平流層通信新思路
——谷歌氣球計劃*

李春霖,羅蓉媛,陳彤曦(中國電子科技集團公司第七研究所,廣東省,廣州市510310)

平流層通信新思路
——谷歌氣球計劃*

李春霖,羅蓉媛,陳彤曦
(中國電子科技集團公司第七研究所,廣東省,廣州市510310)

平流層通信具有低延遲、信道衰落小、造價低廉、機動靈活等特點,在軍事應用和應急通信領域都有重要的戰略價值,也曾經引起各國的重視,并成為研究熱點。然而平流層通信平臺的穩定性對各國研究者而言一直是一個挑戰,谷歌公司從鳥群飛行中得到啟發,開啟了Google Loon項目,其目的是為全球偏遠地區2/3人口提供速度較快、價格可承受的互聯網接入服務,同時為自然災害發生地區提供通信服務。文中分析了谷歌氣球的技術細節,谷歌氣球初次試驗的情況,以及谷歌氣球面臨的挑戰。谷歌氣球計劃為平流層通信提供了又一新思路。

平流層通信 谷歌氣球 Google Loon

0 引 言

平流層通信是指在離地表17公里至22公里的高度,利用飛機、氣球、飛艇等作為駐空平臺。將通信設備放置于駐空平臺,并配合各種地面終端或空中其它通信設備,形成空天地一體化綜合移動信息通信系統。

平流層通信具有自己得天獨厚的優勢。與衛星通信系統相比,平流層通信系統的高度是地球同步衛星的1/1800,是中軌衛星的1/400,是低軌衛星的1/40。因此自由空間衰減比同步衛星減少65 dB,比中軌衛星減少52 dB,比低軌衛星減少32 dB。平流層通信系統的延遲時間只有0.5 ms,有利于通信終端的小型化、寬帶化和雙工數據流的對稱傳輸和互操作,實現對稱雙工的無線接入。

與地面電臺相比,平流層通信距離遠,覆蓋面積大。高度為20 km平流層平臺通信距離可達1 000 km,比地面電臺約大10倍,可實現超視距通信。而且平流層通信平臺的信道衰落小,發射功率可顯著減少。

平流層通信系統的造價低廉,位置機動靈活,可用于各種復雜地形的山區通信,是很有發展前景的一種通信手段。

平流層通信系統在軍事應用和應急通信領域都有重要的戰略價值,也曾經引起各國的重視,并成為研究熱點。例如美國的高空飛艇(High Altitude Airship,HAA)項目,日本的無人太陽能平流層(SPF)飛艇等。然而平流層通信平臺的穩定性和滯空時間對各國研究者而言一直是一個挑戰。由于平流層通信平臺受風向變化的影響,如果想讓其固定在某個位置,就必須通過外加動力來對抗風力,但這幾乎很難實現。美國洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)曾嘗試過利用太陽能飛艇實現這一設想,但在2011年的第一次測試中,該公司負責研發的“高空長耐久力示范機”(High Altitude Long Endurance-Demonstrator)原型未能通過測試,最終被迫降落在賓夕法尼亞的一處叢林里。洛克希德·馬丁公司此后就再也沒有進行過類似測試。

谷歌公司的德瓦奧從鳥群飛行中得到啟發,充分發揮自己的想象力,最終找到了解決辦法。他放棄使用需要外加動力抵抗風力的巨型氣球,而采用體積小,價格低的特制氣球。這種氣球能夠環繞地球飛行,并且最多能夠在高空停留100天。德瓦奧設想放飛大量的氣球,這樣可以足夠覆蓋整個地區。于是,Google Loon項目誕生了。Google Loon項目的目的是為目前全球偏遠地區2/3人口提供速度較快、價格可承受的互聯網接入服務,同時為自然災害發生地區提供通信服務[1]。

