Una nuova generazione di satelliti a bassa quota promette "Internet dallo spazio, " che sarà in grado di coprire anche le regioni più remote del mondo. Gli scienziati informatici dell'ETH di Zurigo stanno proponendo un nuovo design di rete che potrebbe raddoppiare la capacità di rete di tali sistemi.

I satelliti non svolgono ancora un ruolo importante nell'infrastruttura Internet mondiale. Però, questo potrebbe presto essere destinato a cambiare. Entro il prossimo decennio, una nuova generazione di satelliti potrebbe gettare le basi per una "internet dallo spazio, " crede Ankit Singla, professore al Network Design &Architecture Lab dell'ETH di Zurigo. Il suo team sta studiando come migliorare le prestazioni delle reti di computer su larga scala, compreso internet.

Sfruttare i progressi nelle tecnologie di riduzione dei costi nel settore spaziale, i nuovi sistemi satellitari utilizzerebbero migliaia di satelliti invece delle decine di satelliti utilizzati nei sistemi passati. Questi satelliti potrebbero quindi essere collegati tra loro tramite luce laser per formare una rete. La copertura fornita da questi satelliti raggiungerebbe regioni remote che attualmente hanno accesso a Internet assente o molto limitato, dal momento che non sono o sono solo mal collegati ai cavi intercontinentali in fibra ottica che alimentano Internet di oggi.

La corsa all'internet del cielo

Le capacità dei satelliti LEO hanno innescato un nuovo, contestata "corsa allo spazio, " con pesi massimi come SpaceX di Elon Musk e Amazon di Jeff Bezos che lanciano i loro cappelli sul ring. Queste aziende stanno sviluppando costellazioni di satelliti su larga scala con migliaia o decine di migliaia di satelliti. Questi orbiterebbero intorno alla Terra a una velocità di 27, 000 km/h ad un'altezza di circa 500 km (satelliti geostazionari:35, 768 chilometri).

SpazioX, Per esempio, ha già lanciato i suoi primi 120 satelliti, e sta progettando di offrire un servizio Internet a banda larga satellitare a partire dal 2020. Oltre alla copertura globale, la tecnologia utilizzata in "Internet dallo spazio" promette elevate velocità di trasferimento dei dati senza grandi ritardi nella trasmissione dei dati:la latenza, come gli informatici chiamano questi ritardi, è significativamente inferiore a quello tradizionale, satelliti geostazionari, e anche quello delle linee sotterranee in fibra ottica per le comunicazioni a lunga distanza.

"Se questi piani avranno successo, sarebbe un enorme balzo in avanti nell'infrastruttura Internet mondiale, " afferma Debopam Bhattacherjee. Il dottorando che sta lavorando con Singla sta studiando la progettazione ottimale di reti per Internet a banda larga satellitare al fine di garantire una larghezza di banda elevata, flusso di dati senza ritardi. Presenterà oggi i suoi risultati in Florida ad ACM CoNEXT 2019, la Conferenza Internazionale sugli Esperimenti e le Tecnologie di Networking emergenti.

Nuovo design per reti dinamiche

Le nuove sfide di ricerca derivanti da "internet dallo spazio" rispetto a "internet a livello del suolo" sono dovute al fatto che i satelliti sono in movimento. I satelliti rappresentano i nodi attraverso i quali viaggiano i dati. Poiché i nodi basati sui satelliti cambiano costantemente la loro posizione l'uno rispetto all'altro, formano una rete altamente dinamica. In contrasto, i nodi di transito appartenenti a "internet a livello del suolo" non cambiano la loro posizione o posizione. Di conseguenza, l'infrastruttura in gran parte statica di "internet a livello del suolo" non soddisfa gli stessi requisiti di "internet dallo spazio".

"Per implementare Internet a banda larga satellitare, dobbiamo ripensare praticamente tutti gli aspetti del modo in cui Internet è attualmente progettato per funzionare, " dice Singla. Spiega che poiché i satelliti volano molto velocemente e in densi sciami, per Internet via satellite sono necessari approcci più efficienti alla progettazione della rete. Anche i concetti progettuali utilizzati per le reti mobili sui treni ad alta velocità, droni e aerei non possono essere trasferiti facilmente ai satelliti.

Bhattacherjee e Singla hanno ora sviluppato un modello matematico che dimostra come si potrebbe fondamentalmente migliorare la progettazione della rete nello spazio. Hanno testato il loro approccio progettuale usando l'esempio di SpaceX e Amazon, ma può essere applicato indipendentemente dalla tecnologia di una particolare azienda.

I modelli garantiscono un traffico dati fluido

Il concetto di design ideato da Bhattacherjee e Singla si basa interamente sull'elevata dinamica temporale dei satelliti dell'orbita terrestre bassa. La domanda chiave che si sono posti per la prima volta è stata:come possono essere collegati tra loro migliaia di satelliti per ottenere le migliori prestazioni di rete possibili? La risposta non è facile, poiché ogni satellite non può avere più di quattro connessioni con altri satelliti.

Intuitivamente, si potrebbe pensare che i satelliti si colleghino sempre solo ai satelliti più vicini. Secondo Bhattacherjee, però, questa ipotesi è troppo restrittiva. I satelliti potrebbero benissimo connettersi a satelliti più distanti. Per massimizzare l'efficienza del trasferimento dei dati, sarebbe effettivamente più efficiente se i dati utilizzassero connessioni più lunghe ma attraversassero meno nodi (satelliti). Dopotutto, anche l'atto di attraversare i dati attraverso un nodo consuma risorse, riducendo così le risorse disponibili per altre connessioni.

Però, la riduzione del numero di nodi sul percorso per aumentare l'efficienza non deve compromettere la lunghezza del percorso end-to-end. Altrimenti, questo ridurrà la latenza. Ulteriore, è importante che le connessioni inter-satellite non cambino troppo spesso, poiché stabilire nuove connessioni può richiedere decine di secondi durante i quali non è possibile scambiare dati.

La nuova idea alla base dell'approccio di Bhattacherjee e Singla è che le connessioni tra i satelliti dovrebbero essere costruite sulla base di sistemi specializzati, schemi ripetitivi. Il modello più adatto dipende dalla geometria della costellazione di satelliti e dal traffico in ingresso della rete. Un punto chiave è che lo schema di connessione si ripete su ogni satellite della rete, con tutti i satelliti collegati esattamente allo stesso modo, e con le connessioni che rimangono stabili nel tempo.

Nel caso di SpaceX, il nuovo concetto di design aumenta l'efficienza della rete del 54 percento rispetto all'approccio attuale; per Kuiper (Amazzonia), l'aumento di efficienza è del 45 percento. "Il nostro approccio potrebbe raddoppiare l'efficienza di Internet via satellite, ", conclude Bhattacherjee.