脑洞大开！谷歌气球覆盖中国需多少个？

    说起谷歌（Google），或许你只能想到强大却平凡（普通）的谷歌搜索！但如果盘点下谷歌做过的疯狂的事，比如无人驾驶汽车实验、空中自行车项目、Project Loon项目、太空电梯项目、“登月工厂”项目、Android Home住宅自动化技术、智能隐形眼镜项目、以及为70亿人专门设计的模块化手机计划“Project Ara”等等，你就明白为什么有人称谷歌为“疯狂的谷歌”！

    前两天，“疯狂的谷歌”再次行动起来，宣布属于其疯狂项目之一的Project Loon（热气球互联网服务计划），已经与斯里兰卡签署协议，并将于明年三月之前，借助高空气球，为斯里兰卡全国提供上网服务。而在看到这条新闻时，笔者除了“羡慕”斯里兰卡的国民外，还突然脑洞大开——如果谷歌Project Loon项目可以在中国部署，那得需要多少个谷歌气球来实现全面覆盖呢？

    在解答这个问题之前，我们还是先来了解下什么是Project Loon项目？以及谷歌气球是如何运作并为人们提供上网服务的吧。

    2011年，Project Loon的诞生于谷歌公司的“X实验室”部门，该计划（第一阶段）旨在解决大部分经济欠发达地区（非洲、南美洲、东南亚等）无法以相对低廉的价格自由而快速接入互联网的问题，而具体方法就是借助“空中网络”。简单来说，就是将大量的无线网络收发器（或蜂窝基站）部署在空中，即部署在地面和卫星之间的位置，并覆盖在全球各地的上空，从而实现上述地区人民接入互联网的梦想。不过如何将这些基站部署在空中却是一大难题，谷歌X实验室同样脑洞大开——经过了大量的尝试，最终选择了气球作为载体！

在距离地面20km的高空部署气球（图片来自google）

    如上图所示，谷歌X实验室通过气球将无线网络收发器（或蜂窝基站）部署在距离地面20km处的高空，之所以选择这个位置，是因为这里属于大气的平流层，气流较为稳定，且很好地避开了飞机和云层（不会受到雷雨影响）。

平流层利于控制气球飞行方向（图片来自google）

    当然，选择平流层更大的好处就是可以控制气球的飞行方向，即利用高度差别，实现自西向东或自东向西飞行，从而乘风扩散成巨大的“空中网络”。而需要强调的是，两个飞行方向的速度是不同的，其中东向西的风速可达120km/h，而西向东的风速只有60km/h。

气球间互联互通原理（图片来自google）

    Project Loon项目借助气球携带的无线网络收发器（或蜂窝基站），不仅可以实现相互间的通信，还可与经济发达地区的地面基站实现通信；而对于之前尚未接入到互联网的目标区域，只需在自家的房屋上安装一个无线收发天线即可真正接入全球互联网！

 
安装在房屋上的无线收发天线（图片来自google）

    Project Loon项目于2013年在新西兰的Canterbury区域开始了气球的实验性测试，并向同纬度区域进行了拓展，即南美洲、非洲、大洋洲等均已覆盖谷歌气球。从实际测试效果来看，每个气球可覆盖半径为40km范围的区域，最高无线传输速率达到过10MB/s，平均速率表现也优于当时的3G网络，整体测试表现较为理想（当然，这一测试结果也与参与测试的用户较少有关）。

    关键设备——气球在不断升级ing

    前文已经提到，在谷歌Project Loon项目中，气球扮演着非常重要的角色。谷歌X实验室采用的是充满氦气的气球，而为了保证其在空中的持续停留时间和稳定性，经过多次尝试，最终确定了热气球的规格——在充满气状态下有12米高、15米宽，其表面积达到了惊人的近600平方米。

谷歌Project Loon项目中选用的氦气气球（图片来自google）

    其实谷歌气球的整体构造非常的简单，除了顶端的气球部分外，就仅有太阳能电池板和无线收发器（蜂窝基站）两个组件。其中最为关键的组件就是太阳能电池板，其作用是借助太阳能为携带的无线收发器（蜂窝基站）供电（搭配电池是为了保证夜间供电），从而保证谷歌气球间的相互通信，以及与地面基站间的通信。

