为什么说Google空中基站离商用不远了?

网优雇佣军2021-11-22 10:04:45

Google气球并不神秘,打开Flightradar24应用就可发现它们。


▲巴西上空漂浮的三个Google气球


这款提供全球实时航班信息的应用,也会显示Google气球的飞行信息。Google气球上安装了ADS-B接收器,也会像所有民航机一样,其飞行轨迹和信息都会显示于这款APP上。所谓ADS-B,即民航机识别码信号,其原理是装有ADS-B系统的民航机会不停的以广播方式向地面接收站和其他飞行物发出其GPS位置、航班编号、高度、速度等信息。


▲Google气球的飞行轨迹


和民航机不一样的是,Google气球显示的类型为“BALL”,呼号以“HBAL”开头,在地图上显示的图标也为气球状。


眼瞅着这些漂浮于平流层的神秘气球,掐指一算,Project Loon项目从公开试验至今已有4年了,进展到底如何?


1 机器学习+Google气球=加速商用步伐


前几天,Project Loon项目组发布了一则令人兴奋的消息,称Google气球引入了借助机器学习和大数据技术的新移动算法,已经可以控制气球移动和停留,让气球集中在网络需要的地方。


这是一项突破性的进展,毫不夸张的说,这将飞跃性的加速Google 气球的商用步伐。


Google气球先前的设计方案是,将数百个气球升空到平流层,让它们在平流层漂浮移动绕行地球,这些气球在平流层组成一个Mesh(网状)网络,作为陆地终端上网的回传。


▲漂浮于平流层的Google气球组成Mesh网络回传


但是,这一方案所需气球太多,成本高,且环游平流层涉及到不同国家领空飞行许可,为Google 气球大规模应用带来了障碍。


如今引入机器学习的新移动算法刚好克服了这一障碍。新移动算法可以高效引导Google气球到指定区域,几个气球编队成一小组,组成一个小型Mesh网络,服务指定区域。


▲Project Loon实现控制气球移动和停留


这样,Google气球不必环绕地球不停移动,既减少了气球数量,也能灵活应对不同国家的领空飞行许可,即只要获得某一国家或地区的许可,Google气球就能移动到指定区域提供无线上网。


另一条令人震惊的消息是,早在去年9月份,Google气球已经实现了在秘鲁上空滞空98天之久。


2 最早商用的空中气球基站——SkySite


利用气球作为“空中基站”提供无线网络的想法并不新鲜,早有人实现了。


过去60多年里,美国气象部门每天要发送70只气象气球来收集天气信息。2001年,一家叫Space Data公司的创始人Jerry Knoblach突发奇想,尝试在气象气球上安装“基站”,向偏远山区提供空中通信网络,这一项目被称为SkySite。


▲Jerry Knoblach和他的SkySite


SkySite当时也是轰动一时的新闻,小编还找到了当年某报刊的头版报道…



SkySite采用Motorola双向无线数据链路协议,使用910-940MHz上的1.7MHz带宽,无线收发设备就挂在气球下面,气球总重1.5公斤,充气后宽约7.6米,可覆盖直径670公里范围。


▲SkySite组网图


Jerry Knoblach是个非常聪明的商人,他用了极其简单的办法实现了空中网络商用。气球的成本极低,采用可生物降解的合成乳胶制成,只能在空中滞留24小时,随后自行销毁。在气球销毁之前,这家公司会发一条指令给气球下挂的无线设备,设备收到指令后,自行从气球上断开,目的是为了回收设备。无线设备由塑料泡沫包裹,且配备了小型降落伞,防止设备掉落地面时损坏。


遗憾的是,当时这家公司无法精确定位这些设备到底掉在哪里了,Jerry Knoblach每次都得雇佣大量的廉价劳动力帮他搜寻设备。


SkySite主要服务于油气开采等领域中的遥测、监控等应用。2013年的时候,SkySite还准备与其他公司合作来提供LTE公共安全网络,后续发展如何,没有细查。



这种SkySite也曾应用于军方,主要适用那种24小时内完成的特别行动,不过频段采用的是225-400MHz。


值得一提的是,早在2008年,Google还没对外公布Project Loon项目时,有国外媒体消息称,Google正在考虑和Space Data合作。当时Space Data已经在一些偏远山区为一些公司提供无线服务了,据称每天要发送20个气球,一个气球提供的信号范围相当于40个基站的覆盖区域。


3 空中Mesh组网


2009年,日本Iwate Prefectural大学的一个研究小组做了进一步设想,将空中气球组成Mesh网状网络来为地震灾害后提供临时应急网络。


这一设想的组网结构是由空中载有无线设备的气球组成网状的自主网络。这些气球通过检测电磁场的功率密度来实现自我配置,它们总是选择附近功率密度最强的气球来建立连接。一旦某个气球被大风吹走或损坏,便重新和新的相邻气球自动建立连接,这确保了Mesh网络的稳定性。


