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Google Project Loon看高空通訊平台發展趨勢
 

【作者: MIC】   2014年01月03日 星期五

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高空通訊平台(High Altitude Platform Station, HAPS)技術在十幾年前曾經在NASA、各國研發機構及一些飛行載具公司的努力下,有不錯的進展,國際電信標準組織如ITU等也針對通訊所需頻段討論並預留。但因續航電力問題無法解決而沈寂,如今Project Loon重新喚起業者對此議題之重視。



圖一 : :Project Loon重新喚起業者對此議題之重視
圖一 : :Project Loon重新喚起業者對此議題之重視

Google Project Loon

2013年6月16日Google在紐西蘭基督城進行計畫名為「Project Loon」的高空通訊平台先導性實驗,共釋放30個以高空氣球為載具的高空通訊平台,並在用戶端裝設無線信號接收器,提供網際網路服務。



圖二 : :Google X部門提出Project Loon,利用高空通訊平台技術,提供便宜的高速網路服務。
圖二 : :Google X部門提出Project Loon,利用高空通訊平台技術,提供便宜的高速網路服務。

Google Project Loon的研發初衷是弭平數位落差。目前地球仍有2/3的人沒有網路連接能力,無法取得可以協助他們提升競爭力的資訊,即便是已開發國家,也有不少人因為居住在偏遠地區,網路佈建不易,而產生嚴重數位落差。因此Google X部門提出Project Loon,希望發射上千個高空氣球,在同一緯度上環繞地球一周,利用高空通訊平台技術,提供便宜的高速網路服務。


Project Loon的高空氣球直徑15公尺,高12公尺,下面吊掛一片籃球板大小的太陽能電池板,在其下再吊掛通訊載具,內容包括電腦、GPS、充電蓄電池及無線收發裝置,除此之外還有一個降落傘,以便通訊平台失效降落時,可以回收。



圖三 : :Project Loon結構
圖三 : :Project Loon結構

高空氣球飛行高度約在地表上方20公里的平流層(又稱同溫層)。平流層的風速較低也少有亂流,每小時約為9~32公里,因此氣球漂移的速度較慢,要對抗氣流的螺旋槳動力需求也較低。


其次,平流層的高度遠高於商業飛行高度的兩倍,因此不會干擾飛行器,也在雲層之上,因此不會受雲、雨、雷等氣象的影響。另外,平流層高度遠低於低軌人造衛星(Low Earth Orbit, LEO),不需要長的天線,可以使用既有的無線通訊技術,如3G、WiMax等。不過,Google是用自己發展的無線技術。



圖四 : :高空氣球飛行高度約在地表上方20公里的平流層(又稱同溫層)
圖四 : :高空氣球飛行高度約在地表上方20公里的平流層(又稱同溫層)

為了讓高空氣球能待在一定區域內,Project Loon運用相當有創意的技巧。由於平流層溫度上高(約80℃)下低(約-50℃),氣流流動方向隨高度而變化,較低層的氣流順著下方對流層氣流移動,較高層則反向流動。Google以其本身優異的運算技術,藉助美國海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的資料系統,透過軟體運算,指導氣球升降在同一區域來回移動。


Project Loon所用的通訊頻段為ISM頻段(Industrial, Scientific and Medical)中的2.45GHz和5.8GHz兩區段,每個氣球最多可以與另外五個氣球連線,構成一個網路。每個氣球可用訊號涵蓋範圍約1250平方公里,約五個台北市大。太陽能電池板效率在日光充足條件下,有100W的發電效率,可在4小時內充滿一日所需的通訊電力。


Google Project Loon的概念其實是已經發展十幾年的高空通訊平台,因此本文接下來將進一步分析HAPS技術及發展近況。


@大標:高空通訊平台技術簡介


高空通訊平台(HAPS)利用飛行載具於地表17~22公里處的平流層與地面通訊,故又稱做平流層通訊(Stratosphere Communications)。平流層通訊有非常多的優點:


高覆蓋通訊區

由於通訊平台位於20公里處的高空,直視性(Line of Sight, LoS)高,因此每一個高空通訊平台有效通訊範圍可涵蓋直徑最高可達400公里(5°仰角)的通訊區,遠比任何地面基地台都要高上數十倍。若在平流層安置250個通訊平台,可以涵蓋全球90%以上的人口。此外,亦可提供高通訊容量,若使用47~48GHz頻段中300MHz寬的頻帶,並以1bit/Hz的傳送效率來計算,則每個平台可提供600萬個數位電話使用容量,或18.75萬個E1(2Mbps)速度的寬頻通訊。


通訊距離短

由於通訊平台僅位於20公里處的高空,是低軌衛星的1/40、中軌衛星的1/400、同步衛星的1/1800,因此訊號衰減幅度遠低於人造衛星,延遲時間(Latency Time)也僅0.5ms,也可使用目前主流的3G/WiMax/4G等通訊技術,所需收發天線短,因此有利於通信終端的小型化及雙工化。


