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Google Project Loon看高空通讯平台发展趋势
气球基地台 网络发送中

【作者: 吳顯東】2014年02月18日 星期二

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2013年6月16日Google在纽西兰基督城进行计划名为「Project Loon」的高空通讯平台先导性实验,共释放30个以高空气球为载具的高空通讯平台,并在客户端装设无线信号接收器,提供因特网服务。



图一 : Google X部门提出Project Loon,利用高空通讯平台技术,提供便宜的高速网络服务。
图一 : Google X部门提出Project Loon,利用高空通讯平台技术,提供便宜的高速网络服务。

Google Project Loon的研发初衷是弭平数字落差。目前地球仍有2/3的人没有网络连接能力,无法取得可以协助他们提升竞争力的信息,即便是已开发国家,也有不少人因为居住在偏远地区,网络布建不易,而产生严重数字落差。因此Google X部门提出Project Loon,希望发射上千个高空气球,在同一纬度上环绕地球一周,利用高空通讯平台技术,提供便宜的高速网络服务。


Project Loon的高空气球直径15公尺,高12公尺,下面吊挂一片篮球板大小的太阳能电池板,在其下再吊挂通讯载具,内容包括计算机、GPS、充电蓄电池及无线收发装置,除此之外还有一个降落伞,以便通讯平台失效降落时,可以回收。



图二 : :Project Loon结构
图二 : :Project Loon结构

高空气球飞行高度约在地表上方20公里的平流层(又称同温层)。平流层的风速较低也少有乱流,每小时约为9~32公里,因此气球漂移的速度较慢,要对抗气流的螺旋桨动力需求也较低。


其次,平流层的高度远高于商业飞行高度的两倍,因此不会干扰飞行器,也在云层之上,因此不会受云、雨、雷等气象的影响。另外,平流层高度远低于低轨人造卫星(Low Earth Orbit, LEO),不需要长的天线,可以使用既有的无线通信技术,如3G、WiMax等。不过,Google是用自己发展的无线技术。



图三 : 高空气球飞行高度约在地表上方20公里的平流层(又称同温层)
图三 : 高空气球飞行高度约在地表上方20公里的平流层(又称同温层)

为了让高空气球能待在一定区域内,Project Loon运用相当有创意的技巧。由于平流层温度上高(约80℃)下低(约-50℃),气流流动方向随高度而变化,较低层的气流顺着下方对流层气流移动,较高层则反向流动。Google以其本身优异的运算技术,藉助美国海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的数据系统,透过软件运算,指导气球升降在同一区域来回移动。


Project Loon所用的通讯频段为ISM频段(Industrial, Scientific and Medical)中的2.45GHz和5.8GHz两区段,每个气球最多可以与另外五个气球联机,构成一个网络。每个气球可用讯号涵盖范围约1250平方公里,约五个台北市大。太阳能电池板效率在日光充足条件下,有100W的发电效率,可在4小时内充满一日所需的通讯电力。


Google Project Loon的概念其实是已经发展十几年的高空通讯平台,因此本文接下来将进一步分析HAPS技术及发展近况。


高空通讯平台技术简介

高空通讯平台(HAPS)利用飞行载具于地表17~22公里处的平流层与地面通讯,故又称做平流层通讯(Stratosphere Communications)。平流层通讯有非常多的优点:


高覆盖通讯区

由于通讯平台位于20公里处的高空,直视性(Line of Sight, LoS)高,因此每一个高空通讯平台有效通讯范围可涵盖直径最高可达400公里(5°仰角)的通讯区,远比任何地面基地台都要高上数十倍。若在平流层安置250个通讯平台,可以涵盖全球90%以上的人口。此外,亦可提供高通讯容量,若使用47~48GHz频段中300MHz宽的频带,并以1bit/Hz的传送效率来计算,则每个平台可提供600万个数字电话使用容量,或18.75万个E1(2Mbps)速度的宽带通讯。


通讯距离短

由于通讯平台仅位于20公里处的高空,是低轨卫星的1/40、中轨卫星的1/400、同步卫星的1/1800,因此讯号衰减幅度远低于人造卫星,延迟时间(Latency Time)也仅0.5ms,也可使用目前主流的3G/WiMax/4G等通讯技术,所需收发天线短,因此有利于通信终端的小型化及双工化。


机动性高

以飞行器为载具,可以随时机动调派至高容量或紧急通讯需求区,不受高山、湖泊海洋之地理限制。例如若预估某地区会有突发大量通讯需求时(如大型集会等),即可预先调派飞行之该处高空,提供临时通讯容量。发生紧急自然灾变时(如921大地震),也可紧急调派至该区,替补受损之通讯系统,提供紧急救援所需之通讯。


