一文看尽谷歌的project loon气球网络计划

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楼主 2018-06-19 04:50:05
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摘要
 

         Loon是由谷歌X实验室发起的研究项目,目的是向农村和偏远地区提供互联网接入。该项目将高空超压气球发放至海拔20KM平流层组成空中无线网络,向所覆盖的区域提供与3G移动通信速度相近的互联网访问服务。气球通过调整其高度到达不同的风层,顺着风力向其期望的方向运动,预测使用的风力数据来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)。气球覆盖区域的用户可以使用安装在他们建筑物外的一种特殊的天线连接到气球网络,信号在气球之间跳转,最后可以到达地面站的互联网服务商(ISP),从而可以访问全球互联网。[1]


关键词: 谷歌;高空气球;超压气球;网络;平流层



1.引言



互联网是我们一生中最具革命性的技术之一。但是对于地球上三分之二的人口来说,一个快速、可负担得起的网络连接仍然遥不可及。这个问题远未能解决,互联网的连通性在遇到森林、岛屿、山脉的时候会遇到巨大挑战,全部解决必然花费不菲。解决这些并不是一个简单的时间问题,而是需要更换一个全新的角度去看待它。


一种解决方案就是通过安装在高空气球上的无线通信设备给气球覆盖的地面区域提供无线上网服务。已经有一些公司做过这方面的尝试。2001年,美国的太空数据公司推出的SKY Site平台,使用平流层气球上安装的无线通信设备扩大了蜂窝式网络的覆盖范围。2009年,日本的柴田等学者提出了使用球载无线网状网络系统用于灾害之后的应急网络通信的设想。气球漂浮在40-100m的高度,通过IEEE802.11b/g协议与地面移动通信节点连接访问互联网。[2]谷歌的Project Loon是一个运行在平流层的网络,旨在连接农村和偏远地区,填补网络覆盖的空白。[2]谷歌也提到在自然灾害发生后利用气球来提供通信服务。在类似飓风桑迪的自然灾害之后,受灾地区的通信基础设施会遭到破坏,并需要很长时间才能恢复,而Loon气球将成为非常有用的备用通信设施。


2008年谷歌考虑与太空数据公司合作,计划在美国南部发送携带小型基站的气球飞至约32公里高空,在云端提供连接到卡车司机和石油公司,不过由于种种原因,这个项目最终没有实施,但这也许是谷歌Project Loon项目想法最初的萌芽。


以前曾有人建议使用高空系留球来建立空中与地面的连接,但谷歌否定了这个想法,因为长期高空系留气球需要与风力对抗,意味着设备的重量将大幅度增加,成本昂贵并只能限制在固定的区域。


按照谷歌X实验室CTO理查德·德沃尔的说法:“我们不想仅仅让气球随风而动,我们希望气球飞到那些地面需要网络的区域。”[3]


Loon项目前期非官方的发展始于2011Google X实验室在加州中央山谷进行的一系列试验。据说谷歌的工程师还向NASA(美国国家航空和太空管理局)和JPL(喷气推进实验室 )学习了高空气球的设计技术,还与专业的气球研究公司Raven Aerostar开展了合作(Loon项目的球体是由该公司设计制作的[4])。2013614日,这个项目被谷歌正式官方公布。[1]


 

2.Loon气球系统组成



Loon气球由球体,降落伞,气泵,太阳能电池板,吊舱等部分组成。


2.1 球体


    Loon气球使用了类似南瓜型的设计,属于超压气球的范畴,用谷歌的话说,Loon气球的最终预期飞行时间要大于100天,要实现如此长的驻空时间,目前除了超压气球还没有更好的选择。[5]

                           

地面充气展示的Loon气球

气球在地面完全充气之后的直径约为15m,高度约为12m,采用了0.076mm厚的聚酯薄膜制成的,这种材料既薄又坚韧,非常适合于制作超压气球,即使在高空超压情况下也能保证结构的强度,不至于发生较大的延展和爆裂。根据Project Loon项目工作人员的说法,该气球的超压量可以达到800Pa。[2]

 

         LOON最早的测试始于2011年,使用了一个气象气球及现成的最基本的无线电发射装置。这些测试验证了气球驱动互联网的可行性,但是团队很清楚气象气球不是长久之策,因为它们并不是用来长期在平流层飞行的。于是,这些气球狂热爱好者开始静下心来扪心自问:如果我们想做驱动整个世界气球互联网络,应该制作哪种气球呢?