機動性高

以飛行器為載具,可以隨時機動調派至高容量或緊急通訊需求區,不受高山、湖泊海洋之地理限制。例如若預估某地區會有突發大量通訊需求時(如大型集會等),即可預先調派飛行之該處高空,提供臨時通訊容量。發生緊急自然災變時(如921大地震),也可緊急調派至該區,替補受損之通訊系統,提供緊急救援所需之通訊。


通訊價格低廉

高空通訊平台造價低廉,不到人造衛星的1/10,而且發射容易,所需發射場地小。此外,服役一段時間後,可以回收維修後再度服役。每個平台均可獨立運作,也可彼此串連成網路,因此建設週期短,初期投資小,也可以提供低廉成本的通訊服務,甚至比佈建光纖等地面通訊都還便宜。


飛行載具

高空通訊平台需要載具讓通訊設備能懸掛在高空中運作,目前研發中的載具主要有三大類,分別是高空氣球、飛船與無人飛機。



圖五 : :高空通訊平台需要載具讓通訊設備能懸掛在高空中運作
圖五 : :高空通訊平台需要載具讓通訊設備能懸掛在高空中運作

高空氣球

以氫氣或氦氣填充的高空氣球是發展最早的載具,氣球材質為聚乙烯,造價便宜,最高可承載重量為6000磅(約2,720公斤),飛行高度約可達40公里。早期以軍事、氣象及科學研究用途為主。最有名的廠商是Aerostar International Inc.,此次Google Project Loon所採用的高空氣球即為該公司產品。


高空氣球最主要的問題是壽命短,一般僅有數星期,目前最高記錄約55天,而且不易控制方向。目前業者的做法是加上回收降落傘,減緩負載物落地的衝擊,並附上回收電話號碼及獎勵,鼓勵撿到負載物的民眾通知釋放部門前來回收。


飛船

飛船以氦氣為填充物,長度一般在60公尺以上。兩側或下部則裝有動力螺旋槳以對抗氣流。承載重量可達100公斤。為了提供電力,會在飛船上方及兩側安裝輕量化(<400g/m2)的太陽能電池板,以提供螺旋槳動力及通訊動力之用。


平流層充滿臭氧、紫外線、氧原子等,都容易讓物質逐漸老化,因此為了能長期在高空飛行,飛船必須使用抗紫外線、臭氧及不易氧化的材質。此外,氦分子非常小,因此飛船材質必須輕薄但孔隙又必須非常小以避免氦氣外洩導致浮力不足。飛船的造價約為人造衛星的1/10,約500萬~1000萬美元,且可以回收維修之後,再度使用。


無人飛機

由地面控制的無人飛機,由於沒有氣球或飛船的浮力,必須靠動力滯空,比起前述兩種載具需要更多的電力,因此為了提高太陽電池板裝設面積,高空通訊平台無人飛機的翼展都設計的非常大,幾乎可以說是飛行的翅膀。


無人飛機的負載承載量比飛船低,目前可達250公斤,但操控上比飛船、氣球都靈活,適合需要機動性高的應用。無人飛機的構造簡單,所需的起飛長度短,有的甚至只要100公尺的跑道即可,因此起飛、回收所需的場地不用太大。


高空通訊平台發展瓶頸

高空通訊平台主要面臨的瓶頸是續航電力。為了降低起飛、回收的頻率,高空通訊平台滯空時間的目標希望能達到每次半年,因此其上的太陽能發電板的發電效率必須高到除了提供飛行、通訊、操控所需的電力之外,還能有餘力對電池充電,以供晚上所需的電力。


雖然高空通訊平台位於平流層,不受氣候因素影響,白天隨時可以吸收太陽能發電,但日照時間卻會隨著季節而變化,冬天的日照時間明顯短很多。Google Project Loon實驗地區的南緯40°,其夏冬日照差異更大。因此高空通訊平台適合運用的區域,將先從日夜日照時間差異短的赤道區,慢慢隨著發電技術成熟,再往緯度更高的地區擴散。


過去十幾年歐美日各國均積極研發高空通訊平台載具,但電力續航問題一直無法解決,導致研發計畫暫告一段落。這幾年太陽能電池技術因為綠能議題發燒,發展非常快速,高空通訊平台的電力問題有機會搭這一波熱潮而順勢解決。


後續追蹤觀測重點

注意輕量化太陽能電池技術發展

為了能長時間在平流層滯空,輕薄的太陽能電池仍然是唯一選擇。雖然平流層有穩定的氣流,但風力發電之風機太重,並不適合HAPS。太陽能電池有多種技術,薄膜技術和染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)應較適合HAPS。


薄膜太陽能電池方面,CIGS(Copper Indium Gallium Selenium, 銅銦鎵硒)或 CZTS(Cu2ZnSnS4, 銅鋅錫硫)薄膜太陽能電池技術轉換效率較佳;染料敏化技術則以使用透明且可彎曲的聚合箔(polymer foil)的DSSC比較可以輕量化,因此未來可持續關注此兩類技術發電效率的進展。


(本文作者吳顯東資策會MIC資深產業顧問)


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