圆梦宽带:成功, 亦或成仁

IEEE电气电子工程师学会2020-06-29 12:55:58

点击

上方“IEEE电气电子工程师学会”即可订阅公众号。网罗全球科技前沿动态,为科研创业打开脑洞。


━━━━━

在科策布(位于北极圈以北的一座阿拉斯加小城)的郊区,一架名为“安妮”的橙色大型直升机将一个锃亮的金属塔吊到空中。 

伴随着发动机的轰鸣声,“安妮”停在空中,稳住在空中摇晃的金属塔,随后飞向一处光秃秃的山顶。

在山上一处布满岩石的工地——艾古竺克(Igichuk),一个工作小组刚刚把“安妮”运送到这里的塔基搭好。现在他们开始专注于一天中最细致、困难的工作。将新的电信塔安装到广袤、荒凉的阿拉斯加苔原需要许多困难的步骤,这便是其中之一。

“安妮”到达该基地后小心翼翼地将金属塔的这一部分放置在塔基上。4名工作人员身上捆扎着安全带,脚踩塔基顶面横杆,随时准备好调整金属塔的位置。当塔的一角快靠近塔基时,每位工作人员都会抓住绕在塔身下的钢绳,小心地调整这部分的位置使其与塔基对齐。几分钟的时间,塔身的4个角就与塔基完美地接好了。

工作人员迅速在塔的4条腿上拧上螺栓,之后他们会再拧几个新螺栓。他们发出信号以后,直升机“安妮”松开并收回塔身的绳子。这座塔现在矗立在整个苔原地区的最高点,在正午的阳光中闪耀发光。一旦投入使用,该信号塔便会将数据向北传送到世界上最大的锌矿——红狗矿(Red Dog)的数百名矿工处,然后再传回到位于科策布的信号塔。科策布的人口为3245人,位于一片狭长的松软土地上,沿着阿拉斯加荒凉的西部边缘一直延伸到楚科奇海。

在美国与北极地区的边缘地带,互联网建设项目进程缓慢且成本高昂。美国联邦通信委员会(FCC)定义的最低下载速度为25兆比特/秒,据此来看,81%的阿拉斯加州乡村地区居民都享受不到宽带互联网。科策布居民长期以来都依靠卫星连接来享受网络服务,网速之慢堪比拨号上网。今年年初他们的下载速度仅为2 兆比特/秒。

美国乡村地区有许多目标远大的电信项目,艾古竺克的通信塔是众多此类项目的末期工程之一,由通用通信公司(GCI)建设。今年10月,最后一个微波中继器安装完成,标志着耗资3亿美元、为期6年的TERRA项目建设完工。该项目使用了中继数据连接和光纤的组合,形成了环绕阿拉斯加西南部、长达5000公里的巨大环形网络。阿拉斯加的西南部人口稀疏、道路稀少,荒地面积比西弗吉尼亚州面积还要大。

有了TERRA ,科策布的居民每个月可缴纳59.99美元的网费,获得3兆比特/秒的下载速度。这个速度对于下载高清电影来说还是不够。为此他们的网速需要达到6兆比特/秒,每月至少要缴纳149.99美元。而纽约地区的居民每月仅需缴纳55美元即可享受到25兆比特/秒的网速。

那么,为面积大致相当于德国的阿拉斯加乡村地区的84个村庄(大概4.5万人口)投入3亿美元,建设速度并没有高很多的网络是否值得?对于GCI公司来说,这是战略性的一步。该项目的建设主要是因为越来越多的人通过网络浏览信息。位于乡村社区的大型客户(比如医院和学校等)也需要通过质量更高的网络同外界连接。部分受益于TERRA,GCI公司在2017年前3个季度通过网络服务进账1200万美元,而有线电视部门则损失了800万美元。

实现偏远地区网络互联也已成为技术巨头关注的热点,这些大型技术公司竞相制定最后一公里解决方案,比如脸谱网的网络运输无人机和Alphabet的高空氢气球。很多分析人员认为这些项目不过是昙花一现。还有一些专家则认为,为防以上方案行不通,必须在偏远地区进行传统网络建设。

