GoogleLoon高空超壓氣球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)探究論文
盡管互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛普及并融入了人們的生活，由于地形復(fù)雜等因素，世界上仍有三分之二的人無(wú)法使用互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。有鑒于此，Google公司于2013年6月正式對(duì)外公布了高空氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，旨在使用大量的高空超壓氣球作為網(wǎng)絡(luò)通信中繼平臺(tái)，為全球范圍內(nèi)沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)提供一種全新的廉價(jià)互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。經(jīng)過(guò)2014 年的飛行測(cè)試和2015 年的技術(shù)改進(jìn)，Loon項(xiàng)目已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展。目前，Loon 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)基本解決了超壓氣球氦氣泄露的問(wèn)題，大幅提高了氣球的續(xù)航時(shí)間，最長(zhǎng)留空時(shí)間已達(dá)到187天，平均的留空時(shí)間也已接近100 天。單個(gè)氣球飛行最長(zhǎng)距離達(dá)到了113000km。此外，Loon團(tuán)隊(duì)還攻克了氣球軌跡控制、高度控制、充氣及放飛技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，技術(shù)愈發(fā)成熟。目前，已經(jīng)在斯里蘭卡等地區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)覆蓋推廣，正在加快其商業(yè)化推廣腳步 。
本文著重介紹Loon 網(wǎng)絡(luò)原理，重點(diǎn)分析高空超壓氣球中繼平臺(tái)的組成以及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況，介紹項(xiàng)目試驗(yàn)進(jìn)展及商業(yè)推廣情況。
1 Google氣球網(wǎng)絡(luò)原理
GoogleLoon氣球網(wǎng)絡(luò)工作原理圖如圖1 所示。Google公司將攜帶了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)收發(fā)器的氣球發(fā)射到距離地面約20km 的高度，這些高空氣球便可以跟地面的基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。超壓氣球之間也可以相互通訊，將互聯(lián)網(wǎng)連接發(fā)送到各個(gè)氣球上。這些氣球通過(guò)地面接收裝置與地面交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)地面用戶的網(wǎng)絡(luò)連接。
Loon氣球上電子設(shè)備將實(shí)現(xiàn)對(duì)Loon 氣球的控制、定位以及氣球之間的通信、氣球與地面的通信等。地面用戶則通過(guò)特殊的網(wǎng)絡(luò)天線接入Loon氣球提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
在放飛氣球的同時(shí)，Loon 項(xiàng)目將在地面上建立一個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)，基站與基站之間的距離約為100km，可以通過(guò)基站將信號(hào)發(fā)射到空中的氣球上。
2 氣球網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析
2.1 氣球軌跡控制技術(shù)
基于大量的風(fēng)流信息以及復(fù)雜算法，Loon 團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜的平流層環(huán)境下氣球的軌跡控制。美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局為其提供了大規(guī)模的氣象數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)已在氣球操縱的問(wèn)題上取得了重大改進(jìn)。通過(guò)數(shù)以千次的軌道模擬計(jì)算，現(xiàn)在已經(jīng)非常接近于預(yù)定目標(biāo)。在里程長(zhǎng)達(dá)9000km 的飛行旅途中，氣球抵達(dá)地點(diǎn)與目標(biāo)目的地之間的距離誤差已可控制在1.5km 以內(nèi)，而這一點(diǎn)純粹是通過(guò)預(yù)測(cè)平流層風(fēng)向并以此為據(jù)進(jìn)行氣球?qū)Ш綄?shí)現(xiàn)的。
2.2 氣球高度控制技術(shù)
除了通過(guò)氣泵向副氣囊充入或排出空氣實(shí)現(xiàn)高度變化以外，Loon 氣球還可以通過(guò)以下三種方式實(shí)現(xiàn)自身飛行高度的變化：
