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详解Google热气球网络计划:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

时间:2018-02-13 02:00:01

 
 

这个热气球来头可不小,它隶属于 Google X 实验室的 Project Loon,Google 的初衷是希望利用热气球为农村、偏远和不发达地区提供廉价的网络接入服务。

那么从实验室到实际应用,这个热气球计划又是如何一步步走向成功的呢?

Project Loon的前世今生

还得先从一家默默无闻的小公司说起,Space Data 是一家能够在空中20英里(32公里)高度上发送携带小型基地台气球技术的公司。

2008年的时候,Google 曾经考虑是和 Space Data 进行合作还是直接收购他们,但最终 Google 没有与之合作亦没有收购它,不过却因此有了 Project Loon 计划的萌芽。

2011年,Google X 实验室传出孵化该计划的消息,2013年6月14日,Google 才正式宣布成立该研究计划。

对此,Google X 实验室 CTO 理查德德沃尔表示:“我们不想让气球随风飘动,我们要的是让气球可以在我们的控制下飞到任何需要的地方。”

最初,在刚宣布之时,大家都戏称该计划太疯狂,而 Google 对此的态度则是一副“别人笑我太疯癫,我笑他人看不穿”的我行我素。

随后几年,Google X 实验室(重组后更名为X实验室)不断在新西兰、巴西、印尼等多地的海岛和偏远地区进行试验,并试图与当地政府开展合作,为环境恶劣的地带带去通信网络。

与大家的设想不同,这一看似“天方夜谭”的计划一直以稳定的节奏在进步和落实。

不过一项研究的成功,最核心的要素还是技术。

如何实现Google热气球上网呢?

最新的官方数据显示,目前X实验室可以实现每30分钟自动发射气球的频率,气球的飞行高度可超过1.9万千米,其中每个气球在空中的飞行时间是190天,其通信覆盖面积是5000平方公里,且气球之间的数据传输距离可以超过100km,传输速度达到10Mbps,并且支持4G通信。

Google 气球分为两部分:气球和气球间组成 Mesh 网络,气球与地面基地台组成用户网络。Project Loon 采用的频段为 ISM 非授权频段,相当于一个露天大 WiFi。

但即使 Google 采用了2.4GHz 和5.8GHz 非授权频段,也并不意味着你的手机可以直接连接到 Google 气球,它并不直接支援 WiFi,你需要在你家屋顶安装一根专用天线来接收并解密信号后才能上网,类似于卫星通信。

Google使出浑身解数解决三大技术难题

类似于地面上的物联网,每一个气球是通信网中的一个节点,但是在高空中达到以上的标准和性能绝非易事。

首先,将气球送到平均风速为100km/h的高空平流层里,最先面对的就是挑选制作气球材料。因为需要升入高空,所选的制作材料必须轻盈且耐压;此外,在平流层高度,环境温度将会达到零下90摄氏度,这就要求设备至少要有军工级别的抗寒能力。

其次,气球需要在空中停留将近两百天,显然没有任何电池可以持续供电200天,所以每一个气球内的供电装置需要充分利用风能和太阳能,且其储能设备和供电设备要能够形成良好的互补。

随之而来的是,当所有气球被发射到高空中,怎样确保多个气球之间形成稳定的局域网,而不受风的影响?甚至更进一步,怎样按照德沃尔的想法,以设定好的轨迹移动呢?

这里研究团队充分利用气流流动,并搭配方向判断的算法模型来实现控制。Google 正在利用机器学习,让气球根据高度、位置、风速、时间等变量来对平流层的状况进行预定的反应,以实现对气球运动方向的调控,但是现实中会有很多突发状况,所以研究团队仍然在不断改进。

另外如何实现对气球的发射和回收也是问题,X实验室为此设计了自动发射台,确保了设计上可以达到较高的发射效率,来保证过程的便利;而回收过程,他们则利用 GPS 定位,实现对气球下落位置的精准定位,并远程控制气球气体的自动释放,让其回落到受控下降的地面。

值得一提的是,据X实验室的发言人所言,最为麻烦的事情是在紧急应用过程中的通信技术接入问题。

从给出的结果来看,Project Loon 虽然称不上完善,但已足够出色。不过,虽有技术做保证,其实 Google 在应用过程中依然是各方面碰壁。

技术之外,政府不配合,频频碰壁

在2013年计划正式成立后两日,Google 就开始在新西兰进行试点实验,与南岛的特卡波地区的民航局协调启动了30个气球,于是基督城坎特伯雷及周围地区约有50名本地用户使用特殊天线测试与空中网络的连接。

在初次实验成功之后,Google 表示,他们计划发送300颗气球,向新西兰、澳洲、智利和阿根廷提供,谷歌希望最终能够在平流层中飞行数千只气球。

后来,因政府提供的数据品质下降和政策因素等多方面限制,此事便不了了之,但 Google 并没有放弃。

2015年7月28日,Google 与斯里兰卡资讯通信技术局(ICTA)的官员签署了大规模推出技术协议,并希望一年后可以实现大规模覆盖。但在今年1月,当地的一名部长称 Project Loon 违反相关法律而无法继续推进。

实施过程中,条约法律的限制导致该计划的频频碰壁成为常态,究其本质,政府对该计划的通信和资讯安全的顾虑成为推进的巨大阻力。

之前,在5月份的秘鲁水灾中,Google 成功的在秘鲁部署,不过这次波多黎各救灾 Google 没有事先与当地的通讯公司进行信号对接,对此,X实验室的发言人表示:“我们能够快速连接秘鲁灾区,因为我们已经在与国际电信公司 Telefonica 紧密合作进行了一些测试,在波多黎各这种情况下,事情有点复杂,因为我们的一切部署都必须从头开始。”

所以这一次灾区的需求成为该计划得以大展身手的绝佳机会,但之前 Google 为计划所做的努力绝不仅是一种实战经验的积累,更是一种铺垫。

波多黎各灾区成功的部署,也是一次成功的广告秀

一方面,波多黎各灾区的救援让 Project Loon 声名大噪,另一方面,Google 的加入也将波多黎各推上了科技网站的头条。

几乎同一时间,同样是针对波多黎各的灾情,Facebook 的 CEO 祖克柏通过 Facebook 的 VR 产品 Spaces,拍摄了波多黎各救灾活动的360度全景影片。在影片中,祖克柏利用 VR 卡通形象对波多黎各救灾行动进行解说,而影片公开后,收到的却是大家的广泛抨击。

Google 和 Facebook 的表现,从旁观者来看,其实都是借机为自己的产品打广告,Facebook 的打广告方式在实施过程实在是有欠火候,而 Google 选择的方式却恰到好处。

对于科技公司来说,从战略上考虑,灾区重建是一次重大部署的机遇,因此不止 Google 和 Facebook,甚至马斯克和美国各大科技公司都表示希望能够尽自己的绵薄之力帮助灾区。

Google 透过一次应急措施来取得政府和公众的信任,未来,相信 Preject Loon 计划频频碰壁的状况将会有大的扭转。

总结

2015年的重大重组之际,Google 创始人佩奇就曾表示过,Google 是一家有野心的公司。所以我们可以大胆猜测,这仅仅是一个开始,在取得大家信任之后,Google 的最终目标是能够在全球所有通信网络无法覆盖的地方布满该气球,真正实现自己想要的部署,获取相关的数据资源,实现 Google 的全球布局。

备注:2015年,Google 结构重整后更名为 Alphabet,Google X 实验室也并入 Alphabet 的业务,为方便阅读,全文采用 Google 来代替原先的 Google 和现在的 Alphabet。

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