谷歌气球整体构造图（图片来自google）

    目前来看，谷歌气球在空中停留时间及温度适应能力已经基本达到了应用要求，其中在空中停留的时间最长可达134天，平均停留时间也超过了100天；同时已经顺利完成了在零下83摄氏度的环境下的测试。当然，谷歌X实验室还在积极进行研究和创新，希望热气球的表现能更加出色！

谷歌气球各组件（图片来自google）

    随着谷歌气球的逐步成熟，谷歌X实验室也开始了另一项升级——将此前谷歌气球上搭载的无线网络收发器（即通过WiFi实现互联）替换为4G蜂窝基站（即通过LTE 4G网络实现互联）。对此，谷歌Project Loon项目负责人卡西迪兴奋的称其为“空中漂浮的数据塔”。而用4G LTE替代WiFi带来的最大变化就是传输速率的提升，经过实测，其与地面基站最高可实现22MB/s的连接速度，而与手机端也可实现最高5MB/s的连接速度。

    谷歌气球想要覆盖整个中国需多少个？

    好了，有了刚刚的基础知识储备，现在让我们回到正题：脑洞大开——如果谷歌Project Loon项目可以在中国部署，那得需要多少个谷歌气球来实现全面覆盖呢？

    其实有个很简单的算法，根据谷歌的计划，2016年3月，13个谷歌气球就会在斯里兰卡上空飘起，届时即可为全国提供上网服务。而斯里兰卡的国土面积是6.5万平方公里，我国的国土面积是960万平方公里，经过简单的换算就能得出结果——1920个，似乎也不是很多嘛。

不断移动的谷歌气球（图片来自google）

    然而通过这一简单的除法得来的是正确的结果吗？显然不是，因为谷歌气球在平流层是不停移动的，不是自西向东，就是自东向西飞行，因此想要用1920个谷歌气球实现全覆盖，就要固定住这些气球，否则就要在我国上空多个维度部署环状谷歌气球带，显然这更不现实。因此我们脑洞大开的第一阶段，就是想想如何固定住这些谷歌气球！

    脑洞大开：用绳索固定谷歌气球？

脑洞大开之用绳索固定谷歌气球

    用绳索固定谷歌气球，这或许是最直观的想法，而且谷歌也曾这样畅想过。但要知道，谷歌气球距离地面20公里，且不说绳索长度能否到达，单就成本来说，也是不小的花费。或许像斯里兰卡这样的国土面积，部署13根绳索还能接受，而我国要部署1920根，显然也不现实。此外还要考虑到平流层下方飞机飞行的安全问题，所以绳索方案只能pass！

    脑洞大开：人为控制谷歌气球？

    既然用绳索固定的方法不行，那么我们就来尝试一下新方法，控制谷歌气球的移动。可根据其在平流层的高度和风的方向，给谷歌气球一个反向的推动力，这样就能将位置固定。不过刚刚也介绍了，平流程东向西的风速可达120km/h，而西向东的风速也有60km/h，再考虑到谷歌气球的面积，这个反向推动力要相当的大，即要浪费很多的能量，所以可行性很低。（PS：谷歌也曾尝试用自带推进器的热气球固定其位置，结果很失败！）

Facebook用无人机替代谷歌气球

    而说到认为控制，这里需要提一下与谷歌Project Loon项目相似的另一个项目——Facebook建立的Internet.org组织，其原理与谷歌气球基本相同，只不过用可控制的无人机替代了谷歌气球，这带来的好处也是显而易见的，首先是无人机的空中停留时间更长（不用担心想热气球那样出现氦气泄露）；其次是可以更灵活的部署位置，只不过现阶段想要令其固定在空中，恐怕难度还是不小！

    脑洞大开：利用平流层让气球循环？

    既然人为提供的推动力不可行，那么我们利用平流层原有的自西向东和自东向西的气流，形成一个循环——这些在我国上空的谷歌气球一旦到了我国的边界，自动改变方向循环回来，这样它们就能全部留在我国的上空了。

脑洞大开之利用平流层让气球循环

    说实话，这个想法感觉相当可行，不过又有一个问题随之出现，那就是如何控制谷歌气球的高度，使其能够灵活乘上自西向东或自东向西的气流呢？还好，经过谷歌X实验室的研究，目前已经有3种理论上可行的方法！