(1)通過(guò)太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)不斷在封膜和儲(chǔ)藏室中轉(zhuǎn)移氣體，通過(guò)排出或充入空氣改變氣球的浮力，實(shí)現(xiàn)高空超壓氣球高度的變化。
(2)氣球中的燃料電池可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣傳遞到封膜中進(jìn)而增加氣球的浮力。當(dāng)這些氫氣再返回到燃料電池箱中和氧氣反應(yīng)生成水時(shí)，氣球的高度又隨之下降了。
(3)通過(guò)在球體表明涂上黑白兩種不同材料，當(dāng)氣球需要升高時(shí)就把黑色的一面朝向太陽(yáng)，氣球中的氣體吸熱膨脹，浮力增加，實(shí)現(xiàn)高度的上升;反之，則把白色一面朝向太陽(yáng)，氣球中的氣體降溫，減小浮力以實(shí)現(xiàn)高度的下降。
對(duì)于以上三種控制途徑，第二種實(shí)現(xiàn)難度過(guò)大，也許只是Loon 團(tuán)隊(duì)的一種設(shè)想。第三種途徑如何實(shí)現(xiàn)氣球朝向的變化是難點(diǎn)。
2.3 氣球充氣及發(fā)射技術(shù)
Google公司表示，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了新的氣球充氣裝置�，F(xiàn)在，只需5分鐘時(shí)間便可做好一個(gè)氣球的升空準(zhǔn)備工作。
此外，Google開(kāi)發(fā)出了自動(dòng)發(fā)射器(又稱“鳥屋”)，如圖3所示。鳥屋是一個(gè)金屬框架，四周用帆布遮住，這樣就可以擋住外界的風(fēng)，從而讓氣球保持空中姿態(tài)，避免了以前氣球起飛時(shí)天線發(fā)生漂移的情況。在風(fēng)速小于大約24km/h(相當(dāng)于4 級(jí)風(fēng)力)的情況下，地面只需4個(gè)人即可在15分鐘之內(nèi)將氣球送上天;而以往發(fā)射耗時(shí)則需要45分鐘，而且風(fēng)力不能夠大于9.6km/h(相當(dāng)于2級(jí)風(fēng)力)。對(duì)于要覆蓋一個(gè)信號(hào)盲區(qū)往往需要投放數(shù)百個(gè)超壓氣球的Google公司來(lái)說(shuō)，這種裝置極大提高了發(fā)射的效率和可靠性。
2.4 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中繼形式
此前為了能有效提供互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)，Google公司的高空氣球需要與遠(yuǎn)至80km 以外的運(yùn)營(yíng)商合作伙伴(如沃達(dá)豐、西班牙電信等)的地面站進(jìn)行直接連接來(lái)提供互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)中繼，要設(shè)立大量的地面站，效率低且價(jià)格高昂。利用氣球本身來(lái)進(jìn)行中繼，一旦某個(gè)氣球從附近的地面站獲得信號(hào)后，再?gòu)目罩邪研盘?hào)中繼給附近的氣球，這樣附近的氣球就不再?gòu)牡孛嬲緦ふ抑欣^了。通過(guò)這種辦法，一個(gè)地面站的漫游距離可以達(dá)到400800km，覆蓋整個(gè)西非地區(qū)只需要8個(gè)地面站。
但是這種辦法的技術(shù)挑戰(zhàn)也非常大，因?yàn)槠搅鲗由厦娴臍馇蛟谒斤L(fēng)的作用下會(huì)移動(dòng)，通訊中繼位置便發(fā)生移動(dòng)，要想找出另一個(gè)氣球的某個(gè)時(shí)間的位置和高度需要非常精確復(fù)雜的計(jì)算。此外，平流層的環(huán)境條件也非常惡劣，最低溫度可以達(dá)到零下50°，這種情況下傳統(tǒng)的金屬平衡環(huán)和電機(jī)都會(huì)發(fā)生故障或者失靈。
3 高空超壓氣球組成研究
Loon高空超壓氣球從上到下依次為：降落傘、球體、氣泵、太陽(yáng)能電池板和吊艙。高空超壓氣球各個(gè)組成部分指標(biāo)及功能描述如下：
3.1 降落傘
降落傘安裝在氣球的頂部。當(dāng)Loon氣球完成了飛行任務(wù)需要降落的時(shí)候，地面操控人員通過(guò)排出氦氣的方式減小氣球浮力。若氣球下降速度過(guò)快，降落傘包便會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，將下降速度控制在可控范圍之內(nèi)，以便氣球能夠完好回收。
3.2 球體
球體分為主氣囊和副氣囊。為了達(dá)到預(yù)期飛行時(shí)間超過(guò)100天的目的，它采用的是超壓型氣球設(shè)計(jì)，氣球球體采用了南瓜型外形設(shè)計(jì)。氣球直徑約為15m，高約12m，主氣囊內(nèi)部充著浮升氣體(氦氣)。所使用的氣球囊體采用材料強(qiáng)度非常高的聚乙烯材料，厚度約為0.076mm，氣球的超壓量可以達(dá)到800Pa，根據(jù)最新公布的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)，氣球的極限超壓量已經(jīng)突破了1200Pa。副氣囊內(nèi)充有空氣，通過(guò)氣泵排出或充入空氣，實(shí)現(xiàn)Loon氣球高度的調(diào)節(jié)。
3.3 氣泵
