揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信



编者按:本文转载自微信公众号“镁客网”(ID:im2maker),作者 Lynn,36氪经授权发布。

上个月,美国的波多黎各遭受飓风艾尔玛的袭击,其基础设施包括通讯、电力等系统都遭到严重的损毁,两周多过去了,当地的通信基站仍然没有修复,但最终,这个问题却被Google的热气球解决了…

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

这个热气球来头可不小,它隶属于Google X实验室的项目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互联网接入服务。

那么从实验室到实际应用,这个热气球项目又是如何一步步走向成功的呢?

Project Loon项目的前世今生

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站气球技术的公司。

2008年的时候,Google考虑是和Space Data 合作还是直接收购,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项目的萌芽。

2011年,Google X实验室传出孵化该项目的消息,2013年6月14日,Google才正式宣布成立该研究项目。

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,大家都戏称该项目是很Google范儿的研究项目,笑其太疯狂,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、巴西皮亚伊、印度尼西亚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”的项目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。

如何实现通过Google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平方千米,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网络。

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

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

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,它并不直接支持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。

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

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正在通过机器学习,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高效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,来保证应用过程的便利;而回收过程,他们则借助于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。

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

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。

从给出的数据综合来看,Project Loon项目虽然称不上完善,但已足够出色。不过,虽有技术做保证,其实Google在项目的应用过程中依然是各方面碰壁。

技术之外,政府不配合,项目频频碰壁

在2013年项目正式成立后两日,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、澳大利亚、智利和阿根廷提供报道,谷歌希望最终能够在平流层中飞行数千只气球。

后来,因政府提供的数据质量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与斯里兰卡信息通信技术局(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项目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项目的频频碰壁成为常态,究其本质,政府对该项目的通信和信息安全的顾虑成为这一项目推进的巨大阻力。

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

此前,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项目得以大展身手的绝佳机会,但此前Google为项目应用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热搜。

几乎同一时间,借着这股热,Facebook的CEO扎克伯格通过Facebook的VR产品Spaces,生成了波多黎各救灾活动的360度全景视频。在视频中,扎克伯格通过VR卡通形象对波多黎各救灾行动进行解说,而视频公开后,收到的却是大家的广泛抨击。

揭秘谷歌热气球项目:如何在32000米高空实现5000平方公里地面通信

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。

而此次Project Loon的救灾实质上算不上真正意义上的部署,该气球是灵活可拆卸的,通信网络也是接入当地的运营商,且最终是否能够留存在波多黎各的上空将完全取决于美国政府的决定,因此对于Google而言,实在不能说是一次大规模部署,倒是一次结结实实的打广告行为。

Google借一次应急措施来取得政府和公众的信任,未来,相信Preject Loon项目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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