    方法一：通过高压存储系统

通过高压存储系统调整谷歌气球高度

    第一种方法，将谷歌气球下方的无线收发器（或蜂窝基站）的盒子空间变大，在其中增设一个高压存储系统，从而通过提供适宜的温度、压力和空气环境，调整气球的高度。

    方法二：通过化学反应

通过化学反应调整谷歌气球高度

    第二种方法与高压存储系统的原理基本一致，只不过其实通过化学反应来提供适宜的温度、压力和空气环境，从而改变气球的高度。

    方法三：将谷歌气球变为黑白双色

将谷歌气球变为黑白双色来调整高度

    第三种方法是将谷歌气球的一半涂为黑色，这样通过调整其面向太阳的方向，就能调整气球内气体温度，从而改变高度。目前来看，第三种方法的可行性最高。

    虽然利用平流层让谷歌气球在我国上空循环看起来是一个相当不错的方案，然而这却与Project Loon项目的初衷有些不同。前文已经提到，该项目希望与全球各国的地面基站形成连线，从而打造真正的全球互联网。而通过上述方案，谷歌气球只能与我国境内的地面基站进行连接，如果想接入全球的网络，基本上只能通过连接我国大陆的8条海底光缆来实现（参考《4个入口8条光缆！我们这样与世界连接》），也就是说需要通过我国在四个登陆站部署的防火墙。

    脑洞升级：推算一下究竟需要多少个谷歌气球

    刚刚我们已经想了很多脑洞大开的方法来固定谷歌气球，但似乎效果并不十分理想。因此接下来我们的脑洞大开进入第二阶段，即实际推算一下，究竟需要多少个谷歌气球才能实现我国全国各地的人民都能随时随地接入全球互联网！

    理论上，在我国上空从北到南多个维度部署环状谷歌气球带，就能实现全面覆盖。但必须要考虑的是，间隔多少维度（或者说是多少公里）部署一条环状谷歌气球带？以及一条环状气球带上又要部署多少个谷歌气球？还好这些数据有望通过谷歌正在南半球实践的Project Loon项目推测出来。

南半球部署的谷歌气球大概在南纬30度左右（图片来自google）

    目前谷歌气球已经部署在南美洲、非洲、大洋洲上空（主要以澳大利亚和新西兰为主），其部署纬度大约是南纬30度左右，而我国大部分国土则主要集中在北纬15度-50度之间（平均约为北纬30度左右），也就是说，抛开南北球差异，可将该环状谷歌气球带上部署的气球数量视为我国各个维度上部署气球数量的平均值！

    而通过此前100个气球组成的环状谷歌气球带的实际测试效果，谷歌Project Loon项目负责人卡西迪预计，未来300-400个气球即可实现该纬度的完全覆盖，即平均值为350个！

    再通过斯里兰卡部署13个气球覆盖6.5万平方公里，可计算出每个谷歌气球可以覆盖半径为40KM的范围（直径为80KM），以及北纬15度-50度之间的距离（任一经度上,一个纬度的经线长度约是111千米），即可大致计算出需要多少条环状谷歌气球带——大约为48条。

    综上所述，一共需要48*350=16800个谷歌气球才能实现我国全国各地的人民都能随时随地接入全球互联网！当然，届时并不只是实现了我国地域的全覆盖，北美，太平洋，中亚，西亚和欧洲同纬度的国家都将受益于谷歌Project Loon项目，实现全联接。

    谷歌Project Loon：勾勒互联网美好未来！

    通过此次“脑洞大开”的推算不难看出，现阶段Project Loon（也包括Internet.org）还很难实现全球覆盖，并且未来还将面临各国不同制度、电信运营商、卫星服务提供商等多个层面的阻力，但从技术原理和技术发展角度来看，基于气球或无人机的架构和理念构建全球互联网是完全可行的。特别是对于尚未构建骨干有线网络的经济欠发达地区，谷歌气球将可大幅降低网络部署成本；与此同时，当地面设施遭到破坏，高昂的卫星通信尚未普及之时，谷歌气球所构建的“空中网络”就成为了关键！因此可以预计，未来类谷歌Project Loon计划极有可能成为现实，并将为我们勾勒出更加美好的全球互联网！