詳解Google熱氣球網路計畫:如何在32000公尺高空實現5000平方公里地面通信

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上個月,波多黎各遭受颶風艾爾瑪的襲擊,其基礎設施包括通訊、電力等系統都遭到嚴重的損毀,兩週多過去了,當地的通信基地台仍然沒有修復,但最終,這個問題卻被 Google 的熱氣球解決了...

詳解Google熱氣球網路計畫:如何在32000公尺高空實現5000平方公里地面通信

這個熱氣球來頭可不小,它隸屬於 Google X 實驗室的 Project Loon,Google 的初衷是希望利用熱氣球為農村、偏遠和不發達地區提供廉價的網路接入服務。

那麼從實驗室到實際應用,這個熱氣球計畫又是如何一步步走向成功的呢?

 

Project Loon的前世今生

還得先從一家默默無聞的小公司說起,Space Data 是一家能夠在空中20英里(32公里)高度上發送攜帶小型基地台氣球技術的公司。

2008年的時候,Google 曾經考慮是和 Space Data 進行合作還是直接收購他們,但最終 Google 沒有與之合作亦沒有收購它,不過卻因此有了 Project Loon 計畫的萌芽。

2011年,Google X 實驗室傳出孵化該計畫的消息,2013年6月14日,Google 才正式宣佈成立該研究計畫。

對此,Google X 實驗室 CTO 理查德‧德沃爾表示:「我們不想讓氣球隨風飄動,我們要的是讓氣球可以在我們的控制下飛到任何需要的地方。」

最初,在剛宣佈之時,大家都戲稱該計畫太瘋狂,而 Google 對此的態度則是一副「別人笑我太瘋癲,我笑他人看不穿」的我行我素。

隨後幾年,Google X 實驗室(重組後更名為X實驗室)不斷在紐西蘭、巴西、印尼等多地的海島和偏遠地區進行試驗,並試圖與當地政府開展合作,為環境惡劣的地帶帶去通信網路。

與大家的設想不同,這一看似「天方夜譚」的計畫一直以穩定的節奏在進步和落實。

不過一項研究的成功,最核心的要素還是技術。

 

如何實現Google熱氣球上網呢?

最新的官方數據顯示,目前X實驗室可以實現每30分鐘自動發射氣球的頻率,氣球的飛行高度可超過1.9萬千米,其中每個氣球在空中的飛行時間是190天,其通信覆蓋面積是5000平方公里,且氣球之間的數據傳輸距離可以超過100km,傳輸速度達到10Mbps,並且支持4G通信。

Google 氣球分為兩部分:氣球和氣球間組成 Mesh 網絡,氣球與地面基地台組成用戶網路。Project Loon 採用的頻段為 ISM 非授權頻段,相當於一個露天大 WiFi。

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但即使 Google 採用了2.4GHz 和5.8GHz 非授權頻段,也並不意味著你的手機可以直接連接到 Google 氣球,它並不直接支援 WiFi,你需要在你家屋頂安裝一根專用天線來接收並解密信號後才能上網,類似於衛星通信。

 

Google使出渾身解數解決三大技術難題

類似於地面上的物聯網,每一個氣球是通信網中的一個節點,但是在高空中達到以上的標準和性能絕非易事。

首先,將氣球送到平均風速為100km/h的高空平流層裡,最先面對的就是挑選製作氣球材料。因為需要升入高空,所選的製作材料必須輕盈且耐壓;此外,在平流層高度,環境溫度將會達到零下90攝氏度,這就要求設備至少要有軍工級別的抗寒能力。

其次,氣球需要在空中停留將近兩百天,顯然沒有任何電池可以持續供電200天,所以每一個氣球內的供電裝置需要充分利用風能和太陽能,且其儲能設備和供電設備要能夠形成良好的互補。

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隨之而來的是,當所有氣球被發射到高空中,怎樣確保多個氣球之間形成穩定的區域網,而不受風的影響?甚至更進一步,怎樣按照德沃爾的想法,以設定好的軌跡移動呢?