                     

     

LOON团队自主研发的几款气球

     LOON团队一开始都是在自主研发气球,他们明白必须制作足够大的气球以期能够携带足够的载荷设备,保证20km高空与地面的通信连接,于是有了“Albatross(信天翁)”版本的雏形(第一排中间),"Grackle"(白头翁,第一排右一)用来验证一种“太阳气球”的理念;正圆形气球(第二排左一)激发了他们制作超压气球的灵感;他们用边角料做了一个127英尺长的"Falcon1"(猎鹰1)原理验证版(第二排中间),后来改进的"Falcon2"(猎鹰2,第二排右一)采用了透明的聚脂薄膜来增强焊接强度,成功地飞了12天, "HAWK"(鹰,第三排)长度达到142英尺,增加了副气囊的设计用来控制气球飞行高度。


Raven aerostar合作后设计的几款气球

      当确定了采用副气囊来操作气球飞行高度的方案后,LOON团队开始了与专业气球制造厂商Raven aerostar的合作,后者是高空气球领域的行业翘楚。根据LOON团队的需求,分别设计了“Lbis”(朱璐),“Kestrel”(茶隼),Lark”(云雀),“Merlin”(灰背隼)几个版本。LOON团队致力于开发一个生产流程,可以持续制造合格的超压气球,引进了缺陷检测系统可以自动检测膜片上最小的漏洞和缺陷。“Merlin”首先采用了这个制造流程,它的尺寸大约只有“Lark”的一半,但是获得了与后者一样的升力,更重要的是,达到了续航100天的目标。

最后成熟的型号Nighthawk气球


    时至今日的“Nighthawk”夜鹰版本是LOON团队和Raven aerostar团队共同智慧的结晶,集合了以前版本的所有优点,可以携带全功能的LTE测试设备,气球之间通信设备,连接地面基站的设备,以及供电和高度控制设备等,而且可以批量生产。


   为了提高生产制造效率(看来LOON项目对气球的需求量确实很大),谷歌专门研制了自动化直热式热合机,在一条生产线上只需要两个人操作就可以代替以前十几人的工作,效率大大提高。

       

                     气球生产线


2.2 降落伞


Loon气球的组成如上图所示:在气球的最上部是降落伞包和频闪航标灯。正常情况下,当Loon气球飞离了服务区域,或者完成了飞行任务,需要降落的时候,地面操作人员可以通过排出气球内氦气的方式减小气球浮力,使其缓缓降落,不会对地面的设备和人员造成损失。在极端意外的情况下,假如出现气球下降速度过快的情况,降落伞包将自动打开降落伞,将下降速度控制在安全的范围内。常规的高空气球或者超压气球系统会将降落伞设计在气球和吊舱之间,在飞行试验结束后将降落伞以上的气球切割掉,降落伞自动打开,带着吊舱返回地面,采用这种返回方式的气球一般是不回收的,会在切割后快速上升,由于球体过压而爆裂。Loon气球设计有些与众不同,由于降落伞安装在气球顶部,所以整个气球包括吊舱系统都可以回收。为了避免在球体倾覆或快速旋转的情况下,降落伞无法稳定打开,Loon气球的降落伞采用了引导伞的设计。引导伞是一个小型的降落伞,设计用来快速充气并提供足够的拉力来拖出主伞。[6]

安装在气球顶部的降落伞包

同样安装在气球顶部的频闪航标灯起到安全警示的作用,在夜间飞行时以一定的频率闪亮,提醒其它飞行器进行避让。既然Loon气球可以通过排出氦气的方式缓慢降落,那么据推测在气球顶部应该有一个氦气排气装置。


