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Loon是由谷歌X實(shí)驗(yàn)室發(fā)起的研究項(xiàng)目，目的是向農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)提供互聯(lián)網(wǎng)接入。該項(xiàng)目將高空超壓氣球發(fā)放至海拔20KM平流層組成空中無線網(wǎng)絡(luò)，向所覆蓋的區(qū)域提供與3G移動通信速度相近的互聯(lián)網(wǎng)訪問服務(wù)。氣球通過調(diào)整其高度到達(dá)不同的風(fēng)層，順著風(fēng)力向其期望的方向運(yùn)動，預(yù)測使用的風(fēng)力數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)。氣球覆蓋區(qū)域的用戶可以使用安裝在他們建筑物外的一種特殊的天線連接到氣球網(wǎng)絡(luò)，信號在氣球之間跳轉(zhuǎn)，最后可以到達(dá)地面站的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商（ISP），從而可以訪問全球互聯(lián)網(wǎng)。[1] 關(guān)鍵詞： 谷歌；高空氣球；超壓氣球；網(wǎng)絡(luò)；平流層
互聯(lián)網(wǎng)是我們一生中最具革命性的技術(shù)之一。但是對于地球上三分之二的人口來說,一個(gè)快速、可負(fù)擔(dān)得起的網(wǎng)絡(luò)連接仍然遙不可及。這個(gè)問題遠(yuǎn)未能解決，互聯(lián)網(wǎng)的連通性在遇到森林、島嶼、山脈的時(shí)候會遇到巨大挑戰(zhàn)，全部解決必然花費(fèi)不菲。解決這些并不是一個(gè)簡單的時(shí)間問題，而是需要更換一個(gè)全新的角度去看待它。 一種解決方案就是通過安裝在高空氣球上的無線通信設(shè)備給氣球覆蓋的地面區(qū)域提供無線上網(wǎng)服務(wù)。已經(jīng)有一些公司做過這方面的嘗試。2001年，美國的太空數(shù)據(jù)公司推出的SKY Site平臺，使用平流層氣球上安裝的無線通信設(shè)備擴(kuò)大了蜂窩式網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。2009年，日本的柴田等學(xué)者提出了使用球載無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于災(zāi)害之后的應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)想。氣球漂浮在40-100m的高度，通過IEEE802.11b/g協(xié)議與地面移動通信節(jié)點(diǎn)連接訪問互聯(lián)網(wǎng)。[2]谷歌的Project Loon是一個(gè)運(yùn)行在平流層的網(wǎng)絡(luò)，旨在連接農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，填補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的空白。[2]谷歌也提到在自然災(zāi)害發(fā)生后利用氣球來提供通信服務(wù)。在類似颶風(fēng)“桑迪”的自然災(zāi)害之后，受災(zāi)地區(qū)的通信基礎(chǔ)設(shè)施會遭到破壞，并需要很長時(shí)間才能恢復(fù)，而Loon氣球?qū)⒊蔀榉浅Ｓ杏玫膫溆猛ㄐ旁O(shè)施。 2008年谷歌考慮與太空數(shù)據(jù)公司合作，計(jì)劃在美國南部發(fā)送攜帶小型基站的氣球飛至約32公里高空，在云端提供連接到卡車司機(jī)和石油公司,不過由于種種原因，這個(gè)項(xiàng)目最終沒有實(shí)施，但這也許是谷歌Project Loon項(xiàng)目想法最初的萌芽。 以前曾有人建議使用高空系留球來建立空中與地面的連接，但谷歌否定了這個(gè)想法，因?yàn)殚L期高空系留氣球需要與風(fēng)力對抗，意味著設(shè)備的重量將大幅度增加，成本昂貴并只能限制在固定的區(qū)域。 按照谷歌X實(shí)驗(yàn)室CTO理查德·德沃爾的說法：“我們不想僅僅讓氣球隨風(fēng)而動，我們希望氣球飛到那些地面需要網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域?！?/span>[3] Loon項(xiàng)目前期非官方的發(fā)展始于2011年Google X實(shí)驗(yàn)室在加州中央山谷進(jìn)行的一系列試驗(yàn)。據(jù)說谷歌的工程師還向NASA（美國國家航空和太空管理局）和JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 ）學(xué)習(xí)了高空氣球的設(shè)計(jì)技術(shù)，還與專業(yè)的氣球研究公司Raven Aerostar開展了合作（Loon項(xiàng)目的球體是由該公司設(shè)計(jì)制作的[4]）。2013年6月14日，這個(gè)項(xiàng)目被谷歌正式官方公布。[1]
