為什麼說Google空中基站離商用不遠了？

Google氣球並不神秘，打開Flightradar24應用就可發現它們。

▲巴西上空漂浮的三個Google氣球

這款提供全球實時航班信息的應用，也會顯示Google氣球的飛行信息。Google氣球上安裝了ADS-B接收器，也會像所有民航機一樣，其飛行軌跡和信息都會顯示於這款APP上。所謂ADS-B，即民航機識別碼信號，其原理是裝有ADS-B系統的民航機會不停的以廣播方式向地面接收站和其他飛行物發出其GPS位置、航班編號、高度、速度等信息。

▲Google氣球的飛行軌跡

和民航機不一樣的是，Google氣球顯示的類型為「BALL」，呼號以「HBAL」開頭，在地圖上顯示的圖標也為氣球狀。

眼瞅著這些漂浮於平流層的神秘氣球，掐指一算，Project Loon項目從公開試驗至今已有4年了，進展到底如何？

1 機器學習+Google氣球=加速商用步伐

前幾天，Project Loon項目組發布了一則令人興奮的消息，稱Google氣球引入了藉助機器學習和大數據技術的新移動演算法，已經可以控制氣球移動和停留，讓氣球集中在網路需要的地方。

這是一項突破性的進展，毫不誇張的說，這將飛躍性的加速Google 氣球的商用步伐。

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）網路，作為陸地終端上網的回傳。

▲漂浮於平流層的Google氣球組成Mesh網路回傳

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演算法剛好克服了這一障礙。新移動演算法可以高效引導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網路，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。

另一條令人震驚的消息是，早在去年9月份，Google氣球已經實現了在秘魯上空滯空98天之久。

2 最早商用的空中氣球基站——SkySite

利用氣球作為「空中基站」提供無線網路的想法並不新鮮，早有人實現了。

過去60多年裡，美國氣象部門每天要發送70隻氣象氣球來收集天氣信息。2001年，一家叫Space Data公司的創始人Jerry Knoblach突發奇想，嘗試在氣象氣球上安裝「基站」，向偏遠山區提供空中通信網路，這一項目被稱為SkySite。

▲Jerry Knoblach和他的SkySite

SkySite當時也是轟動一時的新聞，小編還找到了當年某報刊的頭版報道…

SkySite採用Motorola雙向無線數據鏈路協議，使用910-940MHz上的1.7MHz帶寬，無線收發設備就掛在氣球下面，氣球總重1.5公斤，充氣后寬約7.6米，可覆蓋直徑670公里範圍。

▲SkySite組網圖

Jerry Knoblach是個非常聰明的商人，他用了極其簡單的辦法實現了空中網路商用。氣球的成本極低，採用可生物降解的合成乳膠製成，只能在空中滯留24小時，隨後自行銷毀。在氣球銷毀之前，這家公司會發一條指令給氣球下掛的無線設備，設備收到指令后，自行從氣球上斷開，目的是為了回收設備。無線設備由塑料泡沫包裹，且配備了小型降落傘，防止設備掉落地面時損壞。

遺憾的是，當時這家公司無法精確定位這些設備到底掉在哪裡了，Jerry Knoblach每次都得雇傭大量的廉價勞動力幫他搜尋設備。

SkySite主要服務於油氣開採等領域中的遙測、監控等應用。2013年的時候，SkySite還準備與其他公司合作來提供LTE公共安全網路，後續發展如何，沒有細查。

這種SkySite也曾應用于軍方，主要適用那種24小時內完成的特別行動，不過頻段採用的是225-400MHz。

值得一提的是，早在2008年，Google還沒對外公布Project Loon項目時，有國外媒體消息稱，Google正在考慮和Space Data合作。當時Space Data已經在一些偏遠山區為一些公司提供無線服務了，據稱每天要發送20個氣球，一個氣球提供的信號範圍相當於40個基站的覆蓋區域。

3 空中Mesh組網

2009年，日本Iwate Prefectural大學的一個研究小組做了進一步設想，將空中氣球組成Mesh網狀網路來為地震災害后提供臨時應急網路。

這一設想的組網結構是由空中載有無線設備的氣球組成網狀的自主網路。這些氣球通過檢測電磁場的功率密度來實現自我配置，它們總是選擇附近功率密度最強的氣球來建立連接。一旦某個氣球被大風吹走或損壞，便重新和新的相鄰氣球自動建立連接，這確保了Mesh網路的穩定性。

