一文看盡谷歌的project loon氣球網絡計劃

地面測試點使用的特殊天線

 Loon氣球網絡

     如上圖所示，使用者通過特殊的天線以ISM波段發送信號到距離他們最近的氣球，氣球發送信號給相鄰的氣球，最終信號傳送到與地面網際網路建立連接的氣球上，隨著氣球的移動，無線網狀網絡會持續不斷地調整。信號在氣球之間跳轉，形成一個最少五個氣球節點的網絡，每個氣球可以通過無線電接收機與48公裡以外的氣球連接，就像在mesh網絡中一樣，這樣可以保證信號的穩定性。另一個無線電收發機保證氣球同地面上直徑40公裡（這相當於2個紐約市那麼大）範圍內數以百計的天線通信，理論上只要幾千個氣球就可以覆蓋整個世界。

    Google氣球正是採用了空中Mesh組網，分為兩部分：氣球和氣球間組成Mesh網絡，氣球與地面站組成用戶網絡。Project Loon採用的頻段為ISM非授權頻段，相當於一個露天大WiFi。不過，即使Google採用了2.4GHz和5.8GHz非授權頻段，也並不意味著你的手機可以直接連接到Google氣球，它並不直接支持WiFi，你需要在你家屋頂安裝一根專用天線來接收並解密信號後才能上網，類似於衛星通信。

    如上圖所示，若位於偏遠山區的某村民需要上網時，他家屋頂的專用Google天線就會向最近的Google氣球發送信號，該氣球通過由多個氣球組成的Mesh網絡將信號轉發並連接到陸地上的本地網際網路，反之亦然。當然，這個由氣球組成的Mesh網絡會隨著氣球的移動而不斷調整，且任何一個氣球都可作為與地面的連接點。 

▲地面站

    遺憾的是，Google一直保持神秘，並未公布其空中Mesh組網算法。但是，空中Mesh組網同樣不是一個新鮮的想法。

     先說說無線網狀網（Wireless Mesh Network，WMN）。早在2004年，IEEE 802.11工作群組為了提供無線區域網絡的網狀網絡標準，就提出了稱為IEEE 802.11s 延展服務集網狀網絡。傳統的無線接入技術中，主要採用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構一般都存在一個中心節點，例如移動通信系統中的基站、802.11 WLAN中的AP等。在無線Mesh網絡中，採用網狀Mesh拓撲結構，也可以說是一種多點到多點的網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節點通過相鄰的其它網絡節點以無線多跳方式相連。

      Mesh網絡定義了三種節點：MPP（Mesh Portal）、MP（Mesh Point）和MAP（Mesh Access Point）。MPP連接外部網際網路；MP連接鄰居MP，支持自動拓撲、路由的自動發現、數據包的轉發等功能；MAP就相當於傳統WiFi網絡的AP。去年，Google發布的Google WiFi就是一款支持802.11s mesh網絡標準的無線路由器。

如果僅僅是用一個氣球來做通信中繼也許並不困難，Loon項目的技術難點就在於如何協調控制數量眾多的氣球同時在空中飛行，而且氣球覆蓋的區域恰恰又是那些需要網際網路的地方。

在平流層，有很多風層，每一個風層都有不同的方向和速度。通過控制氣球上升或者下降（使用前面提到的「氣泵」和副氣囊），可以讓其進入不同的風層，以達到控制氣球以期望的方向和速度運動的目的。通過風力推動和太陽能充電，Loon氣球可以使用完全可再生的能源來運行。

谷歌使用軟體算法來確定它的氣球需要去的地方,然後將每個氣球移動到合適的風層，以期將氣球吹往正確的方向。通過隨風移動,氣球可以組成一個大的通信網絡。Loon團隊可以通過任何地方的任何一臺電腦訪問基於網際網路的控制系統。目前Loon氣球還依靠地面任務控制中心的專業人員進行人工控制，根據風力的屬性，氣球可以控制在± 5°緯度範圍內運動。[2]按照谷歌的設想，最終成熟的Loon網絡應該完全依賴軟體自動控制。

                           

處於不同風層的Loon氣球

谷歌的工程師使用了理想的氣球模型和真實的風力數據（來自美國國家海洋與大氣管理局NOAA）創建了一個仿真軟體，通過複雜的算法來控制大量的氣球的運動，來保持預定區域有穩定的網絡覆蓋率。如圖11所示，淺藍色區域表示氣球覆蓋的範圍，深藍色表示未能覆蓋的範圍。紅色小球代表處於平流層較低高度的氣球，藍色的小球表示在相對高度較高的氣球，可以通過控制手段使氣球上升或下降以順應風力達到保持覆蓋範圍穩定的目的。仿真的結果看起來還不錯，絕大部分區域大部分時間都是被覆蓋的。[6]

