceX和亚马逊利用新的设计理念进行了测试，前者的网络效率提高了54%，后者的Kuiper项目效率提高了45%。

朱虹编译自互联网

李晓文审定

2020年2月1日

转自：防务快讯

投稿邮箱：liuyali@c2.org.cn

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