TERRA的主要技术基础是109座微波塔,对于阿拉斯加州的大部分地区来说,这种经典技术可以更快地进行部署并且比光纤便宜。然而在实际部署过程中,它还是耗费了GCI公司大量的时间和金钱。这充分说明,即使使用经验证明最好的技术,在世界上最偏远的地区建设维护网络也是一项巨大的挑战。

━━━━━

为了在全美范围内提供电话服务,20世纪50年代,AT&T以及其他电信公司在美国建立了巨大的微波网络。它们建立了好几千座信号塔和中继器,为社区之间提供长途中继链路。

过去20年来,微波网络逐渐被替换成光纤,带宽更大,上网速度更快。因此,美国现在的光纤电缆长度达18.2万公里,微波信号塔越来越多地被用于在客户和电缆之间传输数据。

然而,在阿拉斯加进行光纤电缆的填埋十分困难。阿拉斯加州拥有3座大型山脉和6座小型山脉,85%的土地是永久冻土,而海底电缆有时会被捕鱼的拖网以及冬天海岸边形成的冰破坏。

TERRA的确也包括约700公里的光纤,大部分埋在安克雷奇附近以及阿拉斯加有限的公路沿线。潜水员甚至将光纤埋到了仍然处于冰冻状态的克维查克河底部,灰熊经常在这一带出没。

但是TERRA利用微波的方式是1990年以来其他大规模网络几乎不曾尝试过的。因为阿拉斯加大部分地区没有公路系统,所以所有的微波塔都必须通过空运或船运送达。一部分微波塔位于村落中,另外23座微波塔则通过直升机建在了艾古竺克等山的山顶。

阿拉斯加这109座微波塔的间隔在15公里到65公里不等。从这个主要环状网络向外延伸,每几座信号塔就可以连接起6个村庄。“我们可以把这些微波塔看成岛屿,我们从这个岛跳到那个岛以提供网络服务,使得网络信号覆盖更多的荒原。”GCI公司的TERRA高级工程师帕特里克•古德耶尔(Patrick Goodyear)这样说。总的来说,环状网络连接了几十个小村落,包括发生过淘金热的名镇诺姆,以及沙克图利克(人口258)和沙格勒克(人口81)。

“安妮”以及其他空中起重机是GCI公司和STG公司(管理多个TERRA塔安装过程的承包商)在偏远地区实施安装工作的关键。“安妮”每小时燃油超过2000升,其挂钩可以搭载1.1万千克重物。“安妮”由艾克里森公司生产,全世界类似的空中起重机仅有20架。

在工程实施的第一阶段,STG在极偏远的地区使用了起重把杆,一种竖立电信塔的常见方法。但是采用这种方式,工作人员得花两三周的时间才能安装好一座信号塔。“有了空中起重机,设备一运进来我们就能迅速建立起信号塔。”STG的董事长布伦南•沃尔什(BrennanWalsh)这样说。

在偏远地区建信号塔的真正难题是能源:大部分地区都远离电网。GCI公司的乡村事业部主管丽贝卡•马克丽(Rebecca Markley)说,公司考虑过安装太阳能电池板来供能,但是他们很快发现电池板占据空间太大,导致有些地方无法让直升机降落。

在艾古竺克基地,“安妮”运来了两个柴油发电机,它们将会维持这个新基地的不间断运行。随后,一架小型直升机将往返30次,为容积3.4万升的油槽注满燃料。这些柴油足够信号塔运行15个月。

规划如此长久的运行时间很符合GCI公司对于TERRA项目的设计理念,其在每一个基地都配置有多重冗余硬件以及特殊适应装置,以应对极端环境。比如,每个山顶信号塔都有备用发电机以及一组48个铅酸电池;铅酸电池在备用发电机罢工的情况下可维持信号塔运行至少两天)。

这种容错式系统设计已见成效。有一年的11月份,在山顶基地科恩山肩(Cone Shoulder),接地故障导致两台发电机在一次暴风雪灾害中罢工。该基地依靠铅酸电池继续维持运行,直到3天以后技术人员将发电机修复。

每个山顶基地的暖通空调(HVAC)系统还配备了双倍的风扇和通风口,用于冷却通信模块。除此之外,控制无线电通信和HVAC系统所有必要功能的路由器盒包含多个模块,以防任一模块发生故障。