Loon氣球由球體，降落傘，氣泵，太陽能電池板，吊艙等部分組成。 2.1 球體 Loon氣球使用了類似南瓜型的設(shè)計(jì)，屬于超壓氣球的范疇，用谷歌的話說，Loon氣球的最終預(yù)期飛行時(shí)間要大于100天，要實(shí)現(xiàn)如此長的駐空時(shí)間，目前除了超壓氣球還沒有更好的選擇。[5] 地面充氣展示的Loon氣球 氣球在地面完全充氣之后的直徑約為15m，高度約為12m，采用了0.076mm厚的聚酯薄膜制成的，這種材料既薄又堅(jiān)韌，非常適合于制作超壓氣球，即使在高空超壓情況下也能保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，不至于發(fā)生較大的延展和爆裂。根據(jù)Project Loon項(xiàng)目工作人員的說法，該氣球的超壓量可以達(dá)到800Pa。[2] LOON最早的測試始于2011年，使用了一個(gè)氣象氣球及現(xiàn)成的最基本的無線電發(fā)射裝置。這些測試驗(yàn)證了氣球驅(qū)動互聯(lián)網(wǎng)的可行性，但是團(tuán)隊(duì)很清楚氣象氣球不是長久之策，因?yàn)樗鼈儾⒉皇怯脕黹L期在平流層飛行的。于是，這些氣球狂熱愛好者開始靜下心來捫心自問：如果我們想做驅(qū)動整個(gè)世界氣球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)該制作哪種氣球呢？ LOON團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的幾款氣球 LOON團(tuán)隊(duì)一開始都是在自主研發(fā)氣球，他們明白必須制作足夠大的氣球以期能夠攜帶足夠的載荷設(shè)備，保證20km高空與地面的通信連接，于是有了“Albatross(信天翁)”版本的雛形（第一排中間），"Grackle"(白頭翁,第一排右一）用來驗(yàn)證一種“太陽氣球”的理念；正圓形氣球（第二排左一）激發(fā)了他們制作超壓氣球的靈感；他們用邊角料做了一個(gè)127英尺長的"Falcon1"(獵鷹1)原理驗(yàn)證版（第二排中間），后來改進(jìn)的"Falcon2"(獵鷹2號,第二排右一）采用了透明的聚脂薄膜來增強(qiáng)焊接強(qiáng)度，成功地飛了12天， "HAWK"（鷹，第三排）長度達(dá)到142英尺，增加了副氣囊的設(shè)計(jì)用來控制氣球飛行高度。 與Raven aerostar合作后設(shè)計(jì)的幾款氣球 當(dāng)確定了采用副氣囊來操作氣球飛行高度的方案后，LOON團(tuán)隊(duì)開始了與專業(yè)氣球制造廠商Raven aerostar的合作，后者是高空氣球領(lǐng)域的行業(yè)翹楚。根據(jù)LOON團(tuán)隊(duì)的需求，分別設(shè)計(jì)了“Lbis”（朱璐），“Kestrel”（茶隼），“Lark”（云雀），“Merlin”（灰背隼）幾個(gè)版本。LOON團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)一個(gè)生產(chǎn)流程，可以持續(xù)制造合格的超壓氣球，引進(jìn)了缺陷檢測系統(tǒng)可以自動檢測膜片上最小的漏洞和缺陷?！?span style="font-family: Calibri, sans-serif;">Merlin”首先采用了這個(gè)制造流程，它的尺寸大約只有“Lark”的一半，但是獲得了與后者一樣的升力，更重要的是，達(dá)到了續(xù)航100天的目標(biāo)。 最后成熟的型號Nighthawk氣球 時(shí)至今日的“Nighthawk”夜鷹版本是LOON團(tuán)隊(duì)和Raven aerostar團(tuán)隊(duì)共同智慧的結(jié)晶，集合了以前版本的所有優(yōu)點(diǎn)，可以攜帶全功能的LTE測試設(shè)備，氣球之間通信設(shè)備，連接地面基站的設(shè)備，以及供電和高度控制設(shè)備等，而且可以批量生產(chǎn)。 為了提高生產(chǎn)制造效率（看來LOON項(xiàng)目對氣球的需求量確實(shí)很大），谷歌專門研制了自動化直熱式熱合機(jī)，在一條生產(chǎn)線上只需要兩個(gè)人操作就可以代替以前十幾人的工作，效率大大提高。 氣球生產(chǎn)線 2.2 降落傘 Loon氣球的組成如上圖所示：在氣球的最上部是降落傘包和頻閃航標(biāo)燈。正常情況下，當(dāng)Loon氣球飛離了服務(wù)區(qū)域，或者完成了飛行任務(wù)，需要降落的時(shí)候，地面操作人員可以通過排出氣球內(nèi)氦氣的方式減小氣球浮力，使其緩緩降落，不會對地面的設(shè)備和人員造成損失。在極端意外的情況下，假如出現(xiàn)氣球下降速度過快的情況，降落傘包將自動打開降落傘，將下降速度控制在安全的范圍內(nèi)。常規(guī)的高空氣球或者超壓氣球系統(tǒng)會將降落傘設(shè)計(jì)在氣球和吊艙之間，在飛行試驗(yàn)結(jié)束后將降落傘以上的氣球切割掉，降落傘自動打開，帶著吊艙返回地面，采用這種返回方式的氣球一般是不回收的，會在切割后快速上升，由于球體過壓而爆裂。Loon氣球設(shè)計(jì)有些與眾不同，由于降落傘安裝在氣球頂部，所以整個(gè)氣球包括吊艙系統(tǒng)都可以回收。為了避免在球體傾覆或快速旋轉(zhuǎn)的情況下，降落傘無法穩(wěn)定打開，Loon氣球的降落傘采用了引導(dǎo)傘的設(shè)計(jì)。引導(dǎo)傘是一個(gè)小型的降落傘，設(shè)計(jì)用來快速充氣并提供足夠的拉力來拖出主傘。[6]