1 Google Loon項目介紹

1.1 谷歌氣球簡介

Google Loon項目中所用的氣球(以下簡稱谷歌氣球)直徑約為15米,整個裝置高約12米,使用聚乙烯塑料制成,加上特殊涂層,防止氦氣泄露。谷歌氣球需要攜帶重達10公斤的儀器、電池、太陽能板等。每個氣球都安裝了信號收發設備,從而與附近其他氣球和區域性地面基站通信,此外還可以向谷歌特別設計的天線發送信號。

圖1 谷歌氣球Fig.1 Google balloon

1.2 谷歌氣球通信計劃的原理

谷歌的設想是利用大量的氣球,在距離地面20公里高度的平流層中從東到西均勻分布。熱氣球上攜帶著無線網絡信號的收發器,信號覆蓋的面積可以達到兩個紐約城那么大,為地面提供互聯網接入服務,這些氣球被很多人看作為高度很低的簡易衛星。

谷歌工程師利用目前公開獲取的大氣數據,通過氣泵控制氣球上升或者下降到不同的高度,讓氣球“捕捉”到不同高度的氣流,從而進行精確的移動和定位。因此,盡管某幾個谷歌氣球將會在氣流作用下移動,但是通過總體數量的位置調整,谷歌仍可以保證在某一地區上空的氣球能夠均勻分布,為地面用戶提供不間斷上網服務。當然普通手機和筆記本電腦沒辦法把信號發送到2萬米那么遠,要想使用熱氣球來上網,需要在自己家中安裝一個專門的天線來收發無線信號[2](如圖2)。

圖2 接收信號的天線Fig.2 Antenna for receiving signal

1.3 谷歌氣球位置調節

谷歌氣球是可以主動調節高度和位置的。調節位置的方法也非常巧妙,利用了平流層不同高度風向不同這一特點來調整氣球的位置。谷歌氣球采用雙氣囊設計(一個填充氦氣,一個填充空氣),并配備了閥門控制系統,使其能夠利用極少的能量通過充放氣來調整氣球的高度(非常節省能量),從而能借助風力到達指定的位置。美國國家海洋氣象管理局NOAA的HYSPLIT項目網站預測了洛杉磯在某個時刻平流層中顆粒物運動曲線的例子,確實驗證了這一點。對比后面兩幅圖,左圖在15 000米高度的時候,風會向西吹向大陸;而右圖20 000米高度的時候,風會向東吹向海洋。顯而易見,要實現可靠的位置調節就要對高空風向有精確的預測,并且有一套完整的錯誤修正機制及其背后的計算和控制算法。

圖3 15000米高度的時候,風向西吹向大陸Fig.3When the height is 15 000 meters,the wind blows tomainland from west

圖4 20 000米高度的時候,風向東吹向海洋Fig.4 When the height is 20000 meters,the wind blows to ocean from east

此外,這些氣球各自都會觀察自己的鄰居,然后調整自己(如上升或下降的速度和高度)以保持良好的隊形。Google Loon項目團隊成員‘Dan'展示了一個仿真程序,演示了氣球是如何根據周圍環境進行反應并集體行動來確保不會出現覆蓋盲區。

1.4 谷歌氣球的維護與回收

谷歌氣球和下面的儀器設備是要最終回收的,地面可以遠程控制谷歌氣球到指定地點降落進行維護,比如充氣、檢修電子設備、更換電池和修補破損等?？苫厥兆尮雀铓馇虻南到y運營成本大大降低。

谷歌表示,每只氣球都裝備了GPS定位系統與降落傘,以便可以受控著陸。谷歌對氣球降落點有專門的計劃:當谷歌氣球的壽命終結或需要維修時,控制人員就會分析天氣情況,并與空中交通管理員溝通,確定安全的著陸地,然后安排氣球有序地下降。谷歌還表示,氣球和搭載的設備可以多次使用并循環利用。