很多信号塔是建于冻原之上的,一旦地面出现融化就会发生倾倒。为此,GCI运用了“跨阿拉斯加输油管”所采用的一项技术,在信号塔下方的管道上安装被动制冷装置——热虹吸管。热虹吸管的一部分被填埋,另外一部分暴露在外面。这些管道里充满了气体,气体在地面上方液化,然后蒸发。蒸发的过程带走了地表下的热量,从而确保信号塔基处于冰冻状态。

最后,TERRA的形状也是其优势之一。环形本身可以增加网络内部的弹性。一旦某个基地停摆了,所有的流量都可以立即反方向路由。虽然这样会绕更长的距离,但还是会到达目的地。

目前为止,TERRA的容错硬件设置已经顺利应对了阿拉斯加恶劣的自然环境所产生的各种威胁。那么软件的工作情况是怎么样的呢?那就需要另说了。

━━━━━

软件增强了网络的灵活性和响应性。对TERRA来说也是如此。在网络中,软件定义了微波信道的基本特征。比如说,软件确定了信号传输载波的频率和振幅。网络根据软件指定的优先级来处理信号流量。“几乎一切都由软件控制。”古德耶尔这样说。

不好的消息是,这也意味着软件故障会使一个基地或者整个网络的多个部分瘫痪。几年前,在几位技术人员忙着升级一部分信号塔时,一个软件错误导致无线信号自发复位,将GCI的进程拖慢了9个月。

尽管存在这些问题,软件仍然是TERRA网络得以应对阿拉斯加恶劣环境和气候的核心。软件使得GCI公司可以在某一信号塔失灵的情况下通过另外一个信号塔进行远程信息传输。同时,软件可以帮助网络应对各种天气,在雾气重或者雨量大时以尽量降低信号衰减的方式改变信号的传输。

在GCI公司位于安克雷奇的办公室,高级工程师古德耶尔拿起了一张照片。照片上是矗立在阿拉斯加西海岸阿斯基努克(Askinuk)山顶的微波塔。信号塔下半部分被埋在2.5米深的积雪里。“在这里,这种情况在初春时节很常见。”古德耶尔说。他又抽出另一张照片(见上图),是那座信号塔的上半部分,从白令海刮来的凛冽海风使其被冰雪完全覆盖。

冰雪会吸收和反射无线电波,这会影响天线的信号接收和传输能力。据古德耶尔估计,GCI公司在阿斯基努克山基地信号塔运行的前两年,为了解决这一问题投入了200万美元。他指着第二张照片中每个天线上方的小三角形解释说,这些是用来防止冰雪累积的金属帽。

工作人员还安装了长金属板,保护信号塔的导波管免受冰雪影响。微波在放大器和天线之间通过中空的金属管——导波管进行传输。但是寒冷的气候会让水分在导管里累积并冻结。因此,在尤其易受天气影响的TERRA基地,需要用特制的脱水装置将空气排出导管,隔离水分。

尽管如此,照片中的信号塔还是损失了一个天线,本该连接这个天线的导波管尴尬地裸露在外面。上面已经结冰,太阳一晒,冰滑落,正好露出天线。

GCI通过软件可以在某个天线失灵的情况下远程操控,利用塔上位置较高的两个天线来传输信号,保持基站正常运行。从那以后,古德耶尔团队降低了那座信号塔的高度,减少塔与暴风雪的接触面。目前来看,这一办法还是很有用的。

针对基站工作状态不理想的情况,GCI公司的工程师改进了硬件设备,以增强整体网络的信号强度。比如,在临近海岸小镇奎纳加克(人口669)的一座山的山坡上就耸立着一座信号塔,附近几乎没有足够的空间供直升机升降。为了节省空间,GCI公司的工作人员安装了一个较矮的信号塔,其天线长度仅为1.8米。

但是位于附近的库斯科昆姆海湾上的一个反射点很快就开始对临近的信号塔造成影响。偶尔当海潮到达某个高度时,一些散落的微波会从海湾反射到信号塔的天线。但是这些反射的微波比直接传输过去的微波要晚到一些,因此这两种信号会相互干扰。

目前GCI公司正在将该基地的天线升级到3米,从而不会再“接收到”反射点反射的微波。如果一切顺利,新的结构会削弱反射的微波。

━━━━━

在阿拉斯加建设任何东西都需要毅力。回首过去,GCI公司的马克丽说:“我们无数次地想,真的能成功吗?”

