文/王勝開 馬欣

谷歌Loon計劃：用熱氣球提供Wi-Fi連接

文/王勝開 馬欣1

Google Loon計劃在臨近空間組成一個無線網(wǎng)絡，幫助全球三分之二未接入互聯(lián)網(wǎng)的人口提供免費的網(wǎng)絡服務。

臨近空間（Near space）是指介于普通航空飛機的飛行空間和航天器軌道空間之間的區(qū)域，一般定義為距地面20?100公里的空域，包括大部分平流層，全部中間層和部分電離層。由于其重要的開發(fā)應用價值而在國際上引起廣泛關注。Google的Loon項目正是在這個空域中的應用開發(fā)，該項目計劃在平流層（約20公里）放飛幾百個到幾千個太陽能氣球，組成一個無線網(wǎng)絡，并與地面基站連接，為全球尚未接入互聯(lián)網(wǎng)的2/3人口（約48億人）、廣大亞非拉地區(qū)的新興市場民眾以及網(wǎng)絡條件不好或不穩(wěn)定的地區(qū)提供廉價的互聯(lián)網(wǎng)服務，以填補互聯(lián)網(wǎng)服務的盲區(qū)，使之也能享受到現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)服務和快速穩(wěn)定的WiFi網(wǎng)絡連接。據(jù)Google介紹，每個漂浮在空中的Loon氣球，都可以作為下方直徑約40公里地區(qū)的無線基站。在信號覆蓋的地區(qū)，只要使用Google提供的天線，就可以通過一種升級版的WiFi技術進行上網(wǎng)。這將是一項大膽的、了不起的嘗試，因為這只需很低的成本，就能夠為偏遠地區(qū)的民眾提供互聯(lián)網(wǎng)服務。

同時，依托Google Loon，可以幫助自然災害頻發(fā)地區(qū)或受災斷網(wǎng)地區(qū)恢復互聯(lián)網(wǎng)連接，提供災害情況下的應急通信服務和信息服務，Loon氣球將是未來災害情況下一種非常有用的備用通信設施和手段。

飛行高度與漂浮時間

Loon氣球距離地面約20公里，完全充氣后高12米、寬15米，它們將漂浮于平流層，并通過軟件算法決定移動位置，而后上升下降到特定高度，隨著風向移動和飛行，圍繞地球構成一個“氣球帶”或稱“氣球環(huán)”，形成一個巨大的空中網(wǎng)絡，為地面提供互聯(lián)網(wǎng)接入和信息服務。Loon項目目前尚處于早期階段，Google X實驗室此前在新西蘭南島（South Island）、美國加州中央谷（Central Valley）等地區(qū)進行了試驗，放飛了約30個氣球，以觀測其沿途提供WiFi熱點連接服務的情況。2014年4月，Google X實驗室將有關試驗擴展到了內(nèi)華達州的沙漠地區(qū)。

Loon氣球可在空中漂浮約100天，若壽命終結或需要維修，地面控制人員可安排氣球有序下降，Loon氣球和球載通信設備均可循環(huán)利用。

就飛行高度而言，Loon氣球可認為是一種臨近空間飛行器。所謂臨近空間（Near Space）一般是指距地面20～100公里的空域，處于現(xiàn)有飛機的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間。臨近空間之下的空域就是通常所說的“天空”，是傳統(tǒng)航空器的主要活動空間；臨近空間之上的空域就是通常所說的“太空”，是航天器的運行空間。

工作頻段與作用距離

Loon氣球上的控制、GPS與通信系統(tǒng)將實現(xiàn)對整個Loon氣球的控制、定位以及與其它Loon氣球的通信、與地面的通信等。據(jù)稱，Loon的天線工作于2.4GHz和5.8GHz的免費公用ISM頻段，每個Loon氣球可為直徑40公里的地面區(qū)域提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務，速度可達目前3G網(wǎng)絡的水平甚至更高。另有消息稱，2013年9月，為在2014年于內(nèi)華達州沙漠地區(qū)開展的試驗，Google自美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）獲得了使用2個4G LTE服務頻段的許可。

Loon氣球下方的用戶通過特殊的網(wǎng)絡天線接入Loon氣球提供的互聯(lián)網(wǎng)服務，通信信號會在Loon氣球之間不斷反射，然后接入地面的全球互聯(lián)網(wǎng)服務。

地面基站

在放飛氣球的同時，Loon項目將在地面上建立一個基站網(wǎng)絡，基站與基站之間的距離約為100公里，通過基站來將信號發(fā)射到空中的氣球上。據(jù)稱，Loon氣球升空15分鐘后，地面用戶就可以連接到互聯(lián)網(wǎng)上了。

飛行速度

Loon氣球的飛行速度最快可達41公里/小時，Google稱，Loon氣球繞地球一圈大約需要33天的時間。在最近的試驗中，一個Loon氣球只用22天就完成了繞地球一周的飛行任務，創(chuàng)下了試驗新記錄。Google稱，這只氣球先在太平洋上空繞了幾圈，然后乘著西風飛向了智利和阿根廷，隨后又回到了澳大利亞和新西蘭；一路上，它都處于咆哮的西風帶之中，這就像是空中的高速公路，讓Loon氣球快速飛過海洋，來到人們需要的地方。

Google公司強調，目前，Loon項目仍處于早期試驗階段，各項試驗工作正在加緊進行，Loon項目絕不是在做秀，目的就是要為全球眾多尚未享受到良好互聯(lián)網(wǎng)接入服務的人口提供高速穩(wěn)定且價格低廉的WiFi連接和移動互聯(lián)網(wǎng)服務。未來，Google Loon項目還有很長的路要走！