這裡研究團隊充分利用氣流流動,並搭配方向判斷的演算法模型來實現控制。Google 正在利用機器學習,讓氣球根據高度、位置、風速、時間等變量來對平流層的狀況進行預定的反應,以實現對氣球運動方向的調控,但是現實中會有很多突發狀況,所以研究團隊仍然在不斷改進。

另外如何實現對氣球的發射和回收也是問題,X實驗室為此設計了自動發射台,確保了設計上可以達到較高的發射效率,來保證過程的便利;而回收過程,他們則利用 GPS 定位,實現對氣球下落位置的精準定位,並遠程控制氣球氣體的自動釋放,讓其回落到受控下降的地面。

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值得一提的是,據X實驗室的發言人所言,最為麻煩的事情是在緊急應用過程中的通信技術接入問題。

從給出的結果來看,Project Loon 雖然稱不上完善,但已足夠出色。不過,雖有技術做保證,其實 Google 在應用過程中依然是各方面碰壁。

 

技術之外,政府不配合,頻頻碰壁

在2013年計畫正式成立後兩日,Google 就開始在紐西蘭進行試點實驗,與南島的特卡波地區的民航局協調啟動了30個氣球,於是基督城坎特伯雷及周圍地區約有50名本地用戶使用特殊天線測試與空中網絡的連接。

在初次實驗成功之後,Google 表示,他們計畫發送300顆氣球,向紐西蘭、澳洲、智利和阿根廷提供,谷歌希望最終能夠在平流層中飛行數千隻氣球。

後來,因政府提供的數據品質下降和政策因素等多方面限制,此事便不了了之,但 Google 並沒有放棄。

2015年7月28日,Google 與斯里蘭卡資訊通信技術局(ICTA)的官員簽署了大規模推出技術協議,並希望一年後可以實現大規模覆蓋。但在今年1月,當地的一名部長稱 Project Loon 違反相關法律而無法繼續推進。

實施過程中,條約法律的限制導致該計畫的頻頻碰壁成為常態,究其本質,政府對該計畫的通信和資訊安全的顧慮成為推進的巨大阻力。

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之前,在5月份的秘魯水災中,Google 成功的在秘魯部署,不過這次波多黎各救災 Google 沒有事先與當地的通訊公司進行信號對接,對此,X實驗室的發言人表示:「我們能夠快速連接秘魯災區,因為我們已經在與國際電信公司 Telefonica 緊密合作進行了一些測試,在波多黎各這種情況下,事情有點複雜,因為我們的一切部署都必須從頭開始。」

所以這一次災區的需求成為該計畫得以大展身手的絕佳機會,但之前 Google 為計畫所做的努力絕不僅是一種實戰經驗的積累,更是一種鋪墊。

 

波多黎各災區成功的部署,也是一次成功的廣告秀

一方面,波多黎各災區的救援讓 Project Loon 聲名大噪,另一方面,Google 的加入也將波多黎各推上了科技網站的頭條。

幾乎同一時間,同樣是針對波多黎各的災情,Facebook 的 CEO 祖克柏通過 Facebook 的 VR 產品 Spaces,拍攝了波多黎各救災活動的360度全景影片。在影片中,祖克柏利用 VR 卡通形象對波多黎各救災行動進行解說,而影片公開後,收到的卻是大家的廣泛抨擊。

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Google 和 Facebook 的表現,從旁觀者來看,其實都是藉機為自己的產品打廣告,Facebook 的打廣告方式在實施過程實在是有欠火候,而 Google 選擇的方式卻恰到好處。

對於科技公司來說,從戰略上考慮,災區重建是一次重大部署的機遇,因此不止 Google 和 Facebook,甚至馬斯克和美國各大科技公司都表示希望能夠盡自己的綿薄之力幫助災區。

Google 透過一次應急措施來取得政府和公眾的信任,未來,相信 Preject Loon 計畫頻頻碰壁的狀況將會有大的扭轉。

總結

2015年的重大重組之際,Google 創始人佩奇就曾表示過,Google 是一家有野心的公司。所以我們可以大膽猜測,這僅僅是一個開始,在取得大家信任之後,Google 的最終目標是能夠在全球所有通信網路無法覆蓋的地方佈滿該氣球,真正實現自己想要的部署,獲取相關的數據資源,實現 Google 的全球佈局。

備註:2015年,Google 結構重整後更名為 Alphabet,Google X 實驗室也併入 Alphabet 的業務,為方便閱讀,全文採用 Google 來代替原先的 Google 和現在的 Alphabet。

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