平流层通信新思路——谷歌气球计划*

李春霖,罗蓉媛,陈彤曦(中国电子科技集团公司第七研究所,广东省,广州市510310)

平流层通信新思路
——谷歌气球计划*

李春霖,罗蓉媛,陈彤曦
(中国电子科技集团公司第七研究所,广东省,广州市510310)

平流层通信具有低延迟、信道衰落小、造价低廉、机动灵活等特点,在军事应用和应急通信领域都有重要的战略价值,也曾经引起各国的重视,并成为研究热点。然而平流层通信平台的稳定性对各国研究者而言一直是一个挑战,谷歌公司从鸟群飞行中得到启发,开启了Google Loon项目,其目的是为全球偏远地区2/3人口提供速度较快、价格可承受的互联网接入服务,同时为自然灾害发生地区提供通信服务。文中分析了谷歌气球的技术细节,谷歌气球初次试验的情况,以及谷歌气球面临的挑战。谷歌气球计划为平流层通信提供了又一新思路。

平流层通信 谷歌气球 Google Loon

0 引 言

平流层通信是指在离地表17公里至22公里的高度,利用飞机、气球、飞艇等作为驻空平台。将通信设备放置于驻空平台,并配合各种地面终端或空中其它通信设备,形成空天地一体化综合移动信息通信系统。

平流层通信具有自己得天独厚的优势。与卫星通信系统相比,平流层通信系统的高度是地球同步卫星的1/1800,是中轨卫星的1/400,是低轨卫星的1/40。因此自由空间衰减比同步卫星减少65 dB,比中轨卫星减少52 dB,比低轨卫星减少32 dB。平流层通信系统的延迟时间只有0.5 ms,有利于通信终端的小型化、宽带化和双工数据流的对称传输和互操作,实现对称双工的无线接入。

与地面电台相比,平流层通信距离远,覆盖面积大。高度为20 km平流层平台通信距离可达1 000 km,比地面电台约大10倍,可实现超视距通信。而且平流层通信平台的信道衰落小,发射功率可显著减少。

平流层通信系统的造价低廉,位置机动灵活,可用于各种复杂地形的山区通信,是很有发展前景的一种通信手段。

平流层通信系统在军事应用和应急通信领域都有重要的战略价值,也曾经引起各国的重视,并成为研究热点。例如美国的高空飞艇(High Altitude Airship,HAA)项目,日本的无人太阳能平流层(SPF)飞艇等。然而平流层通信平台的稳定性和滞空时间对各国研究者而言一直是一个挑战。由于平流层通信平台受风向变化的影响,如果想让其固定在某个位置,就必须通过外加动力来对抗风力,但这几乎很难实现。美国洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)曾尝试过利用太阳能飞艇实现这一设想,但在2011年的第一次测试中,该公司负责研发的“高空长耐久力示范机”(High Altitude Long Endurance-Demonstrator)原型未能通过测试,最终被迫降落在宾夕法尼亚的一处丛林里。洛克希德·马丁公司此后就再也没有进行过类似测试。

谷歌公司的德瓦奥从鸟群飞行中得到启发,充分发挥自己的想象力,最终找到了解决办法。他放弃使用需要外加动力抵抗风力的巨型气球,而采用体积小,价格低的特制气球。这种气球能够环绕地球飞行,并且最多能够在高空停留100天。德瓦奥设想放飞大量的气球,这样可以足够覆盖整个地区。于是,Google Loon项目诞生了。Google Loon项目的目的是为目前全球偏远地区2/3人口提供速度较快、价格可承受的互联网接入服务,同时为自然灾害发生地区提供通信服务[1]。

1 Google Loon项目介绍

1.1 谷歌气球简介

Google Loon项目中所用的气球(以下简称谷歌气球)直径约为15米,整个装置高约12米,使用聚乙烯塑料制成,加上特殊涂层,防止氦气泄露。谷歌气球需要携带重达10公斤的仪器、电池、太阳能板等。每个气球都安装了信号收发设备,从而与附近其他气球和区域性地面基站通信,此外还可以向谷歌特别设计的天线发送信号。

图1 谷歌气球Fig.1 Google balloon

1.2 谷歌气球通信计划的原理

谷歌的设想是利用大量的气球,在距离地面20公里高度的平流层中从东到西均匀分布。热气球上携带着无线网络信号的收发器,信号覆盖的面积可以达到两个纽约城那么大,为地面提供互联网接入服务,这些气球被很多人看作为高度很低的简易卫星。