安裝在氣球頂部的降落傘包 同樣安裝在氣球頂部的頻閃航標(biāo)燈起到安全警示的作用，在夜間飛行時(shí)以一定的頻率閃亮，提醒其它飛行器進(jìn)行避讓。既然Loon氣球可以通過排出氦氣的方式緩慢降落，那么據(jù)推測在氣球頂部應(yīng)該有一個(gè)氦氣排氣裝置。 2.3 氣泵 在氣球的底部是所謂的高度調(diào)節(jié)裝置，谷歌官方稱之為氣泵（Pump）。[6]常規(guī)的零壓高空氣球會攜帶一定的壓艙物，當(dāng)溫度降低時(shí)會導(dǎo)致浮升氣體體積收縮，從而造成浮力的損失，使得飛行高度下降，此時(shí)為了維持飛行高度，需要拋掉一部分壓艙物，降低自身重量以補(bǔ)償浮力的損失，需要人為提高飛行高度時(shí)也可以采用拋壓艙的方式；而需要下降的時(shí)候則排掉一部分氦氣，降低球體浮力。這樣做的缺點(diǎn)是，由于氣球所能攜帶的壓艙物和浮升氣體在空中都屬于不可再生資源，所以高度調(diào)節(jié)的次數(shù)和幅度都十分有限。超壓氣球的球體是封閉的，一般不會自動排出浮升氣體，由于溫度增加而產(chǎn)生的壓差完全由球體本身承擔(dān)，因此可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間飛行，且晝夜飛行高度波動小。[7]Loon氣球采用了和中低空飛艇副氣囊類似的設(shè)計(jì)，通過所謂的氣泵向副氣囊內(nèi)充入空氣或者打開閥門排出副氣囊的空氣來改變氣球的浮力，從而使氣球上升或者下降，以達(dá)到改變高度的目的。按照Loon項(xiàng)目工作人員的說法，通過這種方式，可以實(shí)現(xiàn)氣球1.7KM范圍的高度調(diào)節(jié)。[2]由于空氣對于平流層中飛行的氣球來說是取之不盡的可再生能源，所以用此方法可以多次循環(huán)使用，這對于滯空時(shí)間目標(biāo)為100天的長航時(shí)Loon氣球非常合適。 Loon氣球氣泵的設(shè)計(jì)也很有特點(diǎn)，使用特殊設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)葉片，進(jìn)氣口和排氣口布置在同一個(gè)閥門上。
Loon氣泵使用的風(fēng)機(jī)葉片 不要小看了這個(gè)小小的風(fēng)機(jī)葉片，在平流層空氣密度只有地面的1%，所以僅僅使用風(fēng)機(jī)在平流層達(dá)到800Pa的超壓量并不容易。
Loon氣泵閥門 上圖中間的三個(gè)通道為進(jìn)氣口，上面的密封墊起到單向閥的作用：當(dāng)風(fēng)機(jī)打開時(shí)，由風(fēng)壓頂開上面覆蓋的密封墊，風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，密封墊自動回彈關(guān)閉進(jìn)氣口。兩側(cè)的兩個(gè)通道為排氣閥，可以通過直線電機(jī)驅(qū)動打開或關(guān)閉。[6] 2.4 太陽能電池板 在氣泵和閥門的下部是一個(gè)水平安裝的太陽能電池板，采用的是輕質(zhì)高效的薄膜單晶硅材質(zhì)，在光照充足的情況下能夠提供約100W的功率，足夠維持氣球上的設(shè)備供電，并且向吊艙內(nèi)的鋰離子電池充電，以供其在夜間飛行時(shí)使用。
太陽能電池板
改進(jìn)后的傾斜布置的太陽能電池板 圖6中所示的太陽能電池板采用的是水平布局（時(shí)間是2013年6月），在2014年2月27日谷歌公開的照片中，我們發(fā)現(xiàn)新的Loon氣球已經(jīng)采用了傾斜布局的太陽能電池板（實(shí)際上這在NASA的高空氣球試驗(yàn)中很常見）。兩個(gè)太陽能電池板安裝成一個(gè)較大的傾斜角度以在高海拔的冬季有效地捕捉太陽光。太陽能電池板分成兩部分朝著完全相反的方向，這樣可以讓它在氣球飛行過程中緩慢旋轉(zhuǎn)的時(shí)候在任何方向都能獲取能量。 2.5 吊艙 Loon氣球的主要電子設(shè)備安裝于一個(gè)大小約為300mm×300mm×600mm的封閉艙內(nèi)，主要的設(shè)備名稱如圖7所示。
吊艙內(nèi)的設(shè)備 Loon氣球設(shè)計(jì)的飛行高度約為海拔20km，處于平流層的底部，最低氣溫可以達(dá)到-70℃。由于吊艙內(nèi)主要的儲能設(shè)備為鋰離子電池，其在低溫下的效率很低，所以對吊艙進(jìn)行保溫和加熱必不可少。在這個(gè)小型吊艙的外部覆蓋了一層厚度約為20mm的聚四氟乙烯泡沫進(jìn)行被動保溫。另外在鋰電池的外部還專門加了一層聚酰亞胺材料，進(jìn)一步阻止電池通過輻射傳熱。即使是這樣，在夜間溫度也會下降到極限，所以在夜間飛行必須使用主動的加熱裝置使吊艙內(nèi)的溫度保持在合適的范圍。[3]谷歌必須知道每一個(gè)氣球的位置，所以GPS接收機(jī)是必不可少的。二次雷達(dá)應(yīng)答機(jī)和雷達(dá)角反射器（懸掛在吊艙的外面）都是為了保證民航飛行安全的，盡管氣球飛行的高度在20KM，遠(yuǎn)高于民航飛機(jī)的飛行高度，但是在起飛和降落階段總會進(jìn)入民航飛行的高度。前者可以在航管二次雷達(dá)查詢的時(shí)候返回飛行器代號和高度信息，后者可以增加航管一次雷達(dá)掃描時(shí)的反射面，以備在萬一失控的情況下航管部門可以掌握其動向。[6] 通信設(shè)備可以視為氣球系統(tǒng)的有效載荷，因?yàn)闅馇蚱脚_就是為了建立通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的。Loon氣球系統(tǒng)在吊艙的上部共安裝了三根無線通信天線，第一根負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)連接（包括與地面的天線和空中的氣球平臺之間），第二根為測控天線，主要向地面的谷歌任務(wù)控制中心發(fā)送氣球位置信息和狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)還可以接收地面的指令（例如上升，下降或者排出氦氣等）。第三根天線是備用測控系統(tǒng)的天線，作用與第二根類似。 2.6發(fā)放 以前的LOON氣球發(fā)放是這樣子的：
