Проект Loon: летающий Интернет

В середине июня Google анонсировала научно-исследовательский проект Loon, нацеленный на подключение всего мира к Интернету при помощи технологии девятнадцатого века — воздушных шаров.

Суть проста: в стратосфере (на высоте, раза в два большей, нежели проходят коммерческие авиапути) летают воздушные шары, играющие, по аналогии со спутниками, роль ретрансляторов интернет-доступа на скоростях, сравнимых с 3G-доступом. Аэростаты, подпитываемые солнечной энергией, дистанционно управляемые и находящиеся на высоте 18-27 км, пригодятся и в случае стихийных бедствий, когда традиционная связь разрушена. Сеть ориентирована на организацию покрытия в удаленных, труднодоступных или сельских местностях.

План Google звучит местами диковинно и нелепо, вот почему он назван Loon — игра английских слов balloon («воздушный шар») и loon («безумец»).

Использование стратосферных ветров оправданно: их потоки и направления достаточно устойчивы, и шары придется перемещать фактически лишь вверх-вниз, дабы сохранять связь с наземными станциями приема-передачи. Коррекция высоты аэростатов осуществляется сообразно характеру ветров, подбираемых по параметрам их скорости и направления, сведения о которых представляются Национальной администрацией по океану и атмосфере США.

Пользователи подключаются к аэростатной сети при помощи специальной антенны, расположенной на крыше дома. Сигнал транслируется от шара к шару, а затем на наземную станцию, присоединенной через провайдера к глобальному Интернету.

В 2008 году Google пробовала договориться и даже купить Space Data, которая посылает воздушные шары, несущие небольшие сотовые базовые станции, в небо на 32 км для обеспечения связью водителей грузовиков и нефтяных компаний на юге Соединенных Штатов. Сделка не состоялась.

Неофициальный запуск проекта Loon состоялся в 2011 году под эгидой лаборатории Google X с рядом пробных прогонов на Большой Калифорнийской равнине.

В июне 2013-го начался пилотный эксперимент в Новой Зеландии (над городком Текапо крупнейшего острова Южный): почти три десятка шаров отправились в плавание под присмотром Управления гражданской авиации. Полсотни пользователей города Крайстчёрч и региона Кентерберри опробовали воздушную сеть, оставшись довольными результатами: даром что ли они платят более 1000 долларов ежемесячно за спутниковый Интернет.

Сейчас в намерениях Google стоит запуск трехсот воздушных шаров по всему миру на сороковой южной параллели, что обеспечит покрытием Новую Зеландию, Австралию, Чили и Аргентину. В конечном счете есть надежда на формирование сети из тысяч аэростатов в стратосфере, дабы развивающиеся страны Африки и Юго-Восточной Азии смогли отказаться от прокладки дорогостоящего подземного оптоволоконного кабеля.

Высотные аэростаты летают на преобладающих ветрах: по большей части в направлении параллелей, то есть в плоскостях востока-запада. Солнечные батареи размером с карточный стол производят за четыре часа объем энергии, достаточный для питания передатчика в течение целого дня и излучения интернет-сигнала на наземные станции. Последние, разнесенные друг от друга на расстояние где-то в 100 км, транслируют сигнал на другие шары, передающие их в свою очередь на следующие станции. В настоящий момент аэростаты работают в спектре нелицензируемых частот 2,4 и 5,8 ГГц (входят в полосу частот, отведенную для промышленной, научной и медицинской радиослужбы). Google утверждает, что каждый аэростат способен покрыть 1256 квадратных километров территории (круг диаметром 40 км), а скорость интернет-доступа сравнима с таковой у 3G-связи. Пока непонятно, насколько хорошо технология пригодна для задач, требующих быстрого отклика (пинга), например интернет-телефонии, ведь сигналу придется следовать через множество аэростатов, прежде чем он достигнет Всемирной сети.

Оболочка шаров в проекте Loon, выполненная из полиэтиленовой пленки толщиной 0,076 мм, подготовлена Raven Aerostar. Аэростаты, наполненные гелием, получаются размерами 15 м в ширину и 12 м в высоту. Находящаяся под баллоном гондола весом 10 кг содержит необходимое электронное оборудование: системные платы, навигационные и управляющие плавучестью и движением датчики, радиоантенну и оптическую сетевую аппаратуру для связи с другими аэростатами и наземными станциями, аккумуляторы для накопления солнечной энергии. Солнечные панели, генерирующие максимум 100 ватт энергии, обеспечивают работу оборудования днем и ночью. Наверху шара прикреплен парашют, который нужен для управляемого спуска и приземления аэростата, когда срок его службы подходит к концу; он также автоматически разворачивается в случае неожиданного отказа в работе. Обычно срок службы воздушных шаров составляет 55 дней, но Google заявила, что в ее проекте этот показатель вырастает до 100 дней и даже более: спасибо особой оболочке, которая сохраняет объем аэростата постоянным (подобно праздничным воздушным шарикам из майлара) и не растягивается по мере надувания.

