揭秘谷歌熱氣球項目：如何在32000米高空實(shí)現5000平方公里地面通信

救災的機會(huì )和技術(shù)成熟的時(shí)機看似巧合，其實(shí)必然。

上個(gè)月，美國的波多黎各遭受颶風(fēng)艾爾瑪的襲擊，其基礎設施包括通訊、電力等系統都遭到嚴重的損毀，兩周多過(guò)去了，當地的通信基站仍然沒(méi)有修復，但最終，這個(gè)問(wèn)題卻被Google的熱氣球解決了...

這個(gè)熱氣球來(lái)頭可不小，它隸屬于Google X實(shí)驗室的項目Project Loon，Google 的初衷是希望利用熱氣球為農村、偏遠和不發(fā)達地區提供廉價(jià)的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

那么從實(shí)驗室到實(shí)際應用，這個(gè)熱氣球項目又是如何一步步走向成功的呢？

Project Loon項目的前世今生

還得先從一家默默無(wú)聞的小公司說(shuō)起，Space Data是一家能夠在空中20英里（32公里）高度上發(fā)送攜帶小型基站氣球技術(shù)的公司。

Space Data研制的氣球

2008年的時(shí)候，Google考慮是和Space Data 合作還是直接收購，但最終Google沒(méi)有與之合作亦沒(méi)有收購它，不過(guò)卻因此有了Project Loon項目的萌芽。

2011年，Google X實(shí)驗室傳出孵化該項目的消息，2013年6月14日，Google才正式宣布成立該研究項目。

對此，Google X實(shí)驗室CTO理查德·德沃爾表示：“我們不想讓氣球隨風(fēng)飄動(dòng)，我們要的是讓氣球可以在我們的控制下飛到任何需要的地方。”

最初，在剛宣布之時(shí)，大家都戲稱(chēng)該項目是很Google范兒的研究項目，笑其太瘋狂，而Google對此的態(tài)度則是一副“別人笑我太瘋癲，我笑他人看不穿”的我行我素。

隨后幾年，Google X實(shí)驗室（重組后更名為X實(shí)驗室）不斷在新西蘭、巴西皮亞伊、印度尼西亞等多地的海島和偏遠地區進(jìn)行試驗，并試圖與當地政府開(kāi)展合作，為環(huán)境惡劣的地帶帶去通信網(wǎng)絡(luò )。

與大家的設想不同，這一看似“天方夜譚”的項目一直以穩定的節奏在進(jìn)步和落實(shí)。

不過(guò)一項研究的成功，最核心的要素還是技術(shù)。

如何實(shí)現通過(guò)Google氣球上網(wǎng)呢？

最新的官方數據顯示，目前X實(shí)驗室可以實(shí)現每30分鐘自動(dòng)發(fā)射氣球的頻率，氣球的飛行高度可超過(guò)1.9萬(wàn)千米，其中每個(gè)氣球在空中的飛行時(shí)間是190天，其通信覆蓋面積是5000平方千米，且氣球之間的數據傳輸距離可以超過(guò)100km，傳輸速度達到10Mbps，并且支持4G網(wǎng)絡(luò )。

Google氣球分為兩部分：氣球和氣球間組成Mesh網(wǎng)絡(luò )，氣球與地面站組成用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )。Project Loon采用的頻段為ISM非授權頻段，相當于一個(gè)露天大WiFi。

但即使Google采用了2.4GHz和5.8GHz非授權頻段，也并不意味著(zhù)你的手機可以直接連接到Google氣球，它并不直接支持WiFi，你需要在你家屋頂安裝一根專(zhuān)用天線(xiàn)來(lái)接收并解密信號后才能上網(wǎng)，類(lèi)似于衛星通信。

Google使出渾身解數解決三大技術(shù)難題

類(lèi)似于地面上的物聯(lián)網(wǎng)，每一個(gè)氣球是通信網(wǎng)中的一個(gè)節點(diǎn)，但是在高空中達到以上的標準和性能絕非易事。

首先，將氣球送到平均風(fēng)速為100km／h的高空平流層里，最先面對的就是挑選制作氣球材料。因為需要升入高空，所選的制作材料必須輕盈且耐壓；此外，在平流層高度，環(huán)境溫度將會(huì )達到零下90攝氏度，這就要求設備至少要有軍工級別的抗寒能力。

其次，氣球需要在空中停留將近兩百天，顯然沒(méi)有任何電池可以持續供電200天，所以每一個(gè)氣球內的供電裝置需要充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能，且其儲能設備和供電設備要能夠形成良好的互補。

隨之而來(lái)的是，當所有氣球被發(fā)射到高空中，怎樣確保多個(gè)氣球之間形成穩定的局域網(wǎng)，而不受風(fēng)的影響？甚至更進(jìn)一步，怎樣按照德沃爾的想法，以設定好的軌跡移動(dòng)呢？

這里研究團隊充分利用氣流流動(dòng)，并搭配方向判斷的算法模型來(lái)實(shí)現控制。Google正在通過(guò)機器學(xué)習，讓氣球根據高度、位置、風(fēng)速、時(shí)間等變量來(lái)對平流層的狀況進(jìn)行預定的反應，以實(shí)現對氣球運動(dòng)方向的調控，但是現實(shí)中會(huì )有很多突發(fā)狀況，所以研究團隊仍然在不斷改進(jìn)。