2.3 气泵


在气球的底部是所谓的高度调节装置,谷歌官方称之为气泵(Pump)。[6]常规的零压高空气球会携带一定的压舱物,当温度降低时会导致浮升气体体积收缩,从而造成浮力的损失,使得飞行高度下降,此时为了维持飞行高度,需要抛掉一部分压舱物,降低自身重量以补偿浮力的损失,需要人为提高飞行高度时也可以采用抛压舱的方式;而需要下降的时候则排掉一部分氦气,降低球体浮力。这样做的缺点是,由于气球所能携带的压舱物和浮升气体在空中都属于不可再生资源,所以高度调节的次数和幅度都十分有限。超压气球的球体是封闭的,一般不会自动排出浮升气体,由于温度增加而产生的压差完全由球体本身承担,因此可以实现长时间飞行,且昼夜飞行高度波动小。[7]Loon气球采用了和中低空飞艇副气囊类似的设计,通过所谓的气泵向副气囊内充入空气或者打开阀门排出副气囊的空气来改变气球的浮力,从而使气球上升或者下降,以达到改变高度的目的。按照Loon项目工作人员的说法,通过这种方式,可以实现气球1.7KM范围的高度调节。[2]由于空气对于平流层中飞行的气球来说是取之不尽的可再生能源,所以用此方法可以多次循环使用,这对于滞空时间目标为100天的长航时Loon气球非常合适。


Loon气球气泵的设计也很有特点,使用特殊设计的风机叶片,进气口和排气口布置在同一个阀门上。

 Loon气泵使用的风机叶片

不要小看了这个小小的风机叶片,在平流层空气密度只有地面的1%,所以仅仅使用风机在平流层达到800Pa的超压量并不容易。

Loon气泵阀门

上图中间的三个通道为进气口,上面的密封垫起到单向阀的作用:当风机打开时,由风压顶开上面覆盖的密封垫,风机关闭时,密封垫自动回弹关闭进气口。两侧的两个通道为排气阀,可以通过直线电机驱动打开或关闭。[6]


2.4 太阳能电池板


在气泵和阀门的下部是一个水平安装的太阳能电池板,采用的是轻质高效的薄膜单晶硅材质,在光照充足的情况下能够提供约100W的功率,足够维持气球上的设备供电,并且向吊舱内的锂离子电池充电,以供其在夜间飞行时使用。

太阳能电池板

                   

改进后的倾斜布置的太阳能电池板


图6中所示的太阳能电池板采用的是水平布局(时间是2013年6月),在2014年2月27日谷歌公开的照片中,我们发现新的Loon气球已经采用了倾斜布局的太阳能电池板(实际上这在NASA的高空气球试验中很常见)。两个太阳能电池板安装成一个较大的倾斜角度以在高海拔的冬季有效地捕捉太阳光。太阳能电池板分成两部分朝着完全相反的方向,这样可以让它在气球飞行过程中缓慢旋转的时候在任何方向都能获取能量。


2.5 吊舱


Loon气球的主要电子设备安装于一个大小约为300mm×300mm×600mm的封闭舱内,主要的设备名称如图7所示。


吊舱内的设备

Loon气球设计的飞行高度约为海拔20km,处于平流层的底部,最低气温可以达到-70℃。由于吊舱内主要的储能设备为锂离子电池,其在低温下的效率很低,所以对吊舱进行保温和加热必不可少。在这个小型吊舱的外部覆盖了一层厚度约为20mm的聚四氟乙烯泡沫进行被动保温。另外在锂电池的外部还专门加了一层聚酰亚胺材料,进一步阻止电池通过辐射传热。即使是这样,在夜间温度也会下降到极限,所以在夜间飞行必须使用主动的加热装置使吊舱内的温度保持在合适的范围。[3]谷歌必须知道每一个气球的位置,所以GPS接收机是必不可少的。二次雷达应答机和雷达角反射器(悬挂在吊舱的外面)都是为了保证民航飞行安全的,尽管气球飞行的高度在20KM,远高于民航飞机的飞行高度,但是在起飞和降落阶段总会进入民航飞行的高度。前者可以在航管二次雷达查询的时候返回飞行器代号和高度信息,后者可以增加航管一次雷达扫描时的反射面,以备在万一失控的情况下航管部门可以掌握其动向。[6]


通信设备可以视为气球系统的有效载荷,因为气球平台就是为了建立通信网络服务的。Loon气球系统在吊舱的上部共安装了三根无线通信天线,第一根负责建立网络连接(包括与地面的天线和空中的气球平台之间),第二根为测控天线,主要向地面的谷歌任务控制中心发送气球位置信息和状态参数,同时还可以接收地面的指令(例如上升,下降或者排出氦气等)。第三根天线是备用测控系统的天线,作用与第二根类似。


2.6发放


         以前的LOON气球发放是这样子的:


    这位老兄一定向团队领导吐槽了:这样举着真的很累。


       而且一旦充气的时候遇到风,就不好玩了……


      有的时候发放还有风险,注意太阳能电池板下面的那哥们,差点被带倒……


     看这张,一字排开4,5个,够他们忙活一阵子的。发放的效率这么低,而谷歌的气球网络又真的需要很多气球,怎么破?