Контроль высоты аэростата осуществляется через регулируемую систему плавучести, благодаря которой он перемещается вверх и вниз путем раздувания или спускания шара, наполняемого гелием (можно применять и другой газ легче воздуха, например водород). Присутствует вспомогательная эластичная камера, называемая пузырем и содержащая газ и/или жидкость. Она помогает управлять плавучестью за счет изменения плотности и/или объема газа, обращаясь к нагреву и охлаждению, насосам и клапанам. В одном из вариантов аэростата пузырь применяется как балластный отсек, который, втягивая или выбрасывая воздух, облегчается или утяжеляется.

Альтернативно рассматривается более пассивная система плавучести, где газ нагревается и охлаждается солнцем. Для этого оболочка воздушного шара окрашивается с разных сторон в различные цвета, допустим, черные и белые. Черная сторона поглощает больше солнечной энергии, нежели это делает белая. Когда необходимо поднять аэростат, он поворачивается к солнцу темным боком: газ нагревается и шар взмывает. Для спуска ему следует посмотреть на светило светлой стороной, чтобы газ охладился. Добавив третий, промежуточный цвет, например серый, можно точнее калибровать плавучесть и перемещение.

Аэростаты могут идти с аэродинамическим профилем в виде надувного воздушного змея, крыла или паруса. Подобная конструкция, сравнимая с современными парусными шлюпками, позволяет шару перемещаться не только по ветру, но и под некоторым углом, что увеличивает маневренность и общую гибкость воздушной сети.

Если установленный аэродинамический профиль относится к типу, способному превращать вертикальное движение, генерируемое изменением плавучести, в горизонтальное движение, тогда направление перемещения шара легко изменять на нужное без оглядки окружающий ветер. Подход преобразования вертикального подъема в горизонтальные толчки противоположен тому, как крылья самолета превращают последние в первые.

Высотная сеть аэростатов состоит из двух типов воздушных шаров. Во-первых, магистраль суперузлов, которые пользуются ультраяркими светодиодами для взаимодействия между собой через свободные воздушные оптические связи на расстоянии до 160 км с предполагаемой скоростью передачи данных 10-50 Гбит/с. Во-вторых, многочисленные подузлы, соединяющиеся с суперузлами и точками доступа на земле и обеспечивающие пользователей беспроводным Интернетом на скорости 10 Мбит/с.

Суперузлы могут общаться между собой и при помощи лазеров, но ввиду различных ограничений на использование последних внедрение подобного типа коммуникаций столкнется с проблемами.

Супер- и подузлы формируют кластер из воздушных шаров над определенной географической территорией. Подузлы способны перемещаться между соседними кластерами, плотность заполнения аэростатами которых регулируется в зависимости от необходимости в ширине пропускных каналов связи. Так, кластер с большим количеством подузлов может быть развернут над городом, тогда как сельские регионы вполне себе обойдутся одним суперузлом и несколькими подузлами. Легко создать временный кластер, нужный, к примеру, для организации интернет-доступа во время рок-фестиваля или стихийного бедствия.

Существует еще один тип воздушных шаров: они, оставаясь более или менее стационарно над наземными станциями, подключают к последним сеть через оптический или высокопропускной радиоканал.

Отзывы сообщества на проект Loon в целом положительные, хотя разработчики и астрономы радиоинтерферометра «Квадратная километровая решетка» (Square Kilometre Array, SKA) беспокоятся, что эксплуатация в первом 2,4- и 5,8-ГГц частот будет интерферировать с диапазоном 0,5-3 ГГц второго.

Использование гелия в качестве подъемного газа воздушных шаров породило дебаты, так как речь идет о невозобновляемом ресурсе.

Билл Гейтс раскритиковал проект Loon: «Когда вы умираете от малярии, полагаю, что воздушный шар не поможет. А когда ребенок заболел диареей, нет такого веб-сайта, который бы его излечил».

Как бы то ни было, цель Loon более чем благородна, ведь приблизительно две трети населения Земли не располагает доступом к Интернету, а одна треть пользователей подключена к медленным каналам связи. В более чем двух третях стран южного полушария стоимость интернет-подключения превышает месячный заработок жителей.

© СОТОВИК