其他公司从未想过为阿拉斯加的偏远地区提供陆地互联网服务在经济上具有可行性。如果TERRA网络建在美国本土,那么它将覆盖从华盛顿到西雅图的所有地区。但是它所服务的客户数量仅仅和双子瀑布(爱达荷州的一个小城)相当。

通过联邦政府拨款、贷款以及补助,TERRA才具备了可行性。GCI公司的联络部主管希瑟•汉迪赛德(HeatherHandyside)承认,如果没有2009年实施的《美国复苏与再投资法案》,TERRA就不可能建成。根据这个法案,联邦政府通过拨款与贷款的方式向这个总投资3亿美元的项目出资0.82亿美元。此外,GCI公司通过“新市场税收抵免项目”获得了0.35亿美元的联邦支持贷款,另外还有600万美元的联邦补助。

除此之外,GCI公司通过联邦政府的E-Rate项目获得了更多的联邦资金,这个项目主要是为学校和图书馆的电信设施建设提供资助。GCI公司申请拨款时说明了TERRA可以帮助阿拉斯加乡村地区接入远程学习、利用远程医疗,并通过远程办公或者在零售网站(比如易集网)上售卖手工艺品丰富经济形式。

尽管得到了诸多支持,TERRA客户所要支付的费用相比于美国其他地区来说还是过高。GCI公司为科策布地区制定的最昂贵的服务方案每月需缴费300美元,而速度仅为安克雷奇市的最低资费方案(每月仅需65美元)的8%。GCI公司指出,速度只是未来愿景中很小的一部分;TERRA网络已经将网络延时从550毫秒降到了25毫秒,从而为乡村地区的客户开展视频会议提供更多的便利。(针对这一点我们联系了几家阿拉斯加本地企业和机构,包括科策布地区的北美报业联盟地区公司,但它们拒绝对TERRA或GCI提供的资费价格发表评论。)

多年以来电信企业都忽略了阿拉斯加乡村地区,然而现在这一地区的热度与日俱增。GCI公司至少在一小部分TERRA服务区域面临竞争。一家名为Quintillion的公司最近安装了海底光纤电缆,为阿拉斯加北海岸的村落居民提供宽带服务。这是从东京延伸至伦敦的海底电缆的第一期。

这对于阿拉斯加的客户来说自然是好消息,而对于GCI公司来说就并非如此了。TERRA网络的最后一个中继站于10月运行,巧的是,这个中继站在TERRA地图上标注为“Final Repeater”(最终中继),因为它还临近一座名为Final的山。

TERRA信号塔安装完成后的预计寿命是50到60年。在此期间,无线技术会进行好几轮更新换代,这就使得GCI公司必须更新其设备。GCI公司的工作人员已经开始为早期建成的基地更换发电机了,被更换的发电机已经达到了5年的寿命。

TERRA运行后,GCI公司的投资开始得到回报。很多阿拉斯加州居民也确实从该网络中受益良多。不久以后,他们会开始要求更多的信息和更快的速度。但是就TERRA本身的局限性来看,GCI公司要以合适的价格及时提升网速还是没有那么容易的。

与此同时,Quintillion或其他竞争者完全可以承担起在阿拉斯加铺设更多光纤电缆这一艰巨任务,当然,前提是脸谱网和Alphabet想不出通过气球或者无人机提供宽带服务的更廉价的方法。

GCI公司也向其他电信公司出售部分TERRA网络,这样可以为更多的居民提供网络服务。但是竞争者们说GCI公司为此收取的费用太昂贵,并指责GCI垄断阿拉斯加大部分乡村地区的网络服务。好几位竞争者(包括一个乡村电信供应商联合会)已经向联邦通信委员会投诉GCI公司的高昂价格。

综上所述,对于精明的公司来说,让阿拉斯加乡村地区享受更快捷、便宜的网络服务,还是有足够空间可以发挥的。当然,胆小的企业也不会去开发这个项目,它很可能总是存在经济风险。但是,将网络带给没有任何地面网络服务的几十个阿拉斯加村庄,这是一种实实在在的突破。

作者:Amy Nordrum