GoogleLoon高空超压气球网络技术探究论文
GoogleLoon高空超压气球网络技术探究论文
尽管互联网已经广泛普及并融入了人们的生活，由于地形复杂等因素，世界上仍有三分之二的人无法使用互联网服务。有鉴于此，Google公司于2013年6月正式对外公布了高空气球网络计划，旨在使用大量的高空超压气球作为网络通信中继平台，为全球范围内没有接入互联网服务的农村或偏远地区提供一种全新的廉价互联网接入服务。经过2014 年的飞行测试和2015 年的技术改进，Loon项目已经取得了巨大进展。目前，Loon 团队已经基本解决了超压气球氦气泄露的问题，大幅提高了气球的续航时间，最长留空时间已达到187天，平均的留空时间也已接近100 天。单个气球飞行最长距离达到了113000km。此外，Loon团队还攻克了气球轨迹控制、高度控制、充气及放飞技术等关键技术，技术愈发成熟。目前，已经在斯里兰卡等地区进行了网络覆盖推广，正在加快其商业化推广脚步 。
本文着重介绍Loon 网络原理，重点分析高空超压气球中继平台的组成以及关键技术攻关情况，介绍项目试验进展及商业推广情况。
1 Google气球网络原理
GoogleLoon气球网络工作原理图如图1 所示。Google公司将携带了无线网络信号收发器的气球发射到距离地面约20km 的高度，这些高空气球便可以跟地面的基站进行网络数据的传输。超压气球之间也可以相互通讯，将互联网连接发送到各个气球上。这些气球通过地面接收装置与地面交换数据，从而实现地面用户的网络连接。
Loon气球上电子设备将实现对Loon 气球的控制、定位以及气球之间的通信、气球与地面的通信等。地面用户则通过特殊的网络天线接入Loon气球提供的互联网服务。
在放飞气球的同时，Loon 项目将在地面上建立一个基站网络，基站与基站之间的距离约为100km，可以通过基站将信号发射到空中的气球上。
2 气球网络关键技术分析
2.1 气球轨迹控制技术
基于大量的风流信息以及复杂算法，Loon 团队实现了在复杂的平流层环境下气球的轨迹控制。美国国家海洋和大气局为其提供了大规模的气象数据。团队已在气球操纵的问题上取得了重大改进。通过数以千次的轨道模拟计算，现在已经非常接近于预定目标。在里程长达9000km 的飞行旅途中，气球抵达地点与目标目的地之间的距离误差已可控制在1.5km 以内，而这一点纯粹是通过预测平流层风向并以此为据进行气球导航实现的。
2.2 气球高度控制技术
除了通过气泵向副气囊充入或排出空气实现高度变化以外，Loon 气球还可以通过以下三种方式实现自身飞行高度的变化：
(1)通过太阳能动力系统不断在封膜和储藏室中转移气体，通过排出或充入空气改变气球的浮力，实现高空超压气球高度的变化。
(2)气球中的燃料电池可以通过化学反应产生氢气传递到封膜中进而增加气球的浮力。当这些氢气再返回到燃料电池箱中和氧气反应生成水时，气球的高度又随之下降了。
(3)通过在球体表明涂上黑白两种不同材料，当气球需要升高时就把黑色的一面朝向太阳，气球中的气体吸热膨胀，浮力增加，实现高度的上升;反之，则把白色一面朝向太阳，气球中的气体降温，减小浮力以实现高度的下降。
对于以上三种控制途径，第二种实现难度过大，也许只是Loon 团队的一种设想。第三种途径如何实现气球朝向的变化是难点。
2.3 气球充气及发射技术
Google公司表示，他们已经开发了新的气球充气装置。现在，只需5分钟时间便可做好一个气球的升空准备工作。
此外，Google开发出了自动发射器(又称“鸟屋”)，如图3所示。鸟屋是一个金属框架，四周用帆布遮住，这样就可以挡住外界的风，从而让气球保持空中姿态，避免了以前气球起飞时天线发生漂移的情况。在风速小于大约24km/h(相当于4 级风力)的情况下，地面只需4个人即可在15分钟之内将气球送上天;而以往发射耗时则需要45分钟，而且风力不能够大于9.6km/h(相当于2级风力)。对于要覆盖一个信号盲区往往需要投放数百个超压气球的Google公司来说，这种装置极大提高了发射的效率和可靠性。