谷歌氣球上安裝了許多傳感器,用來探測溫度和感知壓力等環境因素,這使谷歌在試驗過程中積累了大量的有用數據,據谷歌透漏目前版本可以傳輸189種數據。

圖5 谷歌氣球升空Fig.5 Launch of Google ballon

1.5 谷歌氣球的軟件系統

在測試氣球的過程中,谷歌工程師還開發了一套控制軟件,第一代版本被命名為Vulcan。最后“任務控制(Mission Control)”的全能操作系統取代了Vulcan。

谷歌工程師卡西迪表示:“任務控制”系統是一套網絡系統,谷歌氣球團隊成員可以通過任何個人電腦或平板電腦與該系統相連。與此前的Vulcan軟件相比,“任務控制”系統的優點是:

1)能夠分析美國國家海洋和大氣管理局NOAA的數據(包括當前狀態數據與歷史記錄數據);

2)可以利用Google強大的計算資源來規劃氣球飛行的理想路線;

3)能夠將氣球引導至正確的高度,并追蹤它們的具體方位和網絡系統;

4)在地圖上標注每個氣球的狀態和位置;

5)向當地空中交通管理員發出信息,告知他們屏幕上閃爍的信號并不存在危害等[4]。

1.6 谷歌氣球的通信系統

谷歌氣球使用的是2.4和5.8GHz頻段,屬于不需要執照的ISM頻段,而且會使用低功率以防止干擾。氣球上有三個通訊模塊。第一個負責氣球與氣球之間的通信,相互交換信息,構成一個網狀網絡,提高信號的可靠性;第二個是氣球和地面之間的通訊模塊,用于氣球與地面的網絡基站通信,用戶通過在家中安裝由谷歌設計的專用天線來接收氣球發送的互聯網信號,網絡速度接近3G速度。最后一個是備用的通訊模塊,可在其它兩個模塊損壞或者氣球超過其通訊范圍時使用。

另外谷歌氣球也攜帶了氣象設備和GPS定位設備,因此谷歌可以跟蹤每個氣球所在位置。

圖6 谷歌氣球無線連接圖Fig.6 Google Loon wireless connection diagram

2 谷歌氣球初步試驗

2013年5月,谷歌氣球在新西蘭開展了試點。第一批升空的30個氣球將從新西蘭西部飛向東部, 50名新西蘭居民參與了這一實驗,他們在家中安裝了谷歌特制接收器接收信號。試驗最終取得了成功,新西蘭小鎮上的一個農夫尼莫通過谷歌氣球接入了互聯網查詢天氣預報,然后決定是否該給綿羊剪毛。盡管谷歌氣球僅在尼莫家上空停留了15分鐘,但他還是非常興奮:“谷歌氣球網絡接入的速度和質量,比我使用的銅線撥號網絡要好得多?！绷硪晃晦r戶的女主人成功地通過互聯網登錄了一家新西蘭的電子商務網站,瀏覽圖片非常流暢,上網速度達到了200 k/s。未來,谷歌氣球還有可能在與新西蘭緯度差不多的智利、阿根廷、南非和澳大利亞等國家開展試點[3]。

圖7 谷歌在新西蘭放飛氣球Fig.7 Launch of Google Loon in New Zealand

3 谷歌氣球面臨的挑戰

谷歌的這個設想看起來很酷,事實上實施起來并沒有想象中那么容易,還會遇到一系列難題。

谷歌的熱氣球計劃最大的技術難題是,要對各種復雜的數據進行計算,像天氣預報、氣球飛行的方向和速度、不同氣球之間的位置和距離等,不能讓氣球“隨波逐流”。不過,這也正是谷歌一向最擅長的,氣球上的計算機通過搜索引擎把有用信息從海量數據中智能提取出來,很多熱氣球在飄蕩時可以智能調整自己的位置。看似完全不同的發明背后,有谷歌工程師們開發的相似的計算機算法。還有,氣球使用的強度材料、大小、內置氣體、供電設置以及當氣球結束了任期以后的處置,這都是谷歌需要考慮的問題。

