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谷歌Project Loon 可能改變未來通信世界?

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科技產業資訊室 (iKnow) - Chen & Tzu-Ying 發表於 2015年7月28日
前言:Google X Lab提出了Project Loon 專案計畫,並2013年6月在紐西蘭實地釋放引起全世界矚目,Project Loon是什麼呢?其計畫目的為何呢?Project Loon是一個空中無線基地台的實驗性計畫,計畫內容是以熱氣球當作網路熱點的方式,在難以鋪設網路線的地方提供長期且價格低廉的網路服務,時至2015年的今天,Project Loon這個計畫現今發展情形為何?Project Loon計畫若是成功又將如何改變世界呢?

Project Loon的計畫目標

Google X Lab提出了一個空中無線基地台的實驗性計畫,名為Project Loon 專案計畫,其計畫內容為釋放熱氣球群到距離地表20公里處的平流層中,使搭載無線接受器的熱氣球成為網路熱點而成的無線網路網(圖一),並大量運用Google最擅長的演算處理能力,使之能大範圍的遍布並精準地提供網路服務,此服務將不受地形與建築物遮蔽等影響,除此之外,Project Loon主要目的在為相較貧窮且無力負擔在地底全面鋪設網路線費用的國家(如:第三世界國家、發展中國家等)提供長期、穩定、價格低廉的無線網路服務,使這些地區的民眾也能夠透過網路與全世界互動、進而利用網路學習,使民眾與學童不受經濟與環境的限制,成為地球公民的一份子。

圖一、Project Loon利用熱氣球無線網路網
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Project Loon的研發歷程
在歷經18個月的研發後,Google Project Loon 在2013年六月於紐西蘭初次成功釋放30個實驗熱氣球到距離地表20公里高的平流層中,接著又於2014年四月,利用22天使熱氣球環遊世界一周,Google表示技術已可使熱氣球在五分鐘內充氣完成,且一天能釋放約20個熱氣球升空,同時可以使熱氣球停留在空中長達100多天,最高紀錄為130多天,並可確實監控每個熱氣球的位置與高度,以確保無線網路的穩定與鋪設範圍,到底Google Project Loon是如何做到的呢?

Project Loon的技術發展
熱氣球被釋放到距地表20公里處的平流層中,大約是對流層頂端(10公里)的兩倍距離,也是一般飛機飛行高度的兩倍高,其位置關係如圖二所示。因為有99.9%的大氣密度在對流層,因此這個高度(20公里處)大氣層稀薄,可不受氣候影響(主要影響來源為太陽光的變化),氣溫約為-50°C,有著穩定的風速使得熱氣球可用2.24-8.94m/s的速度前進,且因為沒有遮蔽物的影響,可以利用太陽能板得到充足並穩定的能量來源。

圖二、熱氣球被釋放到距地表20公里處的平流層
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熱氣球本體由三個部份組成:氣球體(balloon envelope)、當成動力來源的太陽能板(solar panels)和電子設備(electronics)等,再加上設置在地表的天線和控制中心(control system)成為完整的系統。氣球體的外觀如圖三所示,它位於熱氣球的頂端,由厚度0.076mm的polyethylene plastic所構成,當充滿氣體升空時,寬為15公尺,長為12公尺,若要從平流層回到地面,就從氣球體中釋放出氣體使之降落到地面,為了避免放氣時造成失速,在氣球體外部加上降落傘構造,圖四為其整體樣貌。

圖三,熱氣球球體(Balloon envelope)的位置與外觀
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圖四、熱氣球的整體飛行樣貌
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熱氣球位於平流層,有穩定太陽光來源並不受氣候影響,因此高效率的單晶矽太陽能板成為最重要的動力來源;熱氣球在移動時會隨著風飄移,所以兩片太陽能板陣列用面對面的方式排列,使得不管熱氣球往哪個方向旋轉都能得到穩定且足夠的能量,在足夠的太陽光照射下,其能量功率高達100瓦,並在白天能量充足時儲存在電池中,提供熱氣球在晚上移動時所需的能量,由於太陽能板提供強大的功率,Project Loon 所有消耗的能量來源都是再生能源。
圖五說明熱氣球電子設備的位置,其位置在整體構造的底部,被兩片動力來源的太陽板包覆在內,為一個重量10公斤重的盒子,盒子內部包括:控制系統的電路板、無線電天線(Radio antennas)、Ubiquiti Networks Rocket M2系統以連接熱氣球間的通信和熱氣球和地面控制中心的通信、鋰電池儲存能量以供熱氣球晚上飛行使用。圖六為是位於地面的天線照片。

圖五、熱氣球電子設備的位置
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圖六、位於地面的天線照片
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Project Loon飛行高度的控制方式
在熱氣球升空至平流層的目標位置後,位於地表的中控中心能夠利用GPS確實監控每一個熱氣球的位置與高度,再利用Google最擅長的軟體演算法來評估每個熱氣球必須前往的地點,而熱氣球們是如何精準地到達所需位置呢?Google利用National Climate Data Center (NCDC)提供的氣流資訊來控制熱氣球,一般而言,熱氣球在空中的移動方式如圖六(a)所示,不同的熱氣球隨著所在位置跟隨著不同方向的氣流移動,若要改變原有的移動方向便藉由氣球體的充放氣調整氣球高度到所需方向的氣流位置,使氣球隨著新氣流方向前進,在此以圖七(a)最上方的熱氣球為例;此氣球原行進方向是往左,釋放球體的氣體使它高度逐漸降低,如圖七(b),當高度低至向右氣流的位置時,便可隨著向右方向的氣流漂至所需位置,其示意圖為圖七(c)。

