Weltraum-Internet mit neuem Netzwerk-Design

Noch spielen Satelliten keine tragende Rolle für die globale Internet-​Infrastruktur. Das könnte sich bald ändern. Innerhalb der nächsten zehn Jahre dürfte eine neue Generation von Satelliten die Voraussetzungen schaffen für ein eigentliches «Internet aus dem Weltraum», sagt Ankit Singla, Professor des Network Design & Architecture Lab der ETH Zürich. Sein Team untersucht, wie sich die Leistung grosser Rechennetzwerke einschliesslich des Internets verbessern lässt.

Dank den kostensenkenden, technologischen Fortschritten des Raumfahrtsektors könnten die neuen Satellitensysteme Tausende von Satelliten einsetzen statt bloss Dutzende wie die bisherigen Systeme. Diese Satelliten liessen sich über Laserlicht so miteinander verlinken, dass sie ein Netzwerk bilden. Damit könnte die Abdeckung dieser Satelliten auch abgelegene Regionen erreichen, die heute keinen oder nur einen erschwerten Zugang zum Internet haben, weil sie nicht oder nur schlecht an die interkontinentalen Glasfaserkabel angebunden sind, die heute das Internet versorgen.

Die Möglichkeiten der erdnahen Satelliten (engl. «low-​Earth orbit satellites (LEO)») haben einen heiss umkämpften «Wettlauf ums Weltall» (engl. «space race») ausgelöst, an dem sich namhafte Unternehmen wie Elons Musks SpaceX oder Jeff Bezos Amazon beteiligen. Sie entwickeln grosse Satellitenkonstellationen mit Tausenden von Satelliten. Mit 27'000 km/h umkreisen die LEO-​Satelliten die Erde auf rund 500 Kilometern Höhe (geostationäre Satelliten: 35'768 km).

SpaceX hat bereits seine ersten 120 Satelliten lanciert und plant, ab 2020 einen satellitenbasierten Breitband-​Internetdienst anzubieten. Neben der globalen Abdeckung verspricht die Technologie des «Internets aus dem Weltraum» hohe Datenübertragungsraten ohne grosse Verzögerungen in der Datenübermittlung – die Verzögerung oder «Latenz», wie die Computerwissenschaftler sagen, ist deutlich geringer als bei traditionellen, geostationären Satelliten oder Glasfasern am Boden.

«Wenn diese Pläne erfolgreich sind, wäre das ein grosser Sprung für die weltweite Internet-​Infrastruktur», sagt Debopam Bhattacherjee. Der Doktorand von Ankit Singla untersucht, wie man die Netzwerke fürs satellitenbasierte Breitband-​Internet optimal gestaltet, sodass eine hohe Bandbreite und ein verzögerungsfreier Datenfluss gewährleistet sind. Seine Ergebnisse stellt er heute an der Internationalen Konferenz für neue Netzwerk-​Technologien ACM CoNEXT 2019 in Florida vor.

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Da sich die Satelliten bewegen, löst das «Internet aus dem Weltraum» neue Forschungsfragen aus. Die Satelliten stellen Knoten dar, die die Daten durchlaufen. Die satellitenbasierten Knoten verändern ständig ihre Stellung zueinander und bilden ein hochdynamisches Netzwerk. Hingegen ändern die Durchgangsknoten des «Internets am Boden» weder ihren Standort noch ihre Position. Für die heute weitgehend statische Infrastruktur des «Internets am Boden» gelten daher nicht die gleichen Anforderungen wie für diejenige des «Internets aus dem Weltraum».

«Um ein satellitenbasiertes Breitband-​Internet zu realisieren, müssen wir praktisch jeden Aspekt des heutigen Internet-​Designs neu denken», sagt Ankit Singla. Weil die Satelliten sehr schnell und in sehr dichten Schwärmen flögen, seien für das Satelliten-​Internet effizientere Ansätze des Netzwerkdesigns erforderlich. Auch Ansätze für mobile Netzwerke mit Hochgeschwindigkeitszügen, Drohnen und Flugzeugen liessen sich nicht einfach auf Satelliten übertragen.

Nun haben Debopam Bhattacherjee und Ankit Singla ein mathematisches Modell entwickelt, wie man das Netzwerk-​Design im Weltraum grundsätzlich verbessern kann – ihren Ansatz haben sie anhand von SpaceX und Amazon überprüft, er lässt sich jedoch unabhängig von der Technologie eines jeweiligen Unternehmens anwenden.

Die Schlüsselfrage, die Debopam Bhattacherjee und Ankit Singla zuerst stellten, war: Wie lassen sich Tausende von Satelliten so miteinander verbinden, dass man die bestmögliche Netzwerkleistung erreicht? Die Antwort ist nicht einfach, da jeder Satellit nie mehr als vier Verbindungen zu anderen Satelliten aufnehmen kann.

Intuitiv denkt man womöglich, dass die Satelliten nur eine Verbindung zu den nächstliegenden Satelliten aufbauen. Diese Annahme sei zu einschränkend, sagt Bhattacherjee. Die Satelliten könnten sich durchaus mit weiter entfernten Satelliten verbinden.

Um die Effizienz der Datenübertragung zu steigern, wäre es sogar wirksamer, wenn die Daten längere Verbindungen nutzten und weniger Knoten (Satelliten) kreuzten. Schliesslich verbrauche es Ressourcen, wenn der Datenverkehr einen Knoten durchquere, und das reduziere die Ressourcen für andere Verbindungen.

Die Zahl der Zwischenknoten zu reduzieren, um die Effizienz zu erhöhen, dürfe jedoch nicht die Länge des Pfads insgesamt beeinträchtigen. Andernfalls verschlechtere sich die Latenz. Ausserdem dürften sich die Verbindungen zwischen den Satelliten nicht zu oft ändern, da der Aufbau neuer Verbindungen mehrere zehn Sekunden dauern könne und in dieser Zeitspanne kein Datenaustausch möglich sei.

Neu an Bhattacherjees und Singlas Ansatz ist, dass sie die Verbindungen zwischen den Satelliten auf der Grundlage spezieller, sich wiederholender Muster aufbauen. Welches Muster jeweils am besten geeignet ist, hängt von der Geometrie der Satellitenkonstellation und dem Eingangsdatenverkehr des Netzwerks ab. Ein Schlüsselfaktor ist, dass sich das Verbindungsmuster auf jedem Satelliten im Netzwerk wiederholt, sodass alle Satelliten genau gleich verbunden sind und die Verbindungen über die Zeit stabil bleiben.

Im Vergleich zu heutigen Ansätzen erhöht der neue Design-​Ansatz die Netzwerk-​Effizienz bei SpaceX um 54 Prozent und bei Kuiper (Amazon) um 45 Prozent. «Unser Ansatz könnte die Effizienz des satellitengestützten Internets verdoppeln», schliesst Bhattacherjee.