除了技術因素外,谷歌氣球計劃更大的困難可能來源于非技術方面。目前世界很多國家提供互聯網連接的電信運營商都屬于政府擁有或者大財團擁有,谷歌作為外來者想從這些國家的電信業務中分一杯羹會遇到很多阻力。而且反對谷歌氣球進入的合理理由有很多,政府為了保護國內電信運營商的利益,可以說熱氣球違反了“高空飛行物品管理條例”,或者違反了“無線電信號條例”,又或者指責谷歌不符合“信息安全法”,可以作為間諜設備,竊取國內大量的通信信息,這些都足以將谷歌的發明拒之門外。就算在美國國內,氣球一類的飛行器沒有經過政府許可也是無法升空的。

4 結束語

平流層通信具有廣闊的應用前景和重要的戰略價值,擁有衛星和地面基站不可比擬的優勢。然而為了對抗高空強勁的氣流,早期研究者們總是想法增強高空通信平臺的動力系統,依靠外加動力抵御強大的氣流,從而保持通信平臺的相對穩定。然而谷歌卻獨辟蹊徑,通過改變氣球的高度,利用平流層不同高度產生的相反氣流來維持氣球的位置,并且通過多個氣球的均勻分布來實現一定區域的信號覆蓋。盡管谷歌氣球仍處于開發研究階段,目前還存在一些技術挑戰和某些非技術問題,但是谷歌氣球的新思路值得我們研究和借鑒。

[1] 卜娜.谷歌放飛“潛鳥”[N].中國計算機報,2013年6月24日(第008版)[2014年4月15日].中國知網. Bo Na,Google Launch the Loon[N].China Computer News,June 24,2013(No.008)[April 15,2014], CNKI.

[2] Google Company.Project Loon,Loon for All[EB/OL]. United States:Google Loon Official Website,2014/10/12 [2014/5/10].www.google.com/loon

[3] 劉佳.谷歌氣球“網”羅天下[N].第一財經日報,2013年6月17日(第A01版)[2014年4月20日].中國知網. LIU Jia,Google Loon Provides Internet[N].First Financial Daily,June 17,2013(No.A01)[April 20, 2014],CNKI.

[4] STEVEN LEVY.The Untold Story of Google's Quest to Bring the Internet Everywhere—By Balloon[EB/OL]. United States:Wire,2013-08-13[2014-5-12]http:// www.wired.com/2013/08/googlex-project-loon/all/

LIChun-lin(1986-),male,B.Sci.,engineer,majoring in research ofmilitary communications intelligence;

羅蓉媛(1966—),女,碩士,高工,主要研究方向:軍事通信情報研究;

LUO Rong-yuan(1966-),female,M.Sci.,senior engineer,mainly engaged in research ofmilitary communications intelligence;

陳彤曦(1988—),男,碩士,工程師,主要研究方向:軍事通信情報研究。

CHEN Tong-xi(1988-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in research ofmilitary communications intelligence.

New Idea for Stratospheric Communications——Google Loon

LEE Chun-lin,LUO Rong-yuan,CHEN Tong-xi
(NO.7 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Guangzhou Guangdong 510310,China)

Stratospheric communication enjoys important strategic value in military applications and emergency communications with low delay,small channel fading,low cost and flexible features,thus attracts much attention from various states and becomes a hot research topic.However,the stability of stratospheric communications platform is always a challenge toworldwide researchers.Google Company draws inspiration from the way that birds flock together and starts up the Google Loon project.Google aims at providing fast, affordable internet access services for two-thirds of theworld's population in remote areas,andmeanwhile offers communication services to the natural disaster-stricken area.This paper analyzes the technical details of Google Loon from various aspects,the first balloon test,aswell as the challenges faced by Google Loon.Google Loon project provides another new idea for stratospheric communication.

stratospheric communications;Google balloon;Google Loon

date：2014-09-01;Revised date：2014-12-12

文獻標志碼：A 文章編號：1002-0802(2015)02-0125-05

李春霖(1986—),男,學士,工程師,主要研究方向:軍事通信情報研究;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.002

2014-09-01;

2014-12-12