另外如何實(shí)現對氣球高效的發(fā)射和回收也是問(wèn)題，X實(shí)驗室為此設計了自動(dòng)發(fā)射臺，確保了設計上可以達到較高的發(fā)射效率，來(lái)保證應用過(guò)程的便利；而回收過(guò)程，他們則借助于GPS定位，實(shí)現對氣球下落位置的精準定位，并遠程控制氣球氣體的自動(dòng)釋放，讓其回落到受控下降的地面。

值得一提的是，據X實(shí)驗室的發(fā)言人所言，最為麻煩的事情是在緊急應用過(guò)程中的通信技術(shù)接入問(wèn)題。

從給出的數據綜合來(lái)看，Project Loon項目雖然稱(chēng)不上完善，但已足夠出色。不過(guò)，雖有技術(shù)做保證，其實(shí)Google在項目的應用過(guò)程中依然是各方面碰壁。

技術(shù)之外，政府不配合，項目頻頻碰壁

在2013年項目正式成立后兩日，Google就開(kāi)始在新西蘭進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗，與南島的特卡波地區的民航局協(xié)調啟動(dòng)了30個(gè)氣球，于是基督城坎特伯雷及周?chē)貐^約有50名本地用戶(hù)使用特殊天線(xiàn)測試與空中網(wǎng)絡(luò )的連接。

在初次實(shí)驗成功之后，Google表示，他們計劃發(fā)送300顆氣球，向新西蘭、澳大利亞、智利和阿根廷提供報道，谷歌希望最終能夠在平流層中飛行數千只氣球。

后來(lái)，因政府提供的數據質(zhì)量下降和政策因素等多方面限制，此事便不了了之，但Google并沒(méi)有放棄。

2015年7月28日，Google與斯里蘭卡信息通信技術(shù)局（ICTA）的官員簽署了大規模推出技術(shù)協(xié)議，并希望一年后可以實(shí)現大規模覆蓋。但在今年1月，當地的一名部長(cháng)稱(chēng)Project Loon項目違反相關(guān)法律而無(wú)法繼續推進(jìn)。

實(shí)施過(guò)程中，條約法律的限制導致該項目的頻頻碰壁成為常態(tài)，究其本質(zhì)，政府對該項目的通信和信息安全的顧慮成為這一項目推進(jìn)的巨大阻力。

此前，在5月份的秘魯水災中，Google成功的在秘魯部署，不過(guò)這次波多黎各救災Google沒(méi)有事先與當地的通訊公司進(jìn)行信號對接，對此，X實(shí)驗室的發(fā)言人表示：“我們能夠快速連接秘魯災區，因為我們已經(jīng)在與國際電信公司Telefonica緊密合作進(jìn)行了一些測試，在波多黎各這種情況下，事情有點(diǎn)復雜，因為我們的一切部署都必須從頭開(kāi)始。”

所以這一次災區的需求成為該項目得以大展身手的絕佳機會(huì )，但此前Google為項目應用所做的努力絕不僅是一種實(shí)戰經(jīng)驗的積累，更是一種鋪墊。

波多黎各災區成功的部署，也是一次成功的廣告秀

一方面，波多黎各災區的救援讓Project Loon聲名大噪，另一方面，Google的加入也將波多黎各推上了科技網(wǎng)站的熱搜。

幾乎同一時(shí)間，借著(zhù)這股熱，Facebook的CEO扎克伯格通過(guò)Facebook的VR產(chǎn)品Spaces，生成了波多黎各救災活動(dòng)的360度全景視頻。在視頻中，扎克伯格通過(guò)VR卡通形象對波多黎各救災行動(dòng)進(jìn)行解說(shuō)，而視頻公開(kāi)后，收到的卻是大家的廣泛抨擊。

Google和Facebook的表現，從旁觀(guān)者來(lái)看，其實(shí)都是借機為自己的產(chǎn)品打廣告，Facebook的打廣告方式在實(shí)施過(guò)程實(shí)在是有欠火候，而Google選擇的方式卻恰到好處。

對于科技公司來(lái)說(shuō)，從戰略上考慮，災區重建是一次重大部署的機遇，因此不止Google和Facebook，甚至馬斯克和美國各大科技公司都表示希望能夠盡自己的綿薄之力幫助災區。

而此次Project Loon的救災實(shí)質(zhì)上算不上真正意義上的部署，該氣球是靈活可拆卸的，通信網(wǎng)絡(luò )也是接入當地的運營(yíng)商，且最終是否能夠留存在波多黎各的上空將完全取決于美國政府的決定，因此對于Google而言，實(shí)在不能說(shuō)是一次大規模部署，倒是一次結結實(shí)實(shí)的打廣告行為。

Google借一次應急措施來(lái)取得政府和公眾的信任，未來(lái)，相信Preject Loon項目頻頻碰壁的狀況將會(huì )有大的扭轉。

總結

2015年的重大重組之際，Google創(chuàng )始人佩奇就曾表示過(guò)，Google是一家有野心的公司。所以我們可以大膽猜測，這僅僅是一個(gè)開(kāi)始，在取得大家信任之后，Google的最終目標是能夠在全球所有通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)法覆蓋的地方布滿(mǎn)該氣球，真正實(shí)現自己想要的部署，獲取相關(guān)的數據資源，實(shí)現Google的全球布局。

備注：2015年，Google結構重整后更名為Alphabet，Google X實(shí)驗室也并入Alphabet的業(yè)務(wù)，為方便閱讀，全文采用Google來(lái)代替原先的Google和現在的Alphabet。

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