  

         谷歌终于不能忍了,开始设计一个可以在任何情况下都可以连续发放的装置吧!首要的需求是有三面挡风墙,能无惧近地面大风的考验,于是就有了这么个45英尺宽,55英尺高的大家伙,而且可以灵活转向,使开口对着顺风方向,以利于气球起飞。

 

                    自动充气发放装置


  这个巨大的自动发放装置,可以使LOON气球快速,安全,连续地发放至平流层。2015年LOON团队创造了在29分钟内完成充气,发放,并进入平流层的记录。

       
       最关键的机构应该就是这个玩意儿,首先用四根圆柱状的销子与气球顶部的法兰上的定位孔对接,然后锁紧,然后充气管与法兰上的充气口快接锁紧。这样就可以通过控制红色的起吊机构把气球吊起来,然后在挡风墙内安全地充气。


    为了测试这个关键的机构,谷歌在墨菲特机库内进行了反复的试验。


     看看这个壮观的大家伙(这一版叫big bird,上次波多黎各测试的那个叫chiken little)有多复杂。谷歌追求的目标就是无论何时何地,都可以连续快速地发放气球!技术指标是20分钟(去年他们已经做到了29分钟搞定)!

       
    充气完成之后首先解除充气管(气球上面的充气口肯定要密封上,但细节就不得而知了),然后解除定位销的约束,上图的红色托球板转动升起,可以将气球抬平,然后解除托球板上部的约束,最后再解除球底部的约束,下风口,气球走起!


      20分钟,打完收工!全程只需4名操作人员(以前人工发放需要16人),大家各司其职,遥控操作即可,毫不费力,还不用等天气,没有任何风险。也许下次,谷歌做出一个一键操作全自动发放的机器,



3.气球网络

    谷歌气球可以提供给相应区域的无线网络连接速度约为10Mbps(与WCDMA的3G通信的速度相当)。在这个网络中有两种通信链路:气球对气球通信网络和气球对地面站点或者说志愿者之间的网络。通过特殊的无线天线来支持这两种网络。目前使用的是ISM频段即2.4G/5.8Ghz波段[2],是由国际通信联盟无线电通信局规定可以用于工业,科学和医用领域的频段。应用这些频段无需许可证,只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。使用ISM频段可以使谷歌避免与当地政府协商购买特殊的无线电频段授权


     另外,使用该频段也可以避免干扰以期达到更远的传输距离。因为Loon气球不支持WIFI,所以像Iphone这样的智能手机不能直接与气球建立连接。如图8所示,需要使用者在他们的房子外边安装一个特殊的天线以接受来自气球的信号和发送信号,这种使用方法有点类似于卫星电视天线。天线的外壳是由红色的透波材料制成,远远看去非常醒目漂亮(非常符合谷歌的产品设计风格)。外壳内部是一个铝反射板和一对PCB天线,两个天线的极化方向水平交叉,能够保证无论从哪个方向来的信号都能够被接收。

地面测试点使用的特殊天线

 Loon气球网络

     如上图所示,使用者通过特殊的天线以ISM波段发送信号到距离他们最近的气球,气球发送信号给相邻的气球,最终信号传送到与地面互联网络建立连接的气球上,随着气球的移动,无线网状网络会持续不断地调整。信号在气球之间跳转,形成一个最少五个气球节点的网络,每个气球可以通过无线电接收机与48公里以外的气球连接,就像在mesh网络中一样,这样可以保证信号的稳定性。另一个无线电收发机保证气球同地面上直径40公里(这相当于2个纽约市那么大)范围内数以百计的天线通信,理论上只要几千个气球就可以覆盖整个世界。


    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。 





▲地面站

    遗憾的是,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。

 
 4.技术难点

如果仅仅是用一个气球来做通信中继也许并不困难,Loon项目的技术难点就在于如何协调控制数量众多的气球同时在空中飞行,而且气球覆盖的区域恰恰又是那些需要互联网的地方。