谷歌終于不能忍了，開始設(shè)計(jì)一個(gè)可以在任何情況下都可以連續(xù)發(fā)放的裝置吧！首要的需求是有三面擋風(fēng)墻，能無懼近地面大風(fēng)的考驗(yàn)，于是就有了這么個(gè)45英尺寬，55英尺高的大家伙，而且可以靈活轉(zhuǎn)向，使開口對著順風(fēng)方向，以利于氣球起飛。
自動充氣發(fā)放裝置 這個(gè)巨大的自動發(fā)放裝置，可以使LOON氣球快速，安全，連續(xù)地發(fā)放至平流層。2015年LOON團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了在29分鐘內(nèi)完成充氣，發(fā)放，并進(jìn)入平流層的記錄。
 谷歌氣球可以提供給相應(yīng)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)連接速度約為10Mbps（與WCDMA的3G通信的速度相當(dāng)）。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有兩種通信鏈路：氣球?qū)馇蛲ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)和氣球?qū)Φ孛嬲军c(diǎn)或者說志愿者之間的網(wǎng)絡(luò)。通過特殊的無線天線來支持這兩種網(wǎng)絡(luò)。目前使用的是ISM頻段即2.4G/5.8Ghz波段[2]，是由國際通信聯(lián)盟無線電通信局規(guī)定可以用于工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)用領(lǐng)域的頻段。應(yīng)用這些頻段無需許可證，只需要遵守一定的發(fā)射功率（一般低于1W），并且不要對其它頻段造成干擾即可。使用ISM頻段可以使谷歌避免與當(dāng)?shù)卣畢f(xié)商購買特殊的無線電頻段授權(quán)。 另外，使用該頻段也可以避免干擾以期達(dá)到更遠(yuǎn)的傳輸距離。因?yàn)長oon氣球不支持WIFI，所以像Iphone這樣的智能手機(jī)不能直接與氣球建立連接。如圖8所示，需要使用者在他們的房子外邊安裝一個(gè)特殊的天線以接受來自氣球的信號和發(fā)送信號，這種使用方法有點(diǎn)類似于衛(wèi)星電視天線。天線的外殼是由紅色的透波材料制成，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去非常醒目漂亮（非常符合谷歌的產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)格）。外殼內(nèi)部是一個(gè)鋁反射板和一對PCB天線，兩個(gè)天線的極化方向水平交叉，能夠保證無論從哪個(gè)方向來的信號都能夠被接收。
地面測試點(diǎn)使用的特殊天線
Loon氣球網(wǎng)絡(luò) 如上圖所示，使用者通過特殊的天線以ISM波段發(fā)送信號到距離他們最近的氣球，氣球發(fā)送信號給相鄰的氣球，最終信號傳送到與地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建立連接的氣球上，隨著氣球的移動，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)會持續(xù)不斷地調(diào)整。信號在氣球之間跳轉(zhuǎn)，形成一個(gè)最少五個(gè)氣球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)氣球可以通過無線電接收機(jī)與48公里以外的氣球連接，就像在mesh網(wǎng)絡(luò)中一樣，這樣可以保證信號的穩(wěn)定性。另一個(gè)無線電收發(fā)機(jī)保證氣球同地面上直徑40公里（這相當(dāng)于2個(gè)紐約市那么大）范圍內(nèi)數(shù)以百計(jì)的天線通信，理論上只要幾千個(gè)氣球就可以覆蓋整個(gè)世界。 Google氣球正是采用了空中Mesh組網(wǎng)，分為兩部分：氣球和氣球間組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，氣球與地面站組成用戶網(wǎng)絡(luò)。Project Loon采用的頻段為ISM非授權(quán)頻段，相當(dāng)于一個(gè)露天大WiFi。不過，即使Google采用了2.4GHz和5.8GHz非授權(quán)頻段，也并不意味著你的手機(jī)可以直接連接到Google氣球，它并不直接支持WiFi，你需要在你家屋頂安裝一根專用天線來接收并解密信號后才能上網(wǎng)，類似于衛(wèi)星通信。
如上圖所示，若位于偏遠(yuǎn)山區(qū)的某村民需要上網(wǎng)時(shí)，他家屋頂?shù)膶Ｓ肎oogle天線就會向最近的Google氣球發(fā)送信號，該氣球通過由多個(gè)氣球組成的Mesh網(wǎng)絡(luò)將信號轉(zhuǎn)發(fā)并連接到陸地上的本地互聯(lián)網(wǎng)，反之亦然。當(dāng)然，這個(gè)由氣球組成的Mesh網(wǎng)絡(luò)會隨著氣球的移動而不斷調(diào)整，且任何一個(gè)氣球都可作為與地面的連接點(diǎn)。