 Loon氣球的仿真測試

軟體仿真需要考慮的因素很多，例如能量的約束，緯度的變化，太陽輻照角度的變化等等。即使是谷歌這樣擁有豐富的大數據處理經驗的公司，也認為僅僅仿真是不夠的，持續的飛行試驗積累的數據對他們的技術改進至關重要。

       續航時間是超壓氣球的一大優勢，在過去的幾年裡，谷歌一直在創造著小型超壓氣球新的續航記錄。2013年剛開始的時候只有幾天，2014年的Merlin版本就達到了100天續航，2015年夜鶯版本達到破紀錄的187天，2016年，一隻集耐力、敏捷性和動力於一身的高空氣球脫穎而出，谷歌稱之為Bolt（閃電）。在脫離了氣球群的情況下， Bolt展示了一個獨一無二的結合高導航精度、高氣球穩定性和十足充沛的耐力於一體的飛行器。

         作為一個真正的全能型選手，Bolt長達190天的駐空時間成為了氣球持久力一個新的項目紀錄。

          在 Bolt長達六個月的冒險旅程中，它在空中航行超過122,000千米並且其最高時速達到162千米/小時。為推動這次馬拉松式的旅行，氣球的太陽能電池板在飛行過程中產生1.72億萬焦耳的能量。如果這個數量級的能量在幾秒鐘內被釋放而不是幾個月，那麼它將足以引發閃電。

 

           Bolt的高空旅行從波多黎各開始。從那裡起，它漂行了超過19個不同的國家和三個大洲，一些時候飛行高度達到20,353米——這和你站在65個堆疊在一起的艾菲爾鐵塔的塔頂看東西具有相同的視角。新的導航算法幫助 Bolt保持航行軌跡，這個導航算法的目的在於使氣球處在能夠為人們提供數據連接的區域的時間最大化。

 

      除了狂風， Bolt也經歷了極端溫度。一些夜晚中最冷達到了零下83攝氏度。這和我們的最低溫度紀錄——零下90攝氏度只差幾度，像南極的冬夜一樣寒冷。 Bolt是 「夜鶯」版本氣球中的一員，它是強度與耐力的結合體，這樣才能確保它完全有能力承受這些極端狀況。（你可以點擊goo.gl/MtnWEA查看谷歌的氣球設計是如何演進的，這使氣球群在這些年中變得更加強大起來）

 

         

6.1 雙球間動態通信       

      氣球之間的通信可以讓LOON項目通過多個氣球之間的信號傳遞連接偏遠地區的用戶，即使這些用戶遠在千裡之外。但是,這絕非易事：氣球之間傳輸數據需要的精度相當於從20公裡的高空搖曳的風中指向地面的一個蘇打水瓶。

圖 5 LOON團隊用來測試氣球間通信距離的兩個氣球

     這個實驗確認了用來驗證球與球之間通信的兩個特殊氣球試驗的成果。自2015年6月同時發放之後，這對氣球保持著超過100km的距離，而數據通信卻從未中斷。這次超長距離通信測試結果超出了我們在平流層球與球之間通信連接的預期值。

6.2 球載雷射通信    

 

         一旦從地面站獲取數據到氣球上，你就需要連接多個氣球組成的數據鏈以傳輸信號到它該去的地方。有時候距離地面站成千上萬公裡遠。所以氣球與氣球之間的連結是氣球網絡中至關重要的元素。你不能在氣球之間鋪設光纖，所以另一種傳輸信號的方法是使用雷射。兩個自由飄飛的平臺在空中翩翩起舞，分別安裝在兩個平臺上的雷射器互相鎖定並傳輸數據。

雷射通信測試中用來傳輸圖像

氣球飛行中雷射器進行跟蹤對準

 

        一切都是如此的精準，井然有序地提供可靠而又穩定的連接。LOON團隊已經在平流層高度距離數百公裡的氣球之間建立了GB/S的連接速率，可以使用LTE將信號下傳給用戶，所以在LOON氣球飛過的地方，你可以使用普通的行動電話就可以體驗到LOON氣球提供的上網服務。

       谷歌在LOON氣球項目中測試雷射通信並不意外，因為他們在2013年在中國申請的專利裡面就有使用光通信進行氣球網絡傳輸這一權利要求。

316光通信系統就指的是雷射通信吧

  7.算法改進

 最開始時，谷歌團隊利用手工編寫的算法引導氣球，算法會對各種預設變量進行響應，比如高度、位置、風速、時間。新算法發揮了機器學習的優勢。通過分析海量數據，它們可以不斷學習。通過分析過去發生的事情，算法可以不斷改變自己的「行事方式」。薩爾·坎迪多（SalCandido）是前谷歌工程師，他曾負責過氣球項目。薩爾坎表示：「我們在更多的正確位置上擁有了更多的機器學習技術，這些算法處理事情的效率很高，比任何人都高。」