通讯价格低廉

高空通讯平台造价低廉,不到人造卫星的1/10,而且发射容易,所需发射场地小。此外,服役一段时间后,可以回收维修后再度服役。每个平台均可独立运作,也可彼此串连成网络,因此建设周期短,初期投资小,也可以提供低廉成本的通讯服务,甚至比布建光纤等地面通讯都还便宜。


飞行载具

高空通讯平台需要载具让通讯设备能悬挂在高空中运作,目前研发中的载具主要有三大类,分别是高空气球、飞船与无人飞机。



图四 : 高空通讯平台需要载具让通讯设备能悬挂在高空中运作
图四 : 高空通讯平台需要载具让通讯设备能悬挂在高空中运作

高空气球

以氢气或氦气填充的高空气球是发展最早的载具,气球材质为聚乙烯,造价便宜,最高可承载重量为6000磅(约2,720公斤),飞行高度约可达40公里。早期以军事、气象及科学研究用途为主。最有名的厂商是Aerostar International Inc.,此次Google Project Loon所采用的高空气球即为该公司产品。


高空气球最主要的问题是寿命短,一般仅有数星期,目前最高记录约55天,而且不易控制方向。目前业者的做法是加上回收降落伞,减缓负载物落地的冲击,并附上回收电话号码及奖励,鼓励捡到负载物的民众通知释放部门前来回收。


飞船

飞船以氦气为填充物,长度一般在60公尺以上。两侧或下部则装有动力螺旋桨以对抗气流。承载重量可达100公斤。为了提供电力,会在飞船上方及两侧安装轻量化(<400g/m2)的太阳能电池板,以提供螺旋桨动力及通讯动力之用。


平流层充满臭氧、紫外线、氧原子等,都容易让物质逐渐老化,因此为了能长期在高空飞行,飞船必须使用抗紫外线、臭氧及不易氧化的材质。此外,氦分子非常小,因此飞船材质必须轻薄但孔隙又必须非常小以避免氦气外泄导致浮力不足。飞船的造价约为人造卫星的1/10,约500万~1000万美元,且可以回收维修之后,再度使用。


无人飞机

由地面控制的无人飞机,由于没有气球或飞船的浮力,必须靠动力滞空,比起前述两种载具需要更多的电力,因此为了提高太阳电池板装设面积,高空通讯平台无人飞机的翼展都设计的非常大,几乎可以说是飞行的翅膀。


无人飞机的负载承载量比飞船低,目前可达250公斤,但操控上比飞船、气球都灵活,适合需要机动性高的应用。无人飞机的构造简单,所需的起飞长度短,有的甚至只要100公尺的跑道即可,因此起飞、回收所需的场地不用太大。


高空通讯平台发展瓶颈

高空通讯平台主要面临的瓶颈是续航电力。为了降低起飞、回收的频率,高空通讯平台滞空时间的目标希望能达到每次半年,因此其上的太阳能发电板的发电效率必须高到除了提供飞行、通讯、操控所需的电力之外,还能有余力对电池充电,以供晚上所需的电力。


虽然高空通讯平台位于平流层,不受气候因素影响,白天随时可以吸收太阳能发电,但日照时间却会随着季节而变化,冬天的日照时间明显短很多。Google Project Loon实验地区的南纬40°,其夏冬日照差异更大。因此高空通讯平台适合运用的区域,将先从日夜日照时间差异短的赤道区,慢慢随着发电技术成熟,再往纬度更高的地区扩散。


过去十几年欧美日各国均积极研发高空通讯平台载具,但电力续航问题一直无法解决,导致研发计划暂告一段落。这几年太阳能电池技术因为绿能议题发烧,发展非常快速,高空通讯平台的电力问题有机会搭这一波热潮而顺势解决。


后续追踪观测重点

注意轻量化太阳能电池技术发展

为了能长时间在平流层滞空,轻薄的太阳能电池仍然是唯一选择。虽然平流层有稳定的气流,但风力发电之风机太重,并不适合HAPS。太阳能电池有多种技术,薄膜技术和染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)应较适合HAPS。


薄膜太阳能电池方面,CIGS(Copper Indium Gallium Selenium, 铜铟镓硒)或 CZTS(Cu2ZnSnS4, 铜锌锡硫)薄膜太阳能电池技术转换效率较佳;染料敏化技术则以使用透明且可弯曲的聚合箔(polymer foil)的DSSC比较可以轻量化,因此未来可持续关注此两类技术发电效率的进展。


(本文作者吴显东资策会MIC资深产业顾问)


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