2.4 网络信号中继形式
此前为了能有效提供互联网信号，Google公司的高空气球需要与远至80km 以外的运营商合作伙伴(如沃达丰、西班牙电信等)的地面站进行直接连接来提供互联网信号中继，要设立大量的地面站，效率低且价格高昂。利用气球本身来进行中继，一旦某个气球从附近的地面站获得信号后，再从空中把信号中继给附近的气球，这样附近的气球就不再从地面站寻找中继了。通过这种办法，一个地面站的漫游距离可以达到400800km，覆盖整个西非地区只需要8个地面站。
但是这种办法的技术挑战也非常大，因为平流层上面的气球在水平风的作用下会移动，通讯中继位置便发生移动，要想找出另一个气球的某个时间的位置和高度需要非常精确复杂的计算。此外，平流层的环境条件也非常恶劣，最低温度可以达到零下50°，这种情况下传统的金属平衡环和电机都会发生故障或者失灵。
3 高空超压气球组成研究
Loon高空超压气球从上到下依次为：降落伞、球体、气泵、太阳能电池板和吊舱。高空超压气球各个组成部分指标及功能描述如下：
3.1 降落伞
降落伞安装在气球的顶部。当Loon气球完成了飞行任务需要降落的时候，地面操控人员通过排出氦气的方式减小气球浮力。若气球下降速度过快，降落伞包便会自动打开，将下降速度控制在可控范围之内，以便气球能够完好回收。
3.2 球体
球体分为主气囊和副气囊。为了达到预期飞行时间超过100天的目的，它采用的是超压型气球设计，气球球体采用了南瓜型外形设计。气球直径约为15m，高约12m，主气囊内部充着浮升气体(氦气)。所使用的气球囊体采用材料强度非常高的聚乙烯材料，厚度约为0.076mm，气球的超压量可以达到800Pa，根据最新公布的实验室测试数据，气球的极限超压量已经突破了1200Pa。副气囊内充有空气，通过气泵排出或充入空气，实现Loon气球高度的调节。
3.3 气泵
Loon气球的底部安装了高度调节装置———气泵。气泵向副气囊充入空气或者排出空气来改变气球的浮力，从而实现气球高度的下降或升高。这种浮力调节方式，可以实现气球1.7km 范围的高度调节。
3.4 太阳能电池
气球上任务设备所有能量来源均为太阳能电池。每个气球上有两块1.5m×1.5m 的电池板相对放置，便于吸收各个方向的太阳光，即使气球在高空中改变朝向，也不会中断供电。太阳能电池板采用的是轻质高效的薄膜单晶硅材质，光照充足时可提供100W 的功率。在光照充足时，仅需4个小时就可以完成吊舱内锂电池的充电过程。白天光照充足时太阳能电池不仅可以满足球上设备能量需求，还可以将剩余能量储存在吊舱内的锂电池中，以供夜间或光照不足时球上设备使用。这样就可以保证气球能在20km 高度持续工作很多天而不需要地面给予额外的能量。
3.5 吊舱
Loon气球的主要电子设备以及任务载荷设备都安装在气球最底端的吊舱内。吊舱尺寸约为30cm×25cm×60cm，吊舱总重约为10kg。吊舱内主要设备有：通讯设备、温控系统、GPS 接收机、锂电池、测控设备、雷达角反射器、二次雷达应答机以及主控电路。
4 Loon气球试验及推广历程
4.1 试验历程
2013年6 月，Google公司在新西兰南岛克莱斯特彻奇市郊区和莱克特卡波市的`坎特伯雷两个发放点进行了首次公开飞行测试，气球在空中的最初留空时间普遍只有几天。此次飞行试验结果对Loon气球技术的改进和完善提供了很大的帮助。Google公司通过飞行试验中收集的风力数据改善其预测模型，使预测精度达到之前的两倍。此外，Loon气球经过不断的改进升级，已经从最初的留空时间只有几天提高到100天甚至是180天以上。为了完善和提高Loon 高空超压气球技术，在完成了气球升级后，团队又在加利福利亚的中央谷开展了一系列的飞行试验，成功飞越了附近的福勒斯诺市。通过飞行，成功地获取了城市中无线电信号噪声对Loon气球网络传输能力影响的数据。由于噪声的存在，造成Loon气球信号的误码率提高，有效带宽降低，他们采用了增加信号强度的措施降低噪声对信号的干扰。