儘管如此，算法並非總是正確的。坎迪多擁有博士學位，他學習的內容和「隨機最優控制」有關。簡單來講，坎迪多能夠控制物體在不確定表面上運行，他的專業知識有了用武之地。當我們將氣球送上天空，不確定因素很多，而且你無力改變。

 

有了機器學習的幫助，坎迪多和團隊就可以找到更好的辦法控制氣球。當谷歌團隊首次啟動氣球項目時，他們認為如果要將網際網路服務覆蓋到某一區域，只有發射大量的氣球，讓它們高高飄浮在空中才能做到。現在，團隊可以更好控制氣球，最終，只需要幾個氣球就可以將信號送到地表。坎迪多說：「我們沒有必要將氣球放在海洋上，專注用戶就行了。」

機器學習在ProjectLoon項目中發揮了作用，在整個谷歌也是一樣的，其它企業也大力引進機器學習技術，比如Facebook、微軟和Twitter。這些企業集體朝著深度神經網絡前進，深度神經網絡的運行原理和人腦神經元有些類似。Facebook用深度神經網絡識別圖片，谷歌用它挑選搜索連結。放在過去，谷歌搜索算法是工程師手工編寫的。現在算法可以自己學習，分析用戶點擊時生成的大量數據，通過分析用戶的行為來學習。

谷歌氣球項目並沒有使用深度神經網絡，它使用了一種比較簡單的機器學習技術——Gaussian，儘管有所不同，其原理卻是一樣的。由此可以看出，深度學習只是AI革命的一部分，並非全部。在整個氣球項目執行過程中，氣球飛行了170萬公裡，谷歌從中收集了大量數據，用Gaussian處理之後，導航系統可以預測氣球的行進路線，知道何時上升，何時下降，還可以判斷何時將空氣吸入氣球。

 

預測很完美，至少大部分時間是完美的，畢竟同溫層的氣候太多變。坎迪多表示，同溫層的氣候已經算是比較穩定的，但是氣球所遇到的不確定因素仍然很多，超過了團隊的預計。他們只好增強導航系統，用所謂的「增強學習」來強化。做出預測之後，系統會不斷收集數據，比如氣球面對什麼樣的狀況，什麼管用，什麼不管用，然後用數據調整氣球的行進。

 

     Google氣球先前的設計方案是，將數百個氣球升空到平流層，讓它們在平流層漂浮移動繞行地球，這些氣球在平流層組成一個Mesh（網狀）網絡，作為陸地終端上網的回傳。

漂浮於平流層的Google氣球組成Mesh網絡回傳

        但是，這一方案所需氣球太多，成本高，且環遊平流層涉及到不同國家領空飛行許可，為Google 氣球大規模應用帶來了障礙。

       如今引入機器學習的新移動算法剛好克服了這一障礙。新移動算法可以高效引導Google氣球到指定區域，幾個氣球編隊成一小組，組成一個小型Mesh網絡，服務指定區域。

Project Loon實現控制氣球移動和停留

       這樣，Google氣球不必環繞地球不停移動，既減少了氣球數量，也能靈活應對不同國家的領空飛行許可，即只要獲得某一國家或地區的許可，Google氣球就能移動到指定區域提供無線上網。

 

   今年夏天，他們在拉丁美洲的飛行試驗中，成功地讓他們的氣球在秘魯上空停留了98天。

        LOON氣球是通過在零風層上下調整高度，以進入不同方向的風層來改變其運動方向的。從他們幾百萬公裡的飛行測試中，已經開發出複雜的模型，能夠幫助他們更加精確地預測不同高度的風場。使用這些數據，他們的軟體算法可以決定何種高度的風層可以使氣球儘可能地待在期望的區域。

        為了測試他們最新開發的導航技術，設計了一個大膽的氣球飛行試驗，從波多黎各發放，飛向秘魯，並儘可能地在這個區域待更多的時間。經過最初12天的過渡，氣球能夠大部分時間維持在秘魯的Chimbote市上空，高度為平流層的20公裡，每天需要進行十幾次高度調整操作以找到合適的風向使氣球維持在這個區域。當風場模型不能使氣球維持在目標區域上空時，他們的算法會選擇另一個最佳選項，讓氣球飄到太平洋上空找到偏東的風層，可以幫助氣球飄回他們期望的區域。最後，氣球成功地在秘魯上空停留了14周，在整個飛行過程中進行了大約20000次獨立的高度調整的操作。