在平流层,有很多风层,每一个风层都有不同的方向和速度。通过控制气球上升或者下降(使用前面提到的“气泵”和副气囊),可以让其进入不同的风层,以达到控制气球以期望的方向和速度运动的目的。通过风力推动和太阳能充电,Loon气球可以使用完全可再生的能源来运行。


谷歌使用软件算法来确定它的气球需要去的地方,然后将每个气球移动到合适的风层,以期将气球吹往正确的方向。通过随风移动,气球可以组成一个大的通信网络。Loon团队可以通过任何地方的任何一台电脑访问基于互联网的控制系统。目前Loon气球还依靠地面任务控制中心的专业人员进行人工控制,根据风力的属性,气球可以控制在± 5°纬度范围内运动。[2]按照谷歌的设想,最终成熟的Loon网络应该完全依赖软件自动控制。

                           


处于不同风层的Loon气球


谷歌的工程师使用了理想的气球模型和真实的风力数据(来自美国国家海洋与大气管理局NOAA)创建了一个仿真软件,通过复杂的算法来控制大量的气球的运动,来保持预定区域有稳定的网络覆盖率。如图11所示,浅蓝色区域表示气球覆盖的范围,深蓝色表示未能覆盖的范围。红色小球代表处于平流层较低高度的气球,蓝色的小球表示在相对高度较高的气球,可以通过控制手段使气球上升或下降以顺应风力达到保持覆盖范围稳定的目的。仿真的结果看起来还不错,绝大部分区域大部分时间都是被覆盖的。[6]


 Loon气球的仿真测试

软件仿真需要考虑的因素很多,例如能量的约束,纬度的变化,太阳辐照角度的变化等等。即使是谷歌这样拥有丰富的大数据处理经验的公司,也认为仅仅仿真是不够的,持续的飞行试验积累的数据对他们的技术改进至关重要。


 5.续航时间

       续航时间是超压气球的一大优势,在过去的几年里,谷歌一直在创造着小型超压气球新的续航记录。2013年刚开始的时候只有几天,2014年的Merlin版本就达到了100天续航,2015年夜莺版本达到破纪录的187天,2016年,一只集耐力、敏捷性和动力于一身的高空气球脱颖而出,谷歌称之为Bolt(闪电)。在脱离了气球群的情况下, Bolt展示了一个独一无二的结合高导航精度、高气球稳定性和十足充沛的耐力于一体的飞行器。

         作为一个真正的全能型选手,Bolt长达190天的驻空时间成为了气球持久力一个新的项目纪录。


          在 Bolt长达六个月的冒险旅程中,它在空中航行超过122,000千米并且其最高时速达到162千米/小时。为推动这次马拉松式的旅行,气球的太阳能电池板在飞行过程中产生1.72亿万焦耳的能量。如果这个数量级的能量在几秒钟内被释放而不是几个月,那么它将足以引发闪电。

 

           Bolt的高空旅行从波多黎各开始。从那里起,它漂行了超过19个不同的国家和三个大洲,一些时候飞行高度达到20,353——这和你站在65个堆叠在一起的埃菲尔铁塔的塔顶看东西具有相同的视角。新的导航算法帮助 Bolt保持航行轨迹,这个导航算法的目的在于使气球处在能够为人们提供数据连接的区域的时间最大化。

 

      除了狂风, Bolt也经历了极端温度。一些夜晚中最冷达到了零下83摄氏度。这和我们的最低温度纪录——零下90摄氏度只差几度,像南极的冬夜一样寒冷。 Bolt夜莺版本气球中的一员,它是强度与耐力的结合体,这样才能确保它完全有能力承受这些极端状况。(你可以点击goo.gl/MtnWEA查看谷歌的气球设计是如何演进的,这使气球群在这些年中变得更加强大起来)

 

 6.单项技术突破

         

6.1 双球间动态通信       


      气球之间的通信可以让LOON项目通过多个气球之间的信号传递连接偏远地区的用户,即使这些用户远在千里之外。但是,这绝非易事:气球之间传输数据需要的精度相当于从20公里的高空摇曳的风中指向地面的一个苏打水瓶。


5 LOON团队用来测试气球间通信距离的两个气球


     这个实验确认了用来验证球与球之间通信的两个特殊气球试验的成果。自20156月同时发放之后,这对气球保持着超过100km的距离,而数据通信却从未中断。这次超长距离通信测试结果超出了我们在平流层球与球之间通信连接的预期值。


