Наземные сети 5G будут поддерживать высотные воздушные шары и беспилотники, и однажды смогут объединиться с ними.


Фото: Loon

В то время как мир стремится внедрить на земле скоростные мобильные сети 5G, некоторые компании по-прежнему сосредоточены на воздухоплавающих вышках сотовой связи в небе. В ходе заключительной сессии шестого ежегодного саммита 5G в Бруклине в четверг (25 апреля) лидеры IT — компаний Силиконовой долины и телекоммуникаций обсудили, смогут ли беспилотники и воздушные шары наконец-то начать предоставлять услуги коммерческой мобильной связи и интернета с воздуха.

В тот же день компания Loon, дочерняя компания Alphabet Inc., изначально была подразделением научно-исследовательской компании Google X, специализирующейся на производстве шаров, объявила о стратегическом партнерстве с компанией Softbank HAPSMobile с целью использования шаров и беспилотников на солнечной энергии для расширения покрытия мобильного Интернета и оказания помощи в внедрении сетей 5G.

Возможности находятся в наших руках с точки зрения реального использования 5G в сочетании с массовым изменением парадигмы, когда дело касается UAS — дронов, а также спутников

— сказал Волкер Зиглер, технический директор компании Nokia Bell Labs.


Никто не ожидает, что высоко летающие воздушные шары Loon и беспилотники HAPSMobile в ближайшем будущем будут непосредственно конкурировать с наземными сетями 5G. До недавнего времени было нелегко разработать воздушный шар или беспилотную платформу / площадку, которая была бы достаточно экономичной даже для использования в телекоммуникациях, сказал Сальваторе Кандидо, главный инженер компании Alphabet и технический директор Loon. Однако такие высоко летящие платформы могут помочь заполнить пробелы, когда отсутствует покрытие в сельских или других недостаточно обслуживаемых общинах. Даже сельские районы Соединенных Штатов могут не соответствовать текущим планам внедрения сети 5G.

Флот воздушных шаров и беспилотников может также обеспечивать покрытие на временной основе, например, во время крупных заранее запланированных мероприятий, таких как Суперкубок, или после стихийных бедствий. Ранее компания Nokia сотрудничала с компанией Alphabet's Loon, когда она развернула свой экспериментальный флот воздушных шаров для предоставления базовых услуг Интернета 200 000 человек в Пуэрто-Рико после того, как в 2017 году территория острова была разрушена ураганом «Мария», обрушившимся на Соединенные Штаты Америки. На воздушных шарах была установлена технология LTE от Nokia, как часть более широкой коалиции AT&T и T-Mobile.

Миллиард людей в мире не имеют достаточной связи, будь то временно из-за урагана или просто из-за того, где они живут. Я думаю, что все эти новые технологии вместе взятые позволяют создать сети, которые могли бы охватить огромное количество этих людей.

-Сальваторе Кандидо, Loon.

Loon еще не приступила к внедрению 5G оборудования на своих воздушных шарах, хотя партнерство с HAPSMobile Softbank предполагает, что когда-нибудь это станет возможным. Однако появление наземных сетей 5G может также облегчить компаниям развертывание беспилотных летательных аппаратов или Интернет-шаров. Ziegler из Nokia отметил, что 5G предлагает преимущества по сравнению с 4G LTE при реализации релейной / ретрансляционной системы, которая отражает сигнал между группами воздушных шаров или беспилотников, чтобы расширить зону покрытия далеко за пределы наземной станции, откуда исходит сигнал.

По словам Джузеппе Лойно, доцента по электротехнике и вычислительной технике в Университете Нью-Йорка и директора Agile Robotics and Perception Lab, наличие сетевой технологии 5G с точки зрения управления воздушным движением может облегчить отслеживание и управление большой группой беспилотных летательных аппаратов.