LOON氣球就是通過裡面的副氣囊來調節高度

          在完成上述工作之後，他們的氣球理所當然有點累了。於是，他們選擇了秘魯南部的偏遠平原區域作為著陸點，在通知了當地空管部門之後進行了一個可控的降落，他們的當地回收合作夥伴迎接到這隻氣球返回地球！未來依然有很多測試工作要做，但是他們對LOON氣球計劃充滿信心，一定會有越來越多的氣球會在期望的區域來完成平流層之旅，為地面上的人們提供網絡接入的！

       2013年，Loon的30隻測試氣球出現在了紐西蘭的上空。從那以後，Google便一發不可收拾，開始陸續在澳大利亞、巴西、斯裡蘭卡以及印度尼西亞尋找對聯網項目感興趣的合作夥伴，興致勃勃地為當地偏遠山區的人們鋪設氣球驅動型網際網路。

        然而，除了一份被官方打上「加速運行」 標籤的時間表，Loon至今還沒有將網際網路服務提供給任何世界上需要它的人群。

        2015年10月，Loon的一項新合作原本被期望會迎來真正的用戶群，但也是從那個時候開始，關於X實驗室的一系列動蕩接踵而至：其他項目的高管陸續離職，實施裁員計劃，另一姐妹工程——太陽能無人機被迫關閉……原因很簡單，太費錢了，Other Bets每年虧損的幾十億讓Alphabet與它背後的投資者開始變得不耐煩。在這一期間，雖然GoogleLoon的負面新聞較少，但在大部分時間裡，它選擇了「沉默」。

       在一次技術發布會上，當被問到氣球們將在何時何地開啟它們的正式服務計劃時，X實驗室雖然仍舊沒有對具體細節透露一個字，但Teller的話卻顯然留有餘地：「事實上，我們已經在南美洲進行了大量測試，比如在秘魯，氣球就在其某個城市的上空滯留了98 天之久。在接下來的幾個月裡，我們可能會在某個地區找到電信合作夥伴，為真正的用戶提供測試服務。」接下來的幾個月，我們是否能相信，GoogleLoon會為發展中國家帶來一些不一樣的東西？這不由讓人想起1個月前，Tellor在接受期刊雜誌IEEE Spectrum的專訪時曾發表過一個獨特的見解：

 「我們在開始做一件項目時，首先要想的不是『你要解決的最大問題是什麼』，而是『這個項目不能成功的最大原因是什麼』。」顯然，Google支持Loon這個項目繼續存在下去，而「是否能大幅降低氣球成本」也讓人有了期待。但是，還有另外一個重要的問題我們不能忘記：放飛氣球是否能比在偏遠地區鋪設基礎設施更便宜（或者便宜非常多）？目前不得而知。既然Google是要跟當地網路供應商合作，而這些運營商們如果賺不了錢，是不可能在沒有大量潛在上網用戶的地區設置電纜的，同樣道理，運營商會在這些地區使用氣球來提供服務嗎？而這，也是全球太多地區依舊處於離線狀態的一個重要原因。但GoogleLoon是否能克服這個難題，支持者們只能在一旁，默默地關注著它的每一次動向。

參考文獻

[1]Wikipedia.Project-loon[EB/OL].2014-5-14.http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Loon.

[2] Doo won Kim.A Survey of Balloon Networking Applications 

     andTechnologies[EB/OL].2013-12-

     20[2014-5-20].www.cse.wustl.edu/~jain/cse570-13/ftp/BalloonN/index.html.

[3] PrincetonUniversity. Flying Hope: Balloon Bring Internet      

     toEverywhere[EB/OL].2013-12-       

     1.https://pucase.princeton.edu/files/2013/10/Case-Description.pdf.

[4] RavenAerostar. Raven Aerostar's High Altitude Expertise Supports Google's 

      ProjectLoon 

      [EB/OL].2014-5-1.http://ravenaerostar.com/about/project-loon-raven-aerostar-

      google.

[5]Google. Balloon-powered Internet forEveryone[EB/OL].2014-5-

     1.http://www.google.com/loon.

[6] Google. KeepUp-to-date on Project Loon’s progress. [EB/OL].2014-4-

     20.https://plus.google.com/+ProjectLoon.

[7]祝榕辰,王生.超壓氣球研究與發展現狀[C]//第二十四屆全國空間探測學術交流    會,2011:3-4.

[8] Google. KeepUp-to-date on Project Loon’s progress. [EB/OL].2015-12-20.https://plus.google.com/+ProjectLoon.

[9] 黃宛寧,祝榕辰,張強輝. Project Loon——谷歌的高空氣球網絡計劃[J]浮空器研

      究,2014(4):11-13.   

[10]微信公眾號：36氪，Google的LOON氣球項目取得重大技術突破，那個敢於冒險的         Google又回來了！

[11]微信公眾號：網優僱傭軍，為什麼說Google空中基站離商用不遠了？

[12]微信公眾號：鳳凰科技，谷歌上網氣球有了新的駕駛員，名字叫     

   AI。