随后，编号为IBIS167 的气球用了22 天时间完成了绕地球一周的飞行：气球先在太平洋上绕了几圈，然后乘着西风飞向了智利和阿根廷，然后回到了澳大利亚和新西兰。由于采用了改良后的气泵以及之前的飞行测试数据，气球能够更快地改变自身的工作高度，保持自己的航向。
2014年6月初，在皮奥伊州首府特雷西纳靠近赤道地区，Google公司在当地放飞了5 个高空气球。这次试验，在收发数据方面采用了移动通信长期演进技术(LongTerm Evolution，LTE)，让人们可以通过手机直接连接并访问互联网。通过此项技术，Loon气球与地面天线建立的传输速率最高可达22Mbps，与手持设备建立的传输速率则最高可达5Mbps。而且这也是Google公司首次克服湿热环境的影响，在赤道附近放飞Loon气球。
4.2 商业推广历程
Loon项目商用化的能力也日渐完善。斯里兰卡政府2016年2月初曾宣布与Google公司合作为其提供高速网络服务，在二者合资企业中斯里兰卡政府将持有25% 的股份。虽然斯里兰卡不会提供任何资金支持，但会为GoogleLoon计划开放频段。此外，还有10%股份交由岛上现有的电话业务供应商。该项目承诺会扩大网络覆盖面并提供更加便利的数据服务。这也意味着斯里兰卡成为第一个全面覆盖互联网的国家，也成了气球网络项目首个覆盖的国家。
目前，印尼仅有大约1/3 的居民可以上网，在组成印尼的1.7 万个小岛间连接光纤网络或者建设及维护移动通信塔难度非常大。Google 公司2016年与印尼本地的indosat、telkomsel和XLaxi瞐ta三大移动网络运营商合作，在印尼开展气球互联网项目测试。通过气球间的通信，Loon 项目已经能够实现最偏远地方的居民上网的目标。在飞行测试中，Loon 团队已经能够使漂浮在平流层高度，相距100km 远的两个气球之间通过无线电传输数据，本土运营商便可以通过这种方式将他们的网络服务提供给更大范围的用户，而在此之前要实现起来非常困难。
根据Google公司向美国联邦通信委员会提交的文件显示，它正在计划在全美国测试其ProjectLoon项目。谷歌公司请求联邦通信委员会批准在美国50个州以及波多黎各测试基于毫米波带宽无线频谱的试验性无线电技术。Google公司表示，他们原计划于2016年1月1日起开始测试，测试期为24个月。这项测试计划表明Google公司有进一步扩大Loon项目的远景规划。
5 展望
Google气球网络计划从开始发布至今已经取得了一系列技术上的突破以及商业化的推广。目前，ProjectLoon气球主要分布在南半球，主要是因为南半球人口密度低，偏远地区多，宽带网络难以抵达，对于大气层的管制也比较宽松。而在北半球，ProjectLoon则面临着复杂的政策因素。由于气球完全靠空气流动带动，气球能否到达要覆盖的地区依赖途经国家的态度。不过ProjectLoon 由于其受天气影响小这一独特优势仍然吸引了一些发达国家(如日本)的兴趣。
Google 公司本身也在积极调整策略来推进Loon项目的进展。从最初采用Wi睩i频段到与当地运营商合作以寻求更大商机，如此一来网络不仅速度更快而且可靠性更强。对于运营商来说，这是可以提高网络覆盖率的一个有效解决方案，因为在地面部署基站总会受制于地理条件(尤其是偏远地区)，而利用这些空中的流动基站，可_r_m_-_i_7以有效、低成本地实现网络的全方位覆盖。
此外，Google公司还在开展一项名为“ProjectSkybender”的高空计划，以期让太阳能无人机带来5G 网络连接，“Solara50”太阳能无人机如图6 所示。它主要依托毫米波技术，理论上速度可达数GB/s，是普通4GLTE 的40多倍。