ارائه اینترنت ماهواره‌ای با ارتباطات لیزری

به گزارش کارگروه بین‌الملل سایبربان؛ طراحی‌های جدید صورت گرفته در ماهواره‌ها، می‌تواند ظرفیت شبکه سامانه‌های اینترنت فضایی را در آینده تا 2 برابر افزایش دهد. ماهواره‌ها هنوز نقش بزرگی را در زیرساخت‌های اینترنت جهانی ایفا نمی‌کنند؛ اما به نظر می‌رسد این شرایط به زودی تغییر خواهد کرد.

آنکیت سینگلا (Ankit Singla)، یکی از اعضای آزمایشگاه معماری و طراحی شبکه موسسه فناوری فدرال زوریخ سوئیس (ETH ZUrich) توضیح می‌دهد، نسل بعدی ماهواره‌ها در طول یک دهه آینده می‌توانند زیرساخت‌های مورد نیاز اینترنت فضایی را فراهم آورند. گروه وی روی بهبود کارایی شبکه‌های رایانه‌ای بزرگ مقیاس که اینترنت را نیز در برمی‌گیرد، کار می‌کنند.

به واسطه پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌های بخش فضا، می‌توان به جای ده‌ها ماهواره در گذشته از هزاران ماهواره بهره گرفت. سپس با استفاده از نور لیزر امکان اتصال این سخت‌افزارها به یکدیگر و ایجاد یک شبکه بزرگ فراهم می‌آید.

به کمک ماهواره‌ها می‌توان به مناطقی که به اینترنت دسترسی ندارند یا سطح آن بسیار محدود است، خدمات ارائه دهد. این گونه مناطق معمولاً از زیرساخت‌های اینترنت مانند فیبر نوری بی‌بهره‌اند یا اتصال بسیار ضعیفی به بسترهای امروزی دارند.

قابلیت‌های ماهواره‌هایی که در مدار لئو (LEO) قرار می‌گیرند، از چند سال قبل یک رقابت فضایی را شکل داده است. برای نمونه ایلان ماسک، جف بزوس و تیم کوک از شرکت‌های اسپیس اکس، آمازون و اپل هم‌اکنون در این زمینه با یکدیگر رقابت دارند. این شرکت‌ها در حال توسعه صورت‌های فلکی ماهواره‌ای در مقیاس بسیار بزرگ هستند که از صدها یا هزاران ماهواره تشکیل می‌شود. ماهواره‌های مدار لئو معمولاً در ارتفاع 500 کیلومتری از سطح زمین قرار دارند و با سرعت 27 هزار کیلومتر در ساعت در مدار خود حرکت می‌کنند.

برای مثال اسپیس اکس هم‌اکنون 120 ماهواره اول پروژه خود با نام استارلینک (Starlink) را به فضا پرتاب کرده است. این شرکت در نظر دارد تا در سال 2020، اینترنت پهن باند را به صورت عمومی در اختیار همه قرار دهد. علاوه بر پوشش سرتاسری زمین، اینترنت فضایی وعده انتقال اطلاعات با تأخیر بسیار پایین را به کاربران می‌دهد. این تأخیر از ماهواره‌های زمین‌شناسی و حتی خطوط فیبر نوری زیرزمین نیز کمتر است.

دبوپام باتاچرجی (Debopam Bhattacherjee)، یکی از اعضای گروه سینگلا گفت:

اگر طرح‌های بالا با موفقیت به اجرا در آیند، یک جهش بزرگ در جهان زیرساخت‌های اینترنت به وجود می‌آید.

راه‌اندازی اینترنت فضایی چالش‌های مختلفی را نیز به وجود می‌آورد. برای نمونه برخلاف تأسیسات روی زمین، ماهواره‌ها به صورت پیوسته در حال حرکت هستند. ماهواره‌ها ندهایی به حساب می‌آیند که داده‌ها از طریق آن‌ها حرکت می‌کنند. از آنجایی که این ندها به صورت پیوسته در حال تغییر موقعیت خود نسبت به یکدیگر هستند، باید یک شبکه با پویایی بسیار بالا میان آن‌ها به وجود آید.