▲地面站 遺憾的是，Google一直保持神秘，并未公布其空中Mesh組網(wǎng)算法。但是，空中Mesh組網(wǎng)同樣不是一個(gè)新鮮的想法。 先說說無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）。早在2004年，IEEE 802.11工作群組為了提供無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，就提出了稱為IEEE 802.11s 延展服務(wù)集網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的無線接入技術(shù)中，主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，例如移動通信系統(tǒng)中的基站、802.11 WLAN中的AP等。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，采用網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以說是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過相鄰的其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以無線多跳方式相連。
Mesh網(wǎng)絡(luò)定義了三種節(jié)點(diǎn)：MPP（Mesh Portal）、MP（Mesh Point）和MAP（Mesh Access Point）。MPP連接外部互聯(lián)網(wǎng)；MP連接鄰居MP，支持自動拓?fù)?、路由的自動發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)等功能；MAP就相當(dāng)于傳統(tǒng)WiFi網(wǎng)絡(luò)的AP。去年，Google發(fā)布的Google WiFi就是一款支持802.11s mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的無線路由器。 如果僅僅是用一個(gè)氣球來做通信中繼也許并不困難，Loon項(xiàng)目的技術(shù)難點(diǎn)就在于如何協(xié)調(diào)控制數(shù)量眾多的氣球同時(shí)在空中飛行，而且氣球覆蓋的區(qū)域恰恰又是那些需要互聯(lián)網(wǎng)的地方。 在平流層，有很多風(fēng)層，每一個(gè)風(fēng)層都有不同的方向和速度。通過控制氣球上升或者下降（使用前面提到的“氣泵”和副氣囊），可以讓其進(jìn)入不同的風(fēng)層，以達(dá)到控制氣球以期望的方向和速度運(yùn)動的目的。通過風(fēng)力推動和太陽能充電，Loon氣球可以使用完全可再生的能源來運(yùn)行。 谷歌使用軟件算法來確定它的氣球需要去的地方,然后將每個(gè)氣球移動到合適的風(fēng)層，以期將氣球吹往正確的方向。通過隨風(fēng)移動,氣球可以組成一個(gè)大的通信網(wǎng)絡(luò)。Loon團(tuán)隊(duì)可以通過任何地方的任何一臺電腦訪問基于互聯(lián)網(wǎng)的控制系統(tǒng)。目前Loon氣球還依靠地面任務(wù)控制中心的專業(yè)人員進(jìn)行人工控制，根據(jù)風(fēng)力的屬性，氣球可以控制在± 5°緯度范圍內(nèi)運(yùn)動。[2]按照谷歌的設(shè)想，最終成熟的Loon網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該完全依賴軟件自動控制。
處于不同風(fēng)層的Loon氣球 谷歌的工程師使用了理想的氣球模型和真實(shí)的風(fēng)力數(shù)據(jù)（來自美國國家海洋與大氣管理局NOAA）創(chuàng)建了一個(gè)仿真軟件，通過復(fù)雜的算法來控制大量的氣球的運(yùn)動，來保持預(yù)定區(qū)域有穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。如圖11所示，淺藍(lán)色區(qū)域表示氣球覆蓋的范圍，深藍(lán)色表示未能覆蓋的范圍。紅色小球代表處于平流層較低高度的氣球，藍(lán)色的小球表示在相對高度較高的氣球，可以通過控制手段使氣球上升或下降以順應(yīng)風(fēng)力達(dá)到保持覆蓋范圍穩(wěn)定的目的。仿真的結(jié)果看起來還不錯(cuò)，絕大部分區(qū)域大部分時(shí)間都是被覆蓋的。[6]
Loon氣球的仿真測試 軟件仿真需要考慮的因素很多，例如能量的約束，緯度的變化，太陽輻照角度的變化等等。即使是谷歌這樣擁有豐富的大數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)的公司，也認(rèn)為僅僅仿真是不夠的，持續(xù)的飛行試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)對他們的技術(shù)改進(jìn)至關(guān)重要。 續(xù)航時(shí)間是超壓氣球的一大優(yōu)勢，在過去的幾年里，谷歌一直在創(chuàng)造著小型超壓氣球新的續(xù)航記錄。2013年剛開始的時(shí)候只有幾天，2014年的Merlin版本就達(dá)到了100天續(xù)航，2015年夜鶯版本達(dá)到破紀(jì)錄的187天，2016年，一只集耐力、敏捷性和動力于一身的高空氣球脫穎而出，谷歌稱之為Bolt（閃電）。在脫離了氣球群的情況下， Bolt展示了一個(gè)獨(dú)一無二的結(jié)合高導(dǎo)航精度、高氣球穩(wěn)定性和十足充沛的耐力于一體的飛行器。
