GoogleLoon高空超壓氣球網絡技術探究論文
盡管互聯(lián)網已經廣泛普及并融入了人們的生活，由于地形復雜等因素，世界上仍有三分之二的人無法使用互聯(lián)網服務。有鑒于此，Google公司于2013年6月正式對外公布了高空氣球網絡計劃，旨在使用大量的高空超壓氣球作為網絡通信中繼平臺，為全球范圍內沒有接入互聯(lián)網服務的農村或偏遠地區(qū)提供一種全新的廉價互聯(lián)網接入服務。經過2014 年的飛行測試和2015 年的技術改進，Loon項目已經取得了巨大進展。目前，Loon 團隊已經基本解決了超壓氣球氦氣泄露的問題，大幅提高了氣球的續(xù)航時間，最長留空時間已達到187天，平均的留空時間也已接近100 天。單個氣球飛行最長距離達到了113000km。此外，Loon團隊還攻克了氣球軌跡控制、高度控制、充氣及放飛技術等關鍵技術，技術愈發(fā)成熟。目前，已經在斯里蘭卡等地區(qū)進行了網絡覆蓋推廣，正在加快其商業(yè)化推廣腳步 。
本文著重介紹Loon 網絡原理，重點分析高空超壓氣球中繼平臺的組成以及關鍵技術攻關情況，介紹項目試驗進展及商業(yè)推廣情況。
1 Google氣球網絡原理
GoogleLoon氣球網絡工作原理圖如圖1 所示。Google公司將攜帶了無線網絡信號收發(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行網絡數(shù)據(jù)的傳輸。超壓氣球之間也可以相互通訊，將互聯(lián)網連接發(fā)送到各個氣球上。這些氣球通過地面接收裝置與地面交換數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)地面用戶的網絡連接。
Loon氣球上電子設備將實現(xiàn)對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。地面用戶則通過特殊的網絡天線接入Loon氣球提供的互聯(lián)網服務。
在放飛氣球的同時，Loon 項目將在地面上建立一個基站網絡，基站與基站之間的距離約為100km，可以通過基站將信號發(fā)射到空中的氣球上。
2 氣球網絡關鍵技術分析
2.1 氣球軌跡控制技術
基于大量的風流信息以及復雜算法，Loon 團隊實現(xiàn)了在復雜的平流層環(huán)境下氣球的軌跡控制。美國國家海洋和大氣局為其提供了大規(guī)模的氣象數(shù)據(jù)。團隊已在氣球操縱的問題上取得了重大改進。通過數(shù)以千次的軌道模擬計算，現(xiàn)在已經非常接近于預定目標。在里程長達9000km 的飛行旅途中，氣球抵達地點與目標目的地之間的距離誤差已可控制在1.5km 以內，而這一點純粹是通過預測平流層風向并以此為據(jù)進行氣球導航實現(xiàn)的。
2.2 氣球高度控制技術
除了通過氣泵向副氣囊充入或排出空氣實現(xiàn)高度變化以外，Loon 氣球還可以通過以下三種方式實現(xiàn)自身飛行高度的變化：
(1)通過太陽能動力系統(tǒng)不斷在封膜和儲藏室中轉移氣體，通過排出或充入空氣改變氣球的浮力，實現(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化學反應產生氫氣傳遞到封膜中進而增加氣球的浮力。當這些氫氣再返回到燃料電池箱中和氧氣反應生成水時，氣球的高度又隨之下降了。
(3)通過在球體表明涂上黑白兩種不同材料，當氣球需要升高時就把黑色的一面朝向太陽，氣球中的氣體吸熱膨脹，浮力增加，實現(xiàn)高度的上升;反之，則把白色一面朝向太陽，氣球中的氣體降溫，減小浮力以實現(xiàn)高度的下降。
對于以上三種控制途徑，第二種實現(xiàn)難度過大，也許只是Loon 團隊的一種設想。第三種途徑如何實現(xiàn)氣球朝向的變化是難點。
2.3 氣球充氣及發(fā)射技術
Google公司表示，他們已經開發(fā)了新的氣球充氣裝置�，F(xiàn)在，只需5分鐘時間便可做好一個氣球的升空準備工作。
