肯尼亚电信将利用Loon的高空气球提供移动电话服务

IEEE电气电子工程师学会 2019-03-21 18:30

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Loon公司将在平流层为肯尼亚农村

的数百万人口提供移动电话服务

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肯尼亚是一个移动电话大国。肯尼亚拥有近5 000万公民,约有4 300万人使用移动电话,也就是说,这个东非国家的移动电话使用率高居世界第33位。相比之下,肯尼亚只有不到7万条固定通信线路。

然而,除了内罗比这样的大城市外,肯尼亚的移动电话基础设施非常匮乏,因此,2019年电信运营商肯尼亚电信将使用Alphabet子公司Loon建造的高空气球提供移动电话服务。

“实际上,高空气球是解决这个问题的最合理方式,”Loon公司工程部主管萨尔•坎迪多(Sal Candido)说,“它们在很高的地方,能覆盖很大面积,并且没有障碍物。”这很简单,但是坎迪多补充道,气球要在平流层的固定位置为一个地区提供几百天的服务,直到被替换。

坎迪多已为Loon的项目工作了5年,而Loon公司的工作(当时还被称为Loon项目)在2018年7月才从Alphabet的研发子公司X独立出去。坎迪多一开始开发气球的导航系统,这是将想法变为现实需要解决的一个主要问题。

坎迪多在Loon期间,导航气球的挑战发生了巨大的变化,因为这些年对Loon如何运行的认识也发生了巨大的变化。

坎迪多说:“一开始我们对Loon的运行原理有着不同的概念。当时我们的想法是让大量的气球升空,它们就像漂在河上的树叶一样随波逐流,绕着地球移动。”工程师们想象,在环绕地球一周后,气球所在的位置将与它们一开始所在的位置大致相同。这样,气球就可以排成一长列环绕地球,同时,还可以在空中相互替换覆盖范围。

随着Loon试飞的气球越来越多——该公司的气球航行已超过3 000万公里——工程团队认识到他们可以控制气球飞行的位置。“有时候,最浅显的答案很晚才会出现。”坎迪多说,“气球为什么就不能一直固定在覆盖范围内呢?”后来证明,在合理的持续时间内,这是可能的,至少在大多数地方是可能的。

“我认为,Loon项目的优势是恰好位于热带地区,”马萨诸塞州列克星敦大气与环境研究中心顾问、气象学家乔治•莫迪卡(George Modica)说。莫迪卡表示,有两种情况可能会对气球的航行路线造成影响:一种是高纬度气象现象,称为极地涡旋,另一种是风经过高山时所产生的平流层效应。Loon很幸运,肯尼亚不存在上述两种情况。

Loon的每个气球实际上是将两个气球套在一起。外部气球充满氦气,可以为整个气球提供所需的升力,内部是一个填充空气的气球,可以充气或排气。当内部气球充气膨胀时,外部气球中的氦气受到挤压,密度升高,从而降低升力。通过这种方式,Loon的工程师可以利用不同高度的风来控制气球的高度,使其能够移动到需要的地方。

工程师们已经可以很娴熟地使用这个导航系统,他们现在可以在千里之外将气球导航到达目的地。在一次测试中,他们对从新西兰发射的气球进行精确导航,使其为阿根廷和澳大利亚的目标地区提供移动电话服务。实际上,为肯尼亚各地提供移动电话服务的气球将从波多黎各升空,穿越大西洋,到达最终目的地。

“将气球从波多黎各送到肯尼亚,这听起来确实有点奇怪。” 莫迪卡说,“但这与让气球固定在同一位置的导航没有什么本质区别。”它们的原理是一样的:升高或降低气球的高度,捕捉它所需要的风。

除了对气球进行导航外,Loon还克服了其他挑战,才最终使整个系统成功运行。当手机连接到传统的地面信号塔时,非常简单。毕竟信号塔是不会移动的。

但气球就不一样了,它们一直随着平流层的风不断漂移。“问题的特别之处在于,所有的网络节点都在不停地移动。”坎迪多说。为此,Loon的工程师开发出了能够使网络匹配不断变化的配置方法,以保证数据的移动性。

在不同气球之间传输数据采用的是点对点毫米波通信技术。每个Loon气球都带有一个由碳复合材料制成的三角形吊舱,吊舱内除了放置有为一个地区提供LTE覆盖所需的所有通信设备外,还有3个安装在平衡架上的毫米波无线设备,每个无线设备差不多有沙滩球大小。平衡架可使毫米波无线设备灵活地与网络中最近的气球保持直接的高宽带连接。因此,气球网络不需要大量的地面基础设施即可运行。

2017年,在飓风玛丽亚之后,Loon在波多黎各部署气球时,每个气球都连接到了自己的地面站。据坎迪多说,这种方法对岛屿来说效果很好,但波多黎各比肯尼亚要小得多。他指出,如果在大范围内为每个气球设置一个地面站,那还不如不使用气球,直接投资建设地面基础设施好了。

正因如此,Loon在2018年9月宣布了一项惊人举措,通过加州上空连成一排的7个气球,公司成功将数据接力传输了约1 000公里。有了这项成果,城市地面站的数据将能够发送到空中的气球上,然后再传递到更远的其他气球上。为了在肯尼亚实现这一目标,Loon已经开始在内罗毕和纳库鲁建造地面站。

Loon公司计划在完成2019年测试任务的一半后,由肯尼亚电信开始使用气球网络向该国农村地区的数百万人提供移动电话服务。首次实现这样的永久部署后,应该能够让持怀疑态度的人相信,这种方法并没有那么疯狂。

文章来源:悦智网。发表在IEEE Spectrum上的英文原文可点击“阅读原文”查看。

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