作為一個(gè)真正的全能型選手，Bolt長達(dá)190天的駐空時(shí)間成為了氣球持久力一個(gè)新的項(xiàng)目紀(jì)錄。 在 Bolt長達(dá)六個(gè)月的冒險(xiǎn)旅程中，它在空中航行超過122,000千米并且其最高時(shí)速達(dá)到162千米/小時(shí)。為推動這次馬拉松式的旅行，氣球的太陽能電池板在飛行過程中產(chǎn)生1.72億萬焦耳的能量。如果這個(gè)數(shù)量級的能量在幾秒鐘內(nèi)被釋放而不是幾個(gè)月，那么它將足以引發(fā)閃電。 Bolt的高空旅行從波多黎各開始。從那里起，它漂行了超過19個(gè)不同的國家和三個(gè)大洲，一些時(shí)候飛行高度達(dá)到20,353米——這和你站在65個(gè)堆疊在一起的埃菲爾鐵塔的塔頂看東西具有相同的視角。新的導(dǎo)航算法幫助 Bolt保持航行軌跡，這個(gè)導(dǎo)航算法的目的在于使氣球處在能夠?yàn)槿藗兲峁?shù)據(jù)連接的區(qū)域的時(shí)間最大化。 除了狂風(fēng)， Bolt也經(jīng)歷了極端溫度。一些夜晚中最冷達(dá)到了零下83攝氏度。這和我們的最低溫度紀(jì)錄——零下90攝氏度只差幾度，像南極的冬夜一樣寒冷。 Bolt是 “夜鶯”版本氣球中的一員，它是強(qiáng)度與耐力的結(jié)合體，這樣才能確保它完全有能力承受這些極端狀況。（你可以點(diǎn)擊goo.gl/MtnWEA查看谷歌的氣球設(shè)計(jì)是如何演進(jìn)的，這使氣球群在這些年中變得更加強(qiáng)大起來） 6.1 雙球間動態(tài)通信 氣球之間的通信可以讓LOON項(xiàng)目通過多個(gè)氣球之間的信號傳遞連接偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶，即使這些用戶遠(yuǎn)在千里之外。但是,這絕非易事：氣球之間傳輸數(shù)據(jù)需要的精度相當(dāng)于從20公里的高空搖曳的風(fēng)中指向地面的一個(gè)蘇打水瓶。
圖 5 LOON團(tuán)隊(duì)用來測試氣球間通信距離的兩個(gè)氣球 這個(gè)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了用來驗(yàn)證球與球之間通信的兩個(gè)特殊氣球試驗(yàn)的成果。自2015年6月同時(shí)發(fā)放之后，這對氣球保持著超過100km的距離，而數(shù)據(jù)通信卻從未中斷。這次超長距離通信測試結(jié)果超出了我們在平流層球與球之間通信連接的預(yù)期值。 6.2 球載激光通信 一旦從地面站獲取數(shù)據(jù)到氣球上，你就需要連接多個(gè)氣球組成的數(shù)據(jù)鏈以傳輸信號到它該去的地方。有時(shí)候距離地面站成千上萬公里遠(yuǎn)。所以氣球與氣球之間的鏈接是氣球網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的元素。你不能在氣球之間鋪設(shè)光纖，所以另一種傳輸信號的方法是使用激光。兩個(gè)自由飄飛的平臺在空中翩翩起舞，分別安裝在兩個(gè)平臺上的激光器互相鎖定并傳輸數(shù)據(jù)。
激光通信測試中用來傳輸圖像
氣球飛行中激光器進(jìn)行跟蹤對準(zhǔn) 一切都是如此的精準(zhǔn)，井然有序地提供可靠而又穩(wěn)定的連接。LOON團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在平流層高度距離數(shù)百公里的氣球之間建立了GB/S的連接速率，可以使用LTE將信號下傳給用戶，所以在LOON氣球飛過的地方，你可以使用普通的移動電話就可以體驗(yàn)到LOON氣球提供的上網(wǎng)服務(wù)。
316光通信系統(tǒng)就指的是激光通信吧 7.算法改進(jìn)最開始時(shí)，谷歌團(tuán)隊(duì)利用手工編寫的算法引導(dǎo)氣球，算法會對各種預(yù)設(shè)變量進(jìn)行響應(yīng)，比如高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間。新算法發(fā)揮了機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)勢。通過分析海量數(shù)據(jù)，它們可以不斷學(xué)習(xí)。通過分析過去發(fā)生的事情，算法可以不斷改變自己的“行事方式”。薩爾·坎迪多（SalCandido）是前谷歌工程師，他曾負(fù)責(zé)過氣球項(xiàng)目。薩爾坎表示：“我們在更多的正確位置上擁有了更多的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，這些算法處理事情的效率很高，比任何人都高。” 盡管如此，算法并非總是正確的?？驳隙鄵碛胁┦繉W(xué)位，他學(xué)習(xí)的內(nèi)容和“隨機(jī)最優(yōu)控制”有關(guān)。簡單來講，坎迪多能夠控制物體在不確定表面上運(yùn)行，他的專業(yè)知識有了用武之地。當(dāng)我們將氣球送上天空，不確定因素很多，而且你無力改變。 有了機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助，坎迪多和團(tuán)隊(duì)就可以找到更好的辦法控制氣球。當(dāng)谷歌團(tuán)隊(duì)首次啟動氣球項(xiàng)目時(shí)，他們認(rèn)為如果要將互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)覆蓋到某一區(qū)域，只有發(fā)射大量的氣球，讓它們高高飄浮在空中才能做到?，F(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)可以更好控制氣球，最終，只需要幾個(gè)氣球就可以將信號送到地表?？驳隙嗾f：“我們沒有必要將氣球放在海洋上，專注用戶就行了?！?/span> 機(jī)器學(xué)習(xí)在ProjectLoon項(xiàng)目中發(fā)揮了作用，在整個(gè)谷歌也是一樣的，其它企業(yè)也大力引進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，比如Facebook、微軟和Twitter。