در مقابل ندهای متعلق به اینترنت سطح زمین، موقعیت خود را تغییر نمی‌دهند. در نتیجه زیرساخت‌های روی زمین توانایی پاسخ را به نیازمندی‌های اینترنت فضایی ندارند.

سینگلا گفت:

به منظور اجرایی کردن اینترنت پهن باند بر پایه ماهواره، ما مجبور هستیم تقریباً روی همه جوانب طرح‌های زیرساخت‌های فعلی فکر کرده و در طراحی آن‌ها تجدید نظر کنیم.

محقق مذکور توضیح داد، با توجه به این که ماهواره‌ها بسیار سریع و به صورت متراکم حرکت می‌کنند، به رویکردهایی کارآمدتر به منظور ایجاد اینترنت ماهواره‌ای نیاز وجود دارد. حتی طراحی مفهومی مورد استفاده در شبکه‌های موبایل که در قطارهای پرسرعت، پهپادها و هواپیما را نیز نمی‌توان به سادگی به ماهواره‌ها انتقال داد.

باتاچرجی و سینگلا موفق به توسعه یک مدل ریاضی شده‌اند که نشان می‌دهد چگونه می‌تواند طراحی شبکه موجود در فضا را بهبود داد. آن‌ها رویکرد طراحی خود را در بسترهای اسپیس اکس و آمازون آزمایش کردند؛ اما امکان به کارگیری آن به صورت مستقل از فناوری شرکت‌های مختلف نیز وجود دارد.

طراحی مفهومی ایجاد شده توسط پژوهشگران بر پایه پویایی بالای ماهواره‌های موجود در مدار لئو استوار است. اولین سؤالی که آن‌ها مجبور به پاسخ به آن بودند، مطرح می‌کرد: چگونه دانشمندان می‌توانند هزاران ماهواره را به یکدیگر متصل کنند، در حالی که بهترین کارایی ممکن از آن‌ها به دست می‌آید. پاسخ به این سؤال بسیار سخت است؛ زیرا هر ماهواره می‌تواند تنها با 4 نمونه دیگر ارتباط برقرار کند.

با توجه به گزارش باتاچرجی، ممکن است این‌گونه به نظر برسد که ماهواره‌ها تنها به نزدیک‌ترین سخت‌افزارهای پیرامون خود متصل می‌شوند؛ اما این فرض بسیار محدود کننده است. یک ماهواره می‌تواند با نمونه‌هایی در فواصل بسیار دور دست نیز ارتباط برقرار کند. به منظور بهره‌مندی از حداکثر توان انتقال داده‌ها، این که اطلاعات در مسیرهای طولانی‌تر؛ اما با عبور از گره‌های کمتر، انتقال یابند، مؤثرتر است. به علاوه عبور داده‌ها از ندها باعث مصرف منابع شده، دسترسی دیگر ارتباطات به منابع را از بین می‌برد.

با وجود این کاهش تعداد گره‌های ارتباطی نباید باعث شود تا فاصله میان ارتباطات «End-to-End»، بیش از اندازه زیاد شده و آن را به خطر بیندازد. در غیر این صورت سطح تأخیر حتی بدتر از گذشته می‌شود. از طرفی نباید اتصالات میان ماهواره‌ها به دفعات تغییر کند؛ زیرا ایجاد هر ارتباط جدید ممکن است به ده‌ها ثانیه زمان نیاز داشته باشد.

ایده پژوهشگران این است که اتصالات میان ماهواره‌ها توسط الگوهای تخصصی و تکرار شونده، ایجاد شوند. به دست آوردن بهترین الگو به ترافیک ورودی شبکه و ساختار صورت فلکی ماهواره‌ای دارد. نکته مهم این است که الگوی اتصال در همه ماهواره‌ها تکرار می‌شود و پس از مدتی یک ارتباط پایدار به وجود می‌آید.

برای نمونه آزمایش طرح بالا روی اینترنت ماهواره‌ای اسپیس اکس، شبکه استارلینک 54 درصد بازدهی بهتری ارائه داد. این عدد برای کیوپر (Kuiper) به 45 درصد می‌رسد.