Loon氣球的底部安裝了高度調(diào)節(jié)裝置———?dú)獗�。氣泵向副氣囊充入空氣或者排出空氣�?lái)改變氣球的浮力，從而實(shí)現(xiàn)氣球高度的下降或升高。這種浮力調(diào)節(jié)方式，可以實(shí)現(xiàn)氣球1.7km 范圍的高度調(diào)節(jié)。
3.4 太陽(yáng)能電池
氣球上任務(wù)設(shè)備所有能量來(lái)源均為太陽(yáng)能電池。每個(gè)氣球上有兩塊1.5m×1.5m 的電池板相對(duì)放置，便于吸收各個(gè)方向的太陽(yáng)光，即使氣球在高空中改變朝向，也不會(huì)中斷供電。太陽(yáng)能電池板采用的是輕質(zhì)高效的薄膜單晶硅材質(zhì)，光照充足時(shí)可提供100W 的功率。在光照充足時(shí)，僅需4個(gè)小時(shí)就可以完成吊艙內(nèi)鋰電池的充電過(guò)程。白天光照充足時(shí)太陽(yáng)能電池不僅可以滿足球上設(shè)備能量需求，還可以將剩余能量?jī)?chǔ)存在吊艙內(nèi)的鋰電池中，以供夜間或光照不足時(shí)球上設(shè)備使用。這樣就可以保證氣球能在20km 高度持續(xù)工作很多天而不需要地面給予額外的'能量。
3.5 吊艙
Loon氣球的主要電子設(shè)備以及任務(wù)載荷設(shè)備都安裝在氣球最底端的吊艙內(nèi)。吊艙尺寸約為30cm×25cm×60cm，吊艙總重約為10kg。吊艙內(nèi)主要設(shè)備有：通訊設(shè)備、溫控系統(tǒng)、GPS 接收機(jī)、鋰電池、測(cè)控設(shè)備、雷達(dá)角反射器、二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)以及主控電路。
4 Loon氣球試驗(yàn)及推廣歷程
4.1 試驗(yàn)歷程
2013年6 月，Google公司在新西蘭南島克萊斯特徹奇市郊區(qū)和萊克特卡波市的坎特伯雷兩個(gè)發(fā)放點(diǎn)進(jìn)行了首次公開(kāi)飛行測(cè)試，氣球在空中的最初留空時(shí)間普遍只有幾天。此次飛行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)Loon氣球技術(shù)的改進(jìn)和完善提供了很大的幫助。Google公司通過(guò)飛行試驗(yàn)中收集的風(fēng)力數(shù)據(jù)改善其預(yù)測(cè)模型，使預(yù)測(cè)精度達(dá)到之前的兩倍。此外，Loon氣球經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)升級(jí)，已經(jīng)從最初的留空時(shí)間只有幾天提高到100天甚至是180天以上。為了完善和提高Loon 高空超壓氣球技術(shù)，在完成了氣球升級(jí)后，團(tuán)隊(duì)又在加利福利亞的中央谷開(kāi)展了一系列的飛行試驗(yàn)，成功飛越了附近的福勒斯諾市。通過(guò)飛行，成功地獲取了城市中無(wú)線電信號(hào)噪聲對(duì)Loon氣球網(wǎng)絡(luò)傳輸能力影響的數(shù)據(jù)。由于噪聲的存在，造成Loon氣球信號(hào)的誤碼率提高，有效帶寬降低，他們采用了增加信號(hào)強(qiáng)度的措施降低噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。
隨后，編號(hào)為IBIS167 的氣球用了22 天時(shí)間完成了繞地球一周的飛行：氣球先在太平洋上繞了幾圈，然后乘著西風(fēng)飛向了智利和阿根廷，然后回到了澳大利亞和新西蘭。由于采用了改良后的氣泵以及之前的飛行測(cè)試數(shù)據(jù)，氣球能夠更快地改變自身的工作高度，保持自己的航向。
2014年6月初，在皮奧伊州首府特雷西納靠近赤道地區(qū)，Google公司在當(dāng)?shù)胤棚w了5 個(gè)高空氣球。這次試驗(yàn)，在收發(fā)數(shù)據(jù)方面采用了移動(dòng)通信長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LongTerm Evolution，LTE)，讓人們可以通過(guò)手機(jī)直接連接并訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，Loon氣球與地面天線建立的傳輸速率最高可達(dá)22Mbps，與手持設(shè)備建立的傳輸速率則最高可達(dá)5Mbps。而且這也是Google公司首次克服濕熱環(huán)境的影響，在赤道附近放飛Loon氣球。
4.2 商業(yè)推廣歷程
Loon項(xiàng)目商用化的能力也日漸完善。斯里蘭卡政府2016年2月初曾宣布與Google公司合作為其提供高速網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在二者合資企業(yè)中斯里蘭卡政府將持有25% 的股份。雖然斯里蘭卡不會(huì)提供任何資金支持，但會(huì)為GoogleLoon計(jì)劃開(kāi)放頻段。此外，還有10%股份交由島上現(xiàn)有的電話業(yè)務(wù)供應(yīng)商。該項(xiàng)目承諾會(huì)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面并提供更加便利的數(shù)據(jù)服務(wù)。這也意味著斯里蘭卡成為第一個(gè)全面覆蓋互聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家，也成了氣球網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目首個(gè)覆蓋的國(guó)家。