此外，Google開發(fā)出了自動發(fā)射器(又稱“鳥屋”)，如圖3所示。鳥屋是一個金屬框架，四周用帆布遮住，這樣就可以擋住外界的風，從而讓氣球保持空中姿態(tài)，避免了以前氣球起飛時天線發(fā)生漂移的情況。在風速小于大約24km/h(相當于4 級風力)的情況下，地面只需4個人即可在15分鐘之內將氣球送上天;而以往發(fā)射耗時則需要45分鐘，而且風力不能夠大于9.6km/h(相當于2級風力)。對于要覆蓋一個信號盲區(qū)往往需要投放數(shù)百個超壓氣球的Google公司來說，這種裝置極大提高了發(fā)射的效率和可靠性。
2.4 網絡信號中繼形式
此前為了能有效提供互聯(lián)網信號，Google公司的高空氣球需要與遠至80km 以外的運營商合作伙伴(如沃達豐、西班牙電信等)的地面站進行直接連接來提供互聯(lián)網信號中繼，要設立大量的地面站，效率低且價格高昂。利用氣球本身來進行中繼，一旦某個氣球從附近的地面站獲得信號后，再從空中把信號中繼給附近的氣球，這樣附近的氣球就不再從地面站尋找中繼了。通過這種辦法，一個地面站的漫游距離可以達到400800km，覆蓋整個西非地區(qū)只需要8個地面站。
但是這種辦法的技術挑戰(zhàn)也非常大，因為平流層上面的氣球在水平風的作用下會移動，通訊中繼位置便發(fā)生移動，要想找出另一個氣球的某個時間的位置和高度需要非常精確復雜的計算。此外，平流層的環(huán)境條件也非常惡劣，最低溫度可以達到零下50°，這種情況下傳統(tǒng)的金屬平衡環(huán)和電機都會發(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、太陽能電池板和吊艙。高空超壓氣球各個組成部分指標及功能描述如下：
3.1 降落傘
降落傘安裝在氣球的頂部。當Loon氣球完成了飛行任務需要降落的時候，地面操控人員通過排出氦氣的方式減小氣球浮力。若氣球下降速度過快，降落傘包便會自動打開，將下降速度控制在可控范圍之內，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。為了達到預期飛行時間超過100天的目的，它采用的是超壓型氣球設計，氣球球體采用了南瓜型外形設計。氣球直徑約為15m，高約12m，主氣囊內部充著浮升氣體(氦氣)。所使用的氣球囊體采用材料強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到800Pa，根據(jù)最新公布的實驗室測試數(shù)據(jù)，氣球的極限超壓量已經突破了1200Pa。副氣囊內充有空氣，通過氣泵排出或充入空氣，實現(xiàn)Loon氣球高度的調節(jié)。
3.3 氣泵
Loon氣球的底部安裝了高度調節(jié)裝置———氣泵。氣泵向副氣囊充入空氣或者排出空氣來改變氣球的浮力，從而實現(xiàn)氣球高度的下降或升高。這種浮力調節(jié)方式，可以實現(xiàn)氣球1.7km 范圍的高度調節(jié)。
3.4 太陽能電池
氣球上任務設備所有能量來源均為太陽能電池。每個氣球上有兩塊1.5m×1.5m 的電池板相對放置，便于吸收各個方向的太陽光，即使氣球在高空中改變朝向，也不會中斷供電。太陽能電池板采用的是輕質高效的薄膜單晶硅材質，光照充足時可提供100W 的功率。在光照充足時，僅需4個小時就可以完成吊艙內鋰電池的充電過程。白天光照充足時太陽能電池不僅可以滿足球上設備能量需求，還可以將剩余能量儲存在吊艙內的鋰電池中，以供夜間或光照不足時球上設備使用。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氣球的主要電子設備以及任務載荷設備都安裝在氣球最底端的吊艙內。吊艙尺寸約為30cm×25cm×60cm，吊艙總重約為10kg。吊艙內主要設備有：通訊設備、溫控系統(tǒng)、GPS 接收機、鋰電池、測控設備、雷達角反射器、二次雷達應答機以及主控電路。
4 Loon氣球試驗及推廣歷程
4.1 試驗歷程