▲空中Mesh組網

這一組網結構實際上分為水平面的Mesh組網和垂直網路兩部分，Mesh網路採用IEEE 802.11j協議，垂直網路採用IEEE 802.11b,g協議。具體參數如下：

4 Google氣球到底是個什麼鬼？

Google的Project Loon實際上可以理解為SkySite和空中Mesh組網的融合。

Google氣球和SkySite有相似之處，也有不同的地方。它同樣在氣球下方掛無線收發設備，不過為了持續在空中停留，增加了太陽能面板以供電，且氣球充氣后更大，寬約15米，高約12米。下掛的無線收發設備由電池、天線、GPS、通信部件、存儲設備、高度感應、天氣監測等部件組成。

▲Google氣球的組成

白天，Google氣球利用太陽能供電，多餘的電能給蓄電池充電，晚上由蓄電池供電。但是，這些電能完全不介入控制氣球移動，因為Google氣球的設計原則是漂浮於平流層，藉助平流層的風力隨風移動。

平流層位於對流層和中間層之間，高度是距離地表10千米到50千米之間。一直以來，平流層被認為是一塊非常有利用價值的空域。該空域大氣不對流，以平流運動為主，飛行物在其中受力穩定，比如飛機就是飛行於平流層。不過，Google氣球的高度約為20千米，比飛行高度為9到12千米的飛機更高，這避開了飛機，大可不必擔心飛機撞上氣球。另外，大多數的天氣現象都發生在對流層，其位於Goolge氣球的下方，因此Google氣球還能避免受惡劣天氣的影響。

和廉價的SkySite氣球不同的是，Google氣球氣囊採用一種厚度只有0.076毫米的特製聚酯薄膜製成。在這個氣囊里還有一個充氣裝置，由一個球膽和風扇組成。當氣球需要下降時，風扇向球膽充氣，使之重量上升，氣球下降，反之亦然。該球膽可讓Google氣球上下移動1.7千米範圍，以適應平流層的不同風速。

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網路，氣球與地面站組成用戶網路。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后才能上網，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網路將信號轉發並連接到陸地上的本地互聯網，反之亦然。當然，這個由氣球組成的Mesh網路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。

▲安裝在居民屋頂的專用天線

▲地面站

5 Google氣球的Mesh組網技術

很遺憾，Google一直保持神秘，並未公布其空中Mesh組網演算法。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路的網狀網路標準，就提出了稱為IEEE 802.11s 延展服務集網狀網路。

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網路中，採用網狀Mesh拓撲結構，也可以說是一種多點到多點的網路拓撲結構。在這種Mesh網路結構中，各網路節點通過相鄰的其它網路節點以無線多跳方式相連。

Mesh網路定義了三種節點：MPP（Mesh Portal）、MP（Mesh Point）和MAP（Mesh Access Point）。MPP連接外部互聯網；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網路的AP。

去年，Google發布的Google WiFi就是一款支持802.11s mesh網路標準的無線路由器。

無線Mesh網路是一個很好的想法，但依然有人覺得這太費事了，主要是在一些偏遠山區組網和維護不方便。2012年，瑞士伯爾尼大學的Simon Morgenthaler等人提出了一個更超前的概念——利用空中無人機組建Mesh網路，他們稱之為UAVNet，其原理就是無人機之間採用IEEE 802.11s標準組成空中Mesh網路。

UAVNet概念的主要貢獻是，他們提出了一種空中Mesh網路的組網演算法。大概原理是，一架無人機首先從某地面節點出發升空，並檢測離自己最近的另一個地面節點，然後，這架無人機飛到這兩個地面節點的中間點，以出發點的地面節點為參考點，向其方向緩緩移動，直到收到來自出發點的地面節點的信號強度達到某一預定義的門限。

接著，另一架無人機開始升空，其移動原理類似，只不過將前一架無人機作為新的參考點。

簡單的講，Google氣球的技術原理並不新鮮。事實上，早在2013年，當Project Loon在紐西蘭完成首次試驗，宣稱網速可達3G速率時，很多業內專家就認為，該項目最大的挑戰並非技術問題，而是各國飛行領空的許可問題。畢竟，並不是所有國家都希望一家美國公司的氣球漂浮在自己的領空上。

而今，如果Google氣球的新移動演算法已經能控制氣球移動和停留，使氣球可以集中停留在網路需要的地方，這就繞開了領空許可的障礙。也許，離商用的日子就不遠了。

就在上個月，Google已經終止了太陽能無人機網路項目Titan，他們稱更看好利用氣球建5G網路。集中發力Project Loon，Google的空中網路夢想還有多遠？

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