這些企業(yè)集體朝著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前進(jìn)，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行原理和人腦神經(jīng)元有些類似。Facebook用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別圖片，谷歌用它挑選搜索鏈接。放在過去，谷歌搜索算法是工程師手工編寫的?，F(xiàn)在算法可以自己學(xué)習(xí)，分析用戶點(diǎn)擊時(shí)生成的大量數(shù)據(jù)，通過分析用戶的行為來學(xué)習(xí)。 谷歌氣球項(xiàng)目并沒有使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它使用了一種比較簡單的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)——Gaussian，盡管有所不同，其原理卻是一樣的。由此可以看出，深度學(xué)習(xí)只是AI革命的一部分，并非全部。在整個(gè)氣球項(xiàng)目執(zhí)行過程中，氣球飛行了170萬公里，谷歌從中收集了大量數(shù)據(jù)，用Gaussian處理之后，導(dǎo)航系統(tǒng)可以預(yù)測氣球的行進(jìn)路線，知道何時(shí)上升，何時(shí)下降，還可以判斷何時(shí)將空氣吸入氣球。 預(yù)測很完美，至少大部分時(shí)間是完美的，畢竟同溫層的氣候太多變?？驳隙啾硎?，同溫層的氣候已經(jīng)算是比較穩(wěn)定的，但是氣球所遇到的不確定因素仍然很多，超過了團(tuán)隊(duì)的預(yù)計(jì)。他們只好增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)，用所謂的“增強(qiáng)學(xué)習(xí)”來強(qiáng)化。做出預(yù)測之后，系統(tǒng)會不斷收集數(shù)據(jù)，比如氣球面對什么樣的狀況，什么管用，什么不管用，然后用數(shù)據(jù)調(diào)整氣球的行進(jìn)。 Google氣球先前的設(shè)計(jì)方案是，將數(shù)百個(gè)氣球升空到平流層，讓它們在平流層漂浮移動繞行地球，這些氣球在平流層組成一個(gè)Mesh（網(wǎng)狀）網(wǎng)絡(luò)，作為陸地終端上網(wǎng)的回傳。
漂浮于平流層的Google氣球組成Mesh網(wǎng)絡(luò)回傳 但是，這一方案所需氣球太多，成本高，且環(huán)游平流層涉及到不同國家領(lǐng)空飛行許可，為Google 氣球大規(guī)模應(yīng)用帶來了障礙。 如今引入機(jī)器學(xué)習(xí)的新移動算法剛好克服了這一障礙。新移動算法可以高效引導(dǎo)Google氣球到指定區(qū)域，幾個(gè)氣球編隊(duì)成一小組，組成一個(gè)小型Mesh網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)指定區(qū)域。
Project Loon實(shí)現(xiàn)控制氣球移動和停留 這樣，Google氣球不必環(huán)繞地球不停移動，既減少了氣球數(shù)量，也能靈活應(yīng)對不同國家的領(lǐng)空飛行許可，即只要獲得某一國家或地區(qū)的許可，Google氣球就能移動到指定區(qū)域提供無線上網(wǎng)。 今年夏天，他們在拉丁美洲的飛行試驗(yàn)中，成功地讓他們的氣球在秘魯上空停留了98天。 LOON氣球是通過在零風(fēng)層上下調(diào)整高度，以進(jìn)入不同方向的風(fēng)層來改變其運(yùn)動方向的。從他們幾百萬公里的飛行測試中，已經(jīng)開發(fā)出復(fù)雜的模型，能夠幫助他們更加精確地預(yù)測不同高度的風(fēng)場。使用這些數(shù)據(jù)，他們的軟件算法可以決定何種高度的風(fēng)層可以使氣球盡可能地待在期望的區(qū)域。 為了測試他們最新開發(fā)的導(dǎo)航技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)大膽的氣球飛行試驗(yàn)，從波多黎各發(fā)放，飛向秘魯，并盡可能地在這個(gè)區(qū)域待更多的時(shí)間。經(jīng)過最初12天的過渡，氣球能夠大部分時(shí)間維持在秘魯?shù)腃himbote市上空，高度為平流層的20公里，每天需要進(jìn)行十幾次高度調(diào)整操作以找到合適的風(fēng)向使氣球維持在這個(gè)區(qū)域。當(dāng)風(fēng)場模型不能使氣球維持在目標(biāo)區(qū)域上空時(shí)，他們的算法會選擇另一個(gè)最佳選項(xiàng)，讓氣球飄到太平洋上空找到偏東的風(fēng)層，可以幫助氣球飄回他們期望的區(qū)域。最后，氣球成功地在秘魯上空停留了14周，在整個(gè)飛行過程中進(jìn)行了大約20000次獨(dú)立的高度調(diào)整的操作。