谷歌工程师利用目前公开获取的大气数据,通过气泵控制气球上升或者下降到不同的高度,让气球“捕捉”到不同高度的气流,从而进行精确的移动和定位。因此,尽管某几个谷歌气球将会在气流作用下移动,但是通过总体数量的位置调整,谷歌仍可以保证在某一地区上空的气球能够均匀分布,为地面用户提供不间断上网服务。当然普通手机和笔记本电脑没办法把信号发送到2万米那么远,要想使用热气球来上网,需要在自己家中安装一个专门的天线来收发无线信号[2](如图2)。

图2 接收信号的天线Fig.2 Antenna for receiving signal

1.3 谷歌气球位置调节

谷歌气球是可以主动调节高度和位置的。调节位置的方法也非常巧妙,利用了平流层不同高度风向不同这一特点来调整气球的位置。谷歌气球采用双气囊设计(一个填充氦气,一个填充空气),并配备了阀门控制系统,使其能够利用极少的能量通过充放气来调整气球的高度(非常节省能量),从而能借助风力到达指定的位置。美国国家海洋气象管理局NOAA的HYSPLIT项目网站预测了洛杉矶在某个时刻平流层中颗粒物运动曲线的例子,确实验证了这一点。对比后面两幅图,左图在15 000米高度的时候,风会向西吹向大陆;而右图20 000米高度的时候,风会向东吹向海洋。显而易见,要实现可靠的位置调节就要对高空风向有精确的预测,并且有一套完整的错误修正机制及其背后的计算和控制算法。

图3 15000米高度的时候,风向西吹向大陆Fig.3When the height is 15 000 meters,the wind blows tomainland from west

图4 20 000米高度的时候,风向东吹向海洋Fig.4 When the height is 20000 meters,the wind blows to ocean from east

此外,这些气球各自都会观察自己的邻居,然后调整自己(如上升或下降的速度和高度)以保持良好的队形。Google Loon项目团队成员‘Dan'展示了一个仿真程序,演示了气球是如何根据周围环境进行反应并集体行动来确保不会出现覆盖盲区。

1.4 谷歌气球的维护与回收

谷歌气球和下面的仪器设备是要最终回收的,地面可以远程控制谷歌气球到指定地点降落进行维护,比如充气、检修电子设备、更换电池和修补破损等。可回收让谷歌气球的系统运营成本大大降低。

谷歌表示,每只气球都装备了GPS定位系统与降落伞,以便可以受控着陆。谷歌对气球降落点有专门的计划:当谷歌气球的寿命终结或需要维修时,控制人员就会分析天气情况,并与空中交通管理员沟通,确定安全的着陆地,然后安排气球有序地下降。谷歌还表示,气球和搭载的设备可以多次使用并循环利用。

谷歌气球上安装了许多传感器,用来探测温度和感知压力等环境因素,这使谷歌在试验过程中积累了大量的有用数据,据谷歌透漏目前版本可以传输189种数据。

图5 谷歌气球升空Fig.5 Launch of Google ballon

1.5 谷歌气球的软件系统

在测试气球的过程中,谷歌工程师还开发了一套控制软件,第一代版本被命名为Vulcan。最后“任务控制(Mission Control)”的全能操作系统取代了Vulcan。

谷歌工程师卡西迪表示:“任务控制”系统是一套网络系统,谷歌气球团队成员可以通过任何个人电脑或平板电脑与该系统相连。与此前的Vulcan软件相比,“任务控制”系统的优点是:

1)能够分析美国国家海洋和大气管理局NOAA的数据(包括当前状态数据与历史记录数据);

2)可以利用Google强大的计算资源来规划气球飞行的理想路线;

3)能够将气球引导至正确的高度,并追踪它们的具体方位和网络系统;

4)在地图上标注每个气球的状态和位置;

5)向当地空中交通管理员发出信息,告知他们屏幕上闪烁的信号并不存在危害等[4]。

1.6 谷歌气球的通信系统

谷歌气球使用的是2.4和5.8GHz频段,属于不需要执照的ISM频段,而且会使用低功率以防止干扰。气球上有三个通讯模块。第一个负责气球与气球之间的通信,相互交换信息,构成一个网状网络,提高信号的可靠性;第二个是气球和地面之间的通讯模块,用于气球与地面的网络基站通信,用户通过在家中安装由谷歌设计的专用天线来接收气球发送的互联网信号,网络速度接近3G速度。最后一个是备用的通讯模块,可在其它两个模块损坏或者气球超过其通讯范围时使用。