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發(fā)放點進行了首次公開飛行測試，氣球在空中的最初留空時間普遍只有幾天。此次飛行試驗結果對Loon氣球技術的改進和完善提供了很大的幫助。Google公司通過飛行試驗中收集的風力數(shù)據(jù)改善其預測模型，使預測精度達到之前的兩倍。此外，Loon氣球經過不斷的改進升級，已經從最初的留空時間只有幾天提高到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，在完成了氣球升級后，團隊又在加利福利亞的中央谷開展了一系列的飛行試驗，成功飛越了附近的福勒斯諾市。通過飛行，成功地獲取了城市中無線電信號噪聲對Loon氣球網絡傳輸能力影響的數(shù)據(jù)。由于噪聲的存在，造成Loon氣球信號的誤碼率提高，有效帶寬降低，他們采用了增加信號強度的措施降低噪聲對信號的干擾。
隨后，編號為IBIS167 的氣球用了22 天時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?shù)胤棚w了5 個高空氣球。這次試驗，在收發(fā)數(shù)據(jù)方面采用了移動通信長期演進技術(LongTerm Evolution，LTE)，讓人們可以通過手機直接連接并訪問互聯(lián)網。通過此項技術，Loon氣球與地面天線建立的傳輸速率最高可達22Mbps，與手持設備建立的傳輸速率則最高可達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絡服務，在二者合資企業(yè)中斯里蘭卡政府將持有25% 的股份。雖然斯里蘭卡不會提供任何資金支持，但會為GoogleLoon計劃開放頻段。此外，還有10%股份交由島上現(xiàn)有的電話業(yè)務供應商。該項目承諾會擴大網絡覆蓋面并提供更加便利的數(shù)據(jù)服務。這也意味著斯里蘭卡成為第一個全面覆蓋互聯(lián)網的國家，也成了氣球網絡項目首個覆蓋的國家。
目前，印尼僅有大約1/3 的居民可以上網，在組成印尼的1.7 萬個小島間連接光纖網絡或者建設及維護移動通信塔難度非常大。Google 公司2016年與印尼本地的indosat、telkomsel和XLaxi瞐ta三大移動網絡運營商合作，在印尼開展氣球互聯(lián)網項目測試。通過氣球間的通信，Loon 項目已經能夠實現(xiàn)最偏遠地方的居民上網的目標。在飛行測試中，Loon 團隊已經能夠使漂浮在平流層高度，相距100km 遠的兩個氣球之間通過無線電傳輸數(shù)據(jù)，本土運營商便可以通過這種方式將他們的網絡服務提供給更大范圍的用戶，而在此之前要實現(xiàn)起來非常困難。
根據(jù)Google公司向美國聯(lián)邦通信委員會提交的文件顯示，它正在計劃在全美國測試其ProjectLoon項目。谷歌公司請求聯(lián)邦通信委員會批準在美國50個州以及波多黎各測試基于毫米波帶寬無線頻譜的試驗性無線電技術。Google公司表示，他們原計劃于2016年1月1日起開始測試，測試期為24個月。這項測試計劃表明Google公司有進一步擴大Loon項目的遠景規(guī)劃。
5 展望
Google氣球網絡計劃從開始發(fā)布至今已經取得了一系列技術上的突破以及商業(yè)化的推廣。目前，ProjectLoon氣球主要分布在南半球，主要是因為南半球人口密度低，偏遠地區(qū)多，寬帶網絡難以抵達，對于大氣層的管制也比較寬松。而在北半球，ProjectLoon則面臨著復雜的政策因素。由于氣球完全靠空氣流動帶動，氣球能否到達要覆蓋的地區(qū)依賴途經國家的態(tài)度。不過ProjectLoon 由于其受天氣影響小這一獨特優(yōu)勢仍然吸引了一些發(fā)達國家(如日本)的興趣。
Google 公司本身也在積極調整策略來推進Loon項目的進展。從最初采用Wi睩i頻段到與當?shù)剡\營商合作以尋求更大商機，如此一來網絡不僅速度更快而且可靠性更強。對于運營商來說，這是可以提高網絡覆蓋率的一個有效解決方案，因為在地面部署基站總會受制于地理條件(尤其是偏遠地區(qū))，而利用這些空中的流動基站，可_r_m_-_i_7以有效、低成本地實現(xiàn)網絡的全方位覆蓋。
此外，Google公司還在開展一項名為“ProjectSkybender”的高空計劃，以期讓太陽能無人機帶來5G 網絡連接，“Solara50”太陽能無人機如圖6 所示。它主要依托毫米波技術，理論上速度可達數(shù)GB/s，是普通4GLTE 的40多倍。
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