▲空中Mesh组网


这一组网结构实际上分为水平面的Mesh组网和垂直网络两部分,Mesh网络采用IEEE 802.11j协议,垂直网络采用IEEE 802.11b,g协议。具体参数如下:



4 Google气球到底是个什么鬼?


Google的Project Loon实际上可以理解为SkySite和空中Mesh组网的融合。


Google气球和SkySite有相似之处,也有不同的地方。它同样在气球下方挂无线收发设备,不过为了持续在空中停留,增加了太阳能面板以供电,且气球充气后更大,宽约15米,高约12米。下挂的无线收发设备由电池、天线、GPS、通信部件、存储设备、高度感应、天气监测等部件组成。


▲Google气球的组成


白天,Google气球利用太阳能供电,多余的电能给蓄电池充电,晚上由蓄电池供电。但是,这些电能完全不介入控制气球移动,因为Google气球的设计原则是漂浮于平流层,借助平流层的风力随风移动。



平流层位于对流层和中间层之间,高度是距离地表10千米到50千米之间。一直以来,平流层被认为是一块非常有利用价值的空域。该空域大气不对流,以平流运动为主,飞行物在其中受力稳定,比如飞机就是飞行于平流层。不过,Google气球的高度约为20千米,比飞行高度为9到12千米的飞机更高,这避开了飞机,大可不必担心飞机撞上气球。另外,大多数的天气现象都发生在对流层,其位于Goolge气球的下方,因此Google气球还能避免受恶劣天气的影响。


和廉价的SkySite气球不同的是,Google气球气囊采用一种厚度只有0.076毫米的特制聚酯薄膜制成。在这个气囊里还有一个充气装置,由一个球胆和风扇组成。当气球需要下降时,风扇向球胆充气,使之重量上升,气球下降,反之亦然。该球胆可让Google气球上下移动1.7千米范围,以适应平流层的不同风速。




Google气球正是采用了空中Mesh组网,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。不过,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。




如上图所示,若位于偏远山区的某村民需要上网时,他家屋顶的专用Google天线就会向最近的Google气球发送信号,该气球通过由多个气球组成的Mesh网络将信号转发并连接到陆地上的本地互联网,反之亦然。当然,这个由气球组成的Mesh网络会随着气球的移动而不断调整,且任何一个气球都可作为与地面的连接点。


▲安装在居民屋顶的专用天线


▲地面站


5 Google气球的Mesh组网技术


很遗憾,Google一直保持神秘,并未公布其空中Mesh组网算法。但是,空中Mesh组网同样不是一个新鲜的想法。


先说说无线网状网(Wireless Mesh Network,WMN)。早在2004年,IEEE 802.11工作群组为了提供无线区域网络的网状网络标准,就提出了称为IEEE 802.11s 延展服务集网状网络。


传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11 WLAN中的AP等。


在无线Mesh网络中,采用网状Mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中,各网络节点通过相邻的其它网络节点以无线多跳方式相连。



Mesh网络定义了三种节点:MPP(Mesh Portal)、MP(Mesh Point)和MAP(Mesh Access Point)。MPP连接外部互联网;MP连接邻居MP,支持自动拓扑、路由的自动发现、数据包的转发等功能;MAP就相当于传统WiFi网络的AP。


去年,Google发布的Google WiFi就是一款支持802.11s mesh网络标准的无线路由器。


无线Mesh网络是一个很好的想法,但依然有人觉得这太费事了,主要是在一些偏远山区组网和维护不方便。2012年,瑞士伯尔尼大学的Simon Morgenthaler等人提出了一个更超前的概念——利用空中无人机组建Mesh网络,他们称之为UAVNet,其原理就是无人机之间采用IEEE 802.11s标准组成空中Mesh网络。





UAVNet概念的主要贡献是,他们提出了一种空中Mesh网络的组网算法。大概原理是,一架无人机首先从某地面节点出发升空,并检测离自己最近的另一个地面节点,然后,这架无人机飞到这两个地面节点的中间点,以出发点的地面节点为参考点,向其方向缓缓移动,直到收到来自出发点的地面节点的信号强度达到某一预定义的门限。




接着,另一架无人机开始升空,其移动原理类似,只不过将前一架无人机作为新的参考点。




简单的讲,Google气球的技术原理并不新鲜。事实上,早在2013年,当Project Loon在新西兰完成首次试验,宣称网速可达3G速率时,很多业内专家就认为,该项目最大的挑战并非技术问题,而是各国飞行领空的许可问题。毕竟,并不是所有国家都希望一家美国公司的气球漂浮在自己的领空上。


而今,如果Google气球的新移动算法已经能控制气球移动和停留,使气球可以集中停留在网络需要的地方,这就绕开了领空许可的障碍。也许,离商用的日子就不远了。


就在上个月,Google已经终止了太阳能无人机网络项目Titan,他们称更看好利用气球建5G网络。集中发力Project Loon,Google的空中网络梦想还有多远?


网优雇佣军投稿邮箱:wywd11@126.com

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