6.2 球载激光通信    

 

         一旦从地面站获取数据到气球上,你就需要连接多个气球组成的数据链以传输信号到它该去的地方。有时候距离地面站成千上万公里远。所以气球与气球之间的链接是气球网络中至关重要的元素。你不能在气球之间铺设光纤,所以另一种传输信号的方法是使用激光。两个自由飘飞的平台在空中翩翩起舞,分别安装在两个平台上的激光器互相锁定并传输数据。


激光通信测试中用来传输图像


气球飞行中激光器进行跟踪对准

 

        一切都是如此的精准,井然有序地提供可靠而又稳定的连接。LOON团队已经在平流层高度距离数百公里的气球之间建立了GB/S的连接速率,可以使用LTE将信号下传给用户,所以在LOON气球飞过的地方,你可以使用普通的移动电话就可以体验到LOON气球提供的上网服务。


       谷歌在LOON气球项目中测试激光通信并不意外,因为他们在2013年在中国申请的专利里面就有使用光通信进行气球网络传输这一权利要求。

316光通信系统就指的是激光通信吧


7.算法改进


 最开始时,谷歌团队利用手工编写的算法引导气球,算法会对各种预设变量进行响应,比如高度、位置、风速、时间。新算法发挥了机器学习的优势。通过分析海量数据,它们可以不断学习。通过分析过去发生的事情,算法可以不断改变自己的行事方式。萨尔·坎迪多(SalCandido)是前谷歌工程师,他曾负责过气球项目。萨尔坎表示:我们在更多的正确位置上拥有了更多的机器学习技术,这些算法处理事情的效率很高,比任何人都高。


尽管如此,算法并非总是正确的。坎迪多拥有博士学位,他学习的内容和“随机最优控制”有关。简单来讲,坎迪多能够控制物体在不确定表面上运行,他的专业知识有了用武之地。当我们将气球送上天空,不确定因素很多,而且你无力改变。

 

有了机器学习的帮助,坎迪多和团队就可以找到更好的办法控制气球。当谷歌团队首次启动气球项目时,他们认为如果要将互联网服务覆盖到某一区域,只有发射大量的气球,让它们高高飘浮在空中才能做到。现在,团队可以更好控制气球,最终,只需要几个气球就可以将信号送到地表。坎迪多说:“我们没有必要将气球放在海洋上,专注用户就行了。”


机器学习在ProjectLoon项目中发挥了作用,在整个谷歌也是一样的,其它企业也大力引进机器学习技术,比如Facebook、微软和Twitter。这些企业集体朝着深度神经网络前进,深度神经网络的运行原理和人脑神经元有些类似。Facebook用深度神经网络识别图片,谷歌用它挑选搜索链接。放在过去,谷歌搜索算法是工程师手工编写的。现在算法可以自己学习,分析用户点击时生成的大量数据,通过分析用户的行为来学习。


谷歌气球项目并没有使用深度神经网络,它使用了一种比较简单的机器学习技术——Gaussian,尽管有所不同,其原理却是一样的。由此可以看出,深度学习只是AI革命的一部分,并非全部。在整个气球项目执行过程中,气球飞行了170万公里,谷歌从中收集了大量数据,用Gaussian处理之后,导航系统可以预测气球的行进路线,知道何时上升,何时下降,还可以判断何时将空气吸入气球。

 

预测很完美,至少大部分时间是完美的,毕竟同温层的气候太多变。坎迪多表示,同温层的气候已经算是比较稳定的,但是气球所遇到的不确定因素仍然很多,超过了团队的预计。他们只好增强导航系统,用所谓的“增强学习”来强化。做出预测之后,系统会不断收集数据,比如气球面对什么样的状况,什么管用,什么不管用,然后用数据调整气球的行进。

 

     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。

 

   今年夏天,他们在拉丁美洲的飞行试验中,成功地让他们的气球在秘鲁上空停留了98天。


        LOON气球是通过在零风层上下调整高度,以进入不同方向的风层来改变其运动方向的。从他们几百万公里的飞行测试中,已经开发出复杂的模型,能够帮助他们更加精确地预测不同高度的风场。使用这些数据,他们的软件算法可以决定何种高度的风层可以使气球尽可能地待在期望的区域。