LOON氣球就是通過里面的副氣囊來調(diào)節(jié)高度 在完成上述工作之后，他們的氣球理所當(dāng)然有點(diǎn)累了。于是，他們選擇了秘魯南部的偏遠(yuǎn)平原區(qū)域作為著陸點(diǎn)，在通知了當(dāng)?shù)乜展懿块T之后進(jìn)行了一個(gè)可控的降落，他們的當(dāng)?shù)鼗厥蘸献骰锇橛拥竭@只氣球返回地球！未來依然有很多測試工作要做，但是他們對LOON氣球計(jì)劃充滿信心，一定會有越來越多的氣球會在期望的區(qū)域來完成平流層之旅，為地面上的人們提供網(wǎng)絡(luò)接入的！ 2013年，Loon的30只測試氣球出現(xiàn)在了新西蘭的上空。從那以后，Google便一發(fā)不可收拾，開始陸續(xù)在澳大利亞、巴西、斯里蘭卡以及印度尼西亞尋找對聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目感興趣的合作伙伴，興致勃勃地為當(dāng)?shù)仄h(yuǎn)山區(qū)的人們鋪設(shè)氣球驅(qū)動型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 然而，除了一份被官方打上“加速運(yùn)行” 標(biāo)簽的時(shí)間表，Loon至今還沒有將互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供給任何世界上需要它的人群。 2015年10月，Loon的一項(xiàng)新合作原本被期望會迎來真正的用戶群，但也是從那個(gè)時(shí)候開始，關(guān)于X實(shí)驗(yàn)室的一系列動蕩接踵而至：其他項(xiàng)目的高管陸續(xù)離職，實(shí)施裁員計(jì)劃，另一姐妹工程——太陽能無人機(jī)被迫關(guān)閉……原因很簡單，太費(fèi)錢了，Other Bets每年虧損的幾十億讓Alphabet與它背后的投資者開始變得不耐煩。在這一期間，雖然GoogleLoon的負(fù)面新聞較少，但在大部分時(shí)間里，它選擇了“沉默”。 在一次技術(shù)發(fā)布會上，當(dāng)被問到氣球們將在何時(shí)何地開啟它們的正式服務(wù)計(jì)劃時(shí)，X實(shí)驗(yàn)室雖然仍舊沒有對具體細(xì)節(jié)透露一個(gè)字，但Teller的話卻顯然留有余地：“事實(shí)上，我們已經(jīng)在南美洲進(jìn)行了大量測試，比如在秘魯，氣球就在其某個(gè)城市的上空滯留了98 天之久。在接下來的幾個(gè)月里，我們可能會在某個(gè)地區(qū)找到電信合作伙伴，為真正的用戶提供測試服務(wù)。”接下來的幾個(gè)月，我們是否能相信，GoogleLoon會為發(fā)展中國家?guī)硪恍┎灰粯拥臇|西？這不由讓人想起1個(gè)月前，Tellor在接受期刊雜志IEEE Spectrum的專訪時(shí)曾發(fā)表過一個(gè)獨(dú)特的見解： “我們在開始做一件項(xiàng)目時(shí)，首先要想的不是‘你要解決的最大問題是什么’，而是‘這個(gè)項(xiàng)目不能成功的最大原因是什么’。”顯然，Google支持Loon這個(gè)項(xiàng)目繼續(xù)存在下去，而“是否能大幅降低氣球成本”也讓人有了期待。但是，還有另外一個(gè)重要的問題我們不能忘記：放飛氣球是否能比在偏遠(yuǎn)地區(qū)鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施更便宜（或者便宜非常多）？目前不得而知。既然Google是要跟當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)路供應(yīng)商合作，而這些運(yùn)營商們?nèi)绻嵅涣隋X，是不可能在沒有大量潛在上網(wǎng)用戶的地區(qū)設(shè)置電纜的，同樣道理，運(yùn)營商會在這些地區(qū)使用氣球來提供服務(wù)嗎？而這，也是全球太多地區(qū)依舊處于離線狀態(tài)的一個(gè)重要原因。但GoogleLoon是否能克服這個(gè)難題，支持者們只能在一旁，默默地關(guān)注著它的每一次動向。 參考文獻(xiàn) [1]Wikipedia.Project-loon[EB/OL].2014-5-14.http://en./wiki/Project_Loon. [2] Doo won Kim.A Survey of Balloon Networking Applications andTechnologies[EB/OL].2013-12- 20[2014-5-20].www.cse.wustl.edu/~jain/cse570-13/ftp/BalloonN/index.html. [3] PrincetonUniversity. Flying Hope: Balloon Bring Internet 1.https://pucase./files/2013/10/Case-Description.pdf. [4] RavenAerostar. Raven Aerostar's High Altitude Expertise Supports Google's [EB/OL].2014-5-1.http:///about/project-loon-raven-aerostar- [5]Google. Balloon-powered Internet forEveryone[EB/OL].2014-5- [6] Google. KeepUp-to-date on Project Loon’s progress. [EB/OL].2014-4- 20.https://plus.google.com/+ProjectLoon. [7]祝榕辰,王生.超壓氣球研究與發(fā)展現(xiàn)狀[C]//第二十四屆全國空間探測學(xué)術(shù)交流 會,2011:3-4. [9] 黃宛寧,祝榕辰,張強(qiáng)輝. Project Loon——谷歌的高空氣球網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃[J]浮空器研 究,2014(4):11-13. |
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