適用情形與潛在困難

Loon氣球的覆蓋面積將比普通的WiFi熱點大得多，每個Loon氣球可為1250平方公里的地區(qū)提供互聯(lián)服務，相當于兩個紐約市的大小。但這并不意味著能覆蓋兩個紐約城的氣球能讓兩個紐約城的所有居民都用它來連接互聯(lián)網(wǎng)，因為如果這樣做，成千上萬的使用者發(fā)出的無線通信信號將會出現(xiàn)嚴重的相互干擾現(xiàn)象，氣球使用的信號帶寬是有限的，無法分給那么多的人同時使用，寄希望于用一個氣球來解決大城市居民的互聯(lián)網(wǎng)連接問題是不現(xiàn)實的。

Loon氣球主要面向的是地廣人稀的空曠草原、農(nóng)場、山區(qū)等情形。想在城市中心與人口密度較低的偏遠地區(qū)之間建立互聯(lián)網(wǎng)連接，電信運營商需投入巨資修建很多設備，成本非常高昂，對之而言是賠本生意。同樣，對使用衛(wèi)星來提供互聯(lián)網(wǎng)服務而言，也是一個字??貴！例如，新西蘭一些地方的農(nóng)場主現(xiàn)利用衛(wèi)星來上網(wǎng)，一個月交納的網(wǎng)費可達1000多美元。Loon項目上網(wǎng)方案最大的優(yōu)勢就是可以在提供和城市中一樣的寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接的同時，價格比衛(wèi)星和地面方式都要低廉得多，從而可為廣大偏遠地區(qū)提供價格可承受的高速互聯(lián)網(wǎng)連接服務。

當然，在緊急情況下，對人口密集地區(qū)而言，Loon也有一展身手的機會，例如，一旦遇到像汶川地震這樣的自然災害，在地面光纖、通信設施、無線上網(wǎng)設備等全部被摧毀的極端情況下，Loon氣球漂浮于云層上方海拔20公里的平流層中，臺風、暴雨、龍卷風都發(fā)生在云層下方，這些氣球可以毫發(fā)無損地在各種自然災害、緊急情況下繼續(xù)保持正常工作。

Google選址新西蘭南島的Christchurch地區(qū)進行Loon試驗也是出于這方面考慮，并起演示作用。2011年，Christchurch地區(qū)發(fā)生地震，導致185人遇難，并造成數(shù)萬人無法連接互聯(lián)網(wǎng)。這次事件讓Christchurch政府切身體會到了危機、應急通信的重要性。Google Loon項目對政府和救援組織等而言都將非常有用，可以幫助其迅速部署通信系統(tǒng)、聯(lián)通受災地區(qū)并保持局面穩(wěn)定。

Loon項目看起來很“酷”，但實施起來并不像想象的那么容易，會遇到一系列難題。技術上最大的難題是要進行各種復雜數(shù)據(jù)的計算，如天氣預報、氣球飛行的方向和速度、不同氣球之間的位置和距離等，保證氣球不“隨波逐流”。不過，數(shù)據(jù)處理正是Google最擅長的“活兒”！

此外，氣球使用的高強度材料、大小、內(nèi)置氣體、供電裝置以及當氣球結束生命周期后的處置等問題，均有待Google做進一步考慮。除技術因素之外，Loon項目還需協(xié)調解決許多非技術方面的問題，如飛越領空問題、信息安全問題以及未來投入實際運營后與當?shù)仉娦胚\營商的利益競爭問題等。

軟件系統(tǒng)

在Loon氣球測試過程中，Google X團隊開發(fā)了一套控制軟件，第一代軟件稱為“Vulcan”，隨著測試的深入，Vulcan最終被一套稱為“任務控制”的全能操作系統(tǒng)所取代。這是一套純粹的網(wǎng)絡系統(tǒng)，團隊成員可以通過任何PC或平板電腦與之相連，以控制和管理這支圍繞地球上方飛行的“氣球大軍”，使用戶在需要的時刻能夠使用其中的氣球。

Google X通過復雜的算法和大量的計算資源來解決這一難題。起初，Google將整個Loon項目中的氣球比作鳥群，每個氣球都好比是鳥群中的一只鳥，每個氣球在飛行期間都要留意附近的氣球，以確保自己能夠平穩(wěn)地飛行在兩個附近的氣球之間，在未來投入實際運營后，情況定會變得進一步復雜，屆時，每個氣球不單要為自己工作，還要準確了解其它氣球的工作狀況，Google稱之為“氣球的蜂群思維”。

Loon氣球下懸掛的“小盒子”即為收發(fā)信號的電子設備。

“任務控制”軟件系統(tǒng)能夠分析美國國家海洋和大氣管理局的數(shù)據(jù)（包括當前狀態(tài)與歷史記錄），能夠利用Google的計算資源來規(guī)劃氣球飛行的理想路線，能夠將氣球引導至正確的高度并追蹤其具體方位，能夠在地圖上標注每個氣球的狀態(tài)和位置，能夠向氣球下方的空管人員發(fā)出信息，告知其空管系統(tǒng)屏幕上閃爍的信號并不存在危害等。

在未來的Loon網(wǎng)絡中，地面上用戶的家、辦公地點是固定的，而空中的氣球基站是飄動的相比現(xiàn)有的地面移動互聯(lián)網(wǎng)，這是不感覺有點顛倒？隨著氣球的漂移，當用戶連接的氣球慢慢飄出作用范圍時，系統(tǒng)會自動將用戶的連接信息移交給下一個接近用戶的氣球，在這個移交過程中，用戶不會有任何感覺，網(wǎng)絡將持續(xù)保持通暢。

（注：作者1聯(lián)系為北京5111信箱）