        为了测试他们最新开发的导航技术,设计了一个大胆的气球飞行试验,从波多黎各发放,飞向秘鲁,并尽可能地在这个区域待更多的时间。经过最初12天的过渡,气球能够大部分时间维持在秘鲁的Chimbote市上空,高度为平流层的20公里,每天需要进行十几次高度调整操作以找到合适的风向使气球维持在这个区域。当风场模型不能使气球维持在目标区域上空时,他们的算法会选择另一个最佳选项,让气球飘到太平洋上空找到偏东的风层,可以帮助气球飘回他们期望的区域。最后,气球成功地在秘鲁上空停留了14周,在整个飞行过程中进行了大约20000次独立的高度调整的操作。


LOON气球就是通过里面的副气囊来调节高度


          在完成上述工作之后,他们的气球理所当然有点累了。于是,他们选择了秘鲁南部的偏远平原区域作为着陆点,在通知了当地空管部门之后进行了一个可控的降落,他们的当地回收合作伙伴迎接到这只气球返回地球!未来依然有很多测试工作要做,但是他们对LOON气球计划充满信心,一定会有越来越多的气球会在期望的区域来完成平流层之旅,为地面上的人们提供网络接入的!

 8.商业前景


       2013年,Loon30只测试气球出现在了新西兰的上空。从那以后,Google便一发不可收拾,开始陆续在澳大利亚、巴西、斯里兰卡以及印度尼西亚寻找对联网项目感兴趣的合作伙伴,兴致勃勃地为当地偏远山区的人们铺设气球驱动型互联网络。

        然而,除了一份被官方打上“加速运行” 标签的时间表,Loon至今还没有将互联网服务提供给任何世界上需要它的人群。


        2015年10月,Loon的一项新合作原本被期望会迎来真正的用户群,但也是从那个时候开始,关于X实验室的一系列动荡接踵而至:其他项目的高管陆续离职,实施裁员计划,另一姐妹工程——太阳能无人机被迫关闭……原因很简单,太费钱了,Other Bets每年亏损的几十亿让Alphabet与它背后的投资者开始变得不耐烦。在这一期间,虽然GoogleLoon的负面新闻较少,但在大部分时间里,它选择了“沉默”。


       在一次技术发布会上,当被问到气球们将在何时何地开启它们的正式服务计划时,X实验室虽然仍旧没有对具体细节透露一个字,但Teller的话却显然留有余地:事实上,我们已经在南美洲进行了大量测试,比如在秘鲁,气球就在其某个城市的上空滞留了98 天之久。在接下来的几个月里,我们可能会在某个地区找到电信合作伙伴,为真正的用户提供测试服务。接下来的几个月,我们是否能相信,GoogleLoon会为发展中国家带来一些不一样的东西?这不由让人想起1个月前,Tellor在接受期刊杂志IEEE Spectrum的专访时曾发表过一个独特的见解:


 “我们在开始做一件项目时,首先要想的不是‘你要解决的最大问题是什么’,而是‘这个项目不能成功的最大原因是什么’。”显然,Google支持Loon这个项目继续存在下去,而“是否能大幅降低气球成本”也让人有了期待。但是,还有另外一个重要的问题我们不能忘记放飞气球是否能比在偏远地区铺设基础设施更便宜(或者便宜非常多)?目前不得而知。既然Google是要跟当地网路供应商合作,而这些运营商们如果赚不了钱,是不可能在没有大量潜在上网用户的地区设置电缆的,同样道理,运营商会在这些地区使用气球来提供服务吗?而这,也是全球太多地区依旧处于离线状态的一个重要原因。但GoogleLoon是否能克服这个难题,支持者们只能在一旁,默默地关注着它的每一次动向。

参考文献


[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.超压气球研究与发展现状[C]//第二十四届全国空间探测学术交流    会,2011:3-4.

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

[9] 黄宛宁,祝榕辰,张强辉. Project Loon——谷歌的高空气球网络计划[J]浮空器研

      究,2014(4):11-13.   

[10]微信公众号:36氪,Google的LOON气球项目取得重大技术突破,那个敢于冒险的         Google又回来了!

[11]微信公众号:网优雇佣军,为什么说Google空中基站离商用不远了?

[12]微信公众号:凤凰科技,谷歌上网气球有了新的驾驶员,名字叫     

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