目前，印尼僅有大約1/3 的居民可以上網(wǎng)，在組成印尼的1.7 萬(wàn)個(gè)小島間連接光纖網(wǎng)絡(luò)或者建設(shè)及維護(hù)移動(dòng)通信塔難度非常大。Google 公司2016年與印尼本地的indosat、telkomsel和XLaxi瞐ta三大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商合作，在印尼開(kāi)展氣球互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目測(cè)試。通過(guò)氣球間的通信，Loon 項(xiàng)目已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)最偏遠(yuǎn)地方的居民上網(wǎng)的目標(biāo)。在飛行測(cè)試中，Loon 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠使漂浮在平流層高度，相距100km 遠(yuǎn)的兩個(gè)氣球之間通過(guò)無(wú)線電傳輸數(shù)據(jù)，本土運(yùn)營(yíng)商便可以通過(guò)這種方式將他們的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供給更大范圍的用戶，而在此之前要實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難。
根據(jù)Google公司向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提交的文件顯示，它正在計(jì)劃在全美國(guó)測(cè)試其ProjectLoon項(xiàng)目。谷歌公司請(qǐng)求聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)在美國(guó)50個(gè)州以及波多黎各測(cè)試基于毫米波帶寬無(wú)線頻譜的試驗(yàn)性無(wú)線電技術(shù)。Google公司表示，他們?cè)?jì)劃于2016年1月1日起開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試期為24個(gè)月。這項(xiàng)測(cè)試計(jì)劃表明Google公司有進(jìn)一步擴(kuò)大Loon項(xiàng)目的遠(yuǎn)景規(guī)劃。
5 展望
Google氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃從開(kāi)始發(fā)布至今已經(jīng)取得了一系列技術(shù)上的突破以及商業(yè)化的推廣。目前，ProjectLoon氣球主要分布在南半球，主要是因?yàn)槟习肭蛉丝诿芏鹊�，偏遠(yuǎn)地區(qū)多，寬帶網(wǎng)絡(luò)難以抵達(dá)，對(duì)于大氣層的管制也比較寬松。而在北半球，ProjectLoon則面臨著復(fù)雜的政策因素。由于氣球完全靠空氣流動(dòng)帶動(dòng)，氣球能否到達(dá)要覆蓋的地區(qū)依賴途經(jīng)國(guó)家的態(tài)度。不過(guò)ProjectLoon 由于其受天氣影響小這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)仍然吸引了一些發(fā)達(dá)國(guó)家(如日本)的興趣。
Google 公司本身也在積極調(diào)整策略來(lái)推進(jìn)Loon項(xiàng)目的進(jìn)展。從最初采用Wi睩i頻段到與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商合作以尋求更大商機(jī)，如此一來(lái)網(wǎng)絡(luò)不僅速度更快而且可靠性更強(qiáng)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這是可以提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的一個(gè)有效解決方案，因?yàn)樵诘孛娌渴鸹究倳?huì)受制于地理?xiàng)l件(尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū))，而利用這些空中的流動(dòng)基站，可_r_m_-_i_7以有效、低成本地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全方位覆蓋。
此外，Google公司還在開(kāi)展一項(xiàng)名為“ProjectSkybender”的高空計(jì)劃，以期讓太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)帶來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)連接，“Solara50”太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)如圖6 所示。它主要依托毫米波技術(shù)，理論上速度可達(dá)數(shù)GB/s，是普通4GLTE 的40多倍。
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