Когда придет время, телекоммуникационным компаниям будет важно создать спрос на высокоскоростные мобильные телефоны и услуги Интернета, продемонстрировав, что они могут сделать для населения или клиентов, сказал Даллас Брукс, директор лаборатории исследований полетов Raspet при Университете штата Миссисипи и помощник директора Центра передового опыта ASSURE FAA UAS. Он пригласил участников Бруклинского саммита 5G к сотрудничеству с ним и другими университетами, участвующими в программе исследований и испытаний Федеральной авиационной администрации по интеграции беспилотников в национальное воздушное пространство США.

Loon может быть одним из первых, кто применит решение с воздушными шарами, даже если в начале они не будут предоставлять услуги 5G. Стратосферные воздушные шары компании уже выиграли свой первый коммерческий контракт с Telkom Kenya на предоставление услуг мобильной связи для почти 50 миллионов кенийцев. Но Loon, безусловно, не будет одинока в попытках заставить такие проекты работать в эпоху 5G. «Нет недостатка в людях, пытающихся создать псевдоспутники в стратосфере», — сказал Кандидо.

Немного о технологиях и принципах работы воздухоплавающих вышек:

Обеспечение связи воздушными шарами, пролетающими в стратосфере на высоте 20 км, создает ряд уникальных инженерных трудностей. Для расширения возможностей подключения к сетям в неохваченных и недостаточно обслуживаемых районах по всему миру компания Loon сочетает достижения в области материаловедения, моделирования атмосферы, машинного обучения, коммуникационных систем и других областях.

Система Loon

Loon взял самые необходимые компоненты вышек сотовой связи и перепроектировал их таким образом, чтобы они были достаточно легкими и прочными, чтобы их можно было переносить воздушным шаром на высоте 20 км, на краю космоса. Воздушные шары Loon спроектированы и изготовлены таким образом, чтобы выдерживать суровые условия в стратосфере, где ветер может дуть более 100 км/час, а температура может падать до -90°С.



1. Воздушный шар.

Каждый шар размером с теннисный корт, изготовленный из листов полиэтилена, рассчитан на более чем 100 дней полета до посадки на Землю в контролируемом режиме.

2. Лётное оборудование.

Все летное оборудование отличается высокой энергоэффективностью и работает на возобновляемых источниках энергии. Панели солнечных батарей обеспечивают питание системы в течение дня во время зарядки бортовой батареи, что позволяет работать в ночное время.

Лётное оборудование

1. Антенны.

Антенны передают данные с наземных станций, по сети с воздушным шаром и обратно к телефону LTE пользователя. Пользователю не требуется ничего, кроме стандартного телефона LTE для подключения к воздушному шару Loon.

2. Солнечные панели.

Панели солнечных батарей обеспечивают питание оборудования в течение дня и заряжают бортовой аккумулятор для работы в ночное время.

3. Лётная капсула.

Летная капсула содержит электронику, небольшой набор устройств связи, которые включают в себя приемопередатчики. В радиоэлектронике трансивер — это, по сути, передатчик и приемник в одном корпусе для управления системой Loon.



4. Парашют.

После полета, парашют автоматически развернется, для безопасного возвращения шара на Землю.

Запуск LOON

Изготовленные на заказ, системы Autolaunchers разработаны для безопасного и надежного запуска воздушных шаров Loon в масштабе. Боковые панели защищают воздушный шар от ветра, так как он заполнен подъемным газом и установлен для запуска. Кран направлен вниз по ветру, чтобы плавно выпустить воздушный шар Loon в стратосферу. Каждый кран способен каждые 30 минут запускать новый воздушный шар в сеть Loon.

Движение за ветром

Стратосферный полет:

Воздушные шары «Loon» пролетают примерно в 20 км над поверхностью Земли в стратосфере, значительно выше самолетов, диких животных и погодных явлений.


Автономная навигация:

Со стартовых площадок воздушные шары Loon могут достигать любых стран по всему миру. Прогнозирующие модели ветров и автономные алгоритмы принятия решений перемещают каждый воздушный шар