另外谷歌气球也携带了气象设备和GPS定位设备,因此谷歌可以跟踪每个气球所在位置。

图6 谷歌气球无线连接图Fig.6 Google Loon wireless connection diagram

2 谷歌气球初步试验

2013年5月,谷歌气球在新西兰开展了试点。第一批升空的30个气球将从新西兰西部飞向东部, 50名新西兰居民参与了这一实验,他们在家中安装了谷歌特制接收器接收信号。试验最终取得了成功,新西兰小镇上的一个农夫尼莫通过谷歌气球接入了互联网查询天气预报,然后决定是否该给绵羊剪毛。尽管谷歌气球仅在尼莫家上空停留了15分钟,但他还是非常兴奋:“谷歌气球网络接入的速度和质量,比我使用的铜线拨号网络要好得多。”另一位农户的女主人成功地通过互联网登录了一家新西兰的电子商务网站,浏览图片非常流畅,上网速度达到了200 k/s。未来,谷歌气球还有可能在与新西兰纬度差不多的智利、阿根廷、南非和澳大利亚等国家开展试点[3]。

图7 谷歌在新西兰放飞气球Fig.7 Launch of Google Loon in New Zealand

3 谷歌气球面临的挑战

谷歌的这个设想看起来很酷,事实上实施起来并没有想象中那么容易,还会遇到一系列难题。

谷歌的热气球计划最大的技术难题是,要对各种复杂的数据进行计算,像天气预报、气球飞行的方向和速度、不同气球之间的位置和距离等,不能让气球“随波逐流”。不过,这也正是谷歌一向最擅长的,气球上的计算机通过搜索引擎把有用信息从海量数据中智能提取出来,很多热气球在飘荡时可以智能调整自己的位置。看似完全不同的发明背后,有谷歌工程师们开发的相似的计算机算法。还有,气球使用的强度材料、大小、内置气体、供电设置以及当气球结束了任期以后的处置,这都是谷歌需要考虑的问题。

除了技术因素外,谷歌气球计划更大的困难可能来源于非技术方面。目前世界很多国家提供互联网连接的电信运营商都属于政府拥有或者大财团拥有,谷歌作为外来者想从这些国家的电信业务中分一杯羹会遇到很多阻力。而且反对谷歌气球进入的合理理由有很多,政府为了保护国内电信运营商的利益,可以说热气球违反了“高空飞行物品管理条例”,或者违反了“无线电信号条例”,又或者指责谷歌不符合“信息安全法”,可以作为间谍设备,窃取国内大量的通信信息,这些都足以将谷歌的发明拒之门外。就算在美国国内,气球一类的飞行器没有经过政府许可也是无法升空的。

4 结束语

平流层通信具有广阔的应用前景和重要的战略价值,拥有卫星和地面基站不可比拟的优势。然而为了对抗高空强劲的气流,早期研究者们总是想法增强高空通信平台的动力系统,依靠外加动力抵御强大的气流,从而保持通信平台的相对稳定。然而谷歌却独辟蹊径,通过改变气球的高度,利用平流层不同高度产生的相反气流来维持气球的位置,并且通过多个气球的均匀分布来实现一定区域的信号覆盖。尽管谷歌气球仍处于开发研究阶段,目前还存在一些技术挑战和某些非技术问题,但是谷歌气球的新思路值得我们研究和借鉴。

[1] 卜娜.谷歌放飞“潜鸟”[N].中国计算机报,2013年6月24日(第008版)[2014年4月15日].中国知网. 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] 刘佳.谷歌气球“网”罗天下[N].第一财经日报,2013年6月17日(第A01版)[2014年4月20日].中国知网. 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;

罗蓉媛(1966—),女,硕士,高工,主要研究方向:军事通信情报研究;

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

陈彤曦(1988—),男,硕士,工程师,主要研究方向:军事通信情报研究。

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

文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2015)02-0125-05

李春霖(1986—),男,学士,工程师,主要研究方向:军事通信情报研究;

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.02.002

2014-09-01;

2014-12-12