圖七、熱氣球飛行示意圖
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Project Loon的連接與通信方式
而圖八說明了Project Loon的兩種通信方式:一、熱氣球與熱氣球間的通信(Balloon-to-balloon communication),可把數個熱氣球的資訊傳遞到某個主要熱氣球,再由此主要熱氣球把資訊傳遞給地面;二、熱氣球與地面的通信(Balloon-to-ground communication),如圖九所示,可將地面控制中心的指令傳到熱氣球外,也可將熱氣球蒐集到的資料傳到地面控制中心;表一為其通訊規格的整理。

圖八、Project Loon的兩種通信方式
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圖九、氣球與地面的通信(Balloon-to-ground communication)的說明
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表一、通訊規格
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Project Loon的現況與競爭對手
Project Loon計畫至今已有三年多,Google X Lab 運用現有的科技技術加上擅長的演算法提供了一個有創意且具經濟效益的無線網路鋪設專案,由官方釋放出來的資料也相較其他專案完整,當然本計畫也遇到了一些問題,如:熱氣球在空中最久僅能100多天、當熱氣球在難以到達的地方故障時的維修問題等,然而最大的問題卻不是技術上的,而是有些國家不歡迎Project Loon計畫,在熱氣球通過其領空時因為軍事和領土考量不願意頒發許可證。除此之外,Facebook也推出了 Drone Titan成為Project Loon的競爭對手,以標榜著能提供速度更快範圍更廣的網路訊號,及能在空中待長達五年以上為賣點,可是硬體設備更為強大的Titan所需成本也遠遠超過Project Loon,表二為Loon和Titan的性能比較表。
Google 發揮創意整合其最擅長的軟體演算法技術推出了Project Loon向全世界展示全新的無線網路提供方式,具有成本低廉、低技術難度等特點,若待現有的瑕疵改進後,且越來越多的國家接受此專案所提出的方式,屆時將改變提供無線網路的方式,也將使電信業者、網路使用者造成衝擊。(2080字;圖9;表2)

表二、 Google Loon vs. Titan
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參考資料

 [1] Google Project Loon官方網站https://www.google.com/loon/

 [2] Project Loon ”Project Loon: Scaling up”April 17 2015
https://www.youtube.com/watch?v=HOndhtfIXSY

[3] Kavindra Kumar Singh”Google Loons”Journal of Global Research Computer Science & Technology (JGRCST)Vol-Ⅱ,Issue-Ⅱ,October 2014
http://globalresearch.co.in/Global%20_Research_Vol_II_Iss_II_5.pdf 

 [4] Soujanya Katikala” GOOGLE™ PROJECT LOON”InSight: RIVIER ACADEMIC JOURNALVol 10, Number 2, Fall 2014

https://www.rivier.edu/journal/ROAJ-Fall-2014/J855-Katikala_Project-Loon.pdf

 [5] http://www.ijirt.org/paperpublished/IJIRT100644_PAPER.pdf

 [6] Ben Popper” Google's balloons versus Facebook's drones: the dogfight to send internet from the sky”The VergeMarch 72014

http://www.theverge.com/2014/3/7/5473692/facebook-drone-titan-aerospace-project-loon

 [7] Ping West兩萬公尺的高空,Google 如何操控 Project Loon 氣球?Tech NewsMarch 122015
http://technews.tw/2015/03/12/how-google-controls-project-loon/

 [8] Doowon Kim” A Survey of Balloon Networking Applications and Technologies” CSE570S: A Surveyof Balloon Networking Applications and TechnologiesDecember 202013
http://www.cse.wustl.edu/~jain/cse570-13/ftp/balloonn.pdf

 [9] Project Loon” Ask Away: How do the balloons move up and down?”August 142013
https://www.youtube.com/watch?v=E4D0c6yQftc


Project Loon 後續報導

 

  • Google收購Titan無人機公司

  20144月,Titan Aerospace在與Facebook談判收購之際,竟然被Google捷足先登,將Titan無人機公司納入Google旗下。Google買下Titan Aerospace的目的,主要為了輔助Project Loon計畫外,也打算用來協助Makani風力發電飛機的開發。

 

參考資料:
Marco So, “Google
出價強壓 Facebook,買下 Titan Aerospace 無人機公司!”, ENGADGET, 2014/04/15

http://chinese.engadget.com/2014/04/14/google-titan-aerospace-drone/

 

 

  • Project Loon 協助斯里蘭卡提供4G LTE服務

Project Loon與開發中國家斯里蘭卡合作,使斯里蘭卡政府能在可負擔的金額限度內提供國民可負擔的高速上網服務,在數個月後,能提供4G LTE的服務,使斯里蘭卡與世界接軌,也使世界認識斯里蘭卡的文化與傳統。

 

參考資料:
劉莞青, “Google氣球正式升空 斯里蘭卡全國覆蓋4G”, YAHOO! 奇摩新聞, 2015/07/30

https://tw.tech.yahoo.com/news/google%E6%B0%A3%E7%90%83%E6%AD%A3%E5%BC%8F%E5%8D%87%E7%A9%BA-%E6%96%AF%E9%87%8C%E8%98%AD%E5%8D%A1%E5%85%A8%E5%9C%8B%E8%A6%86%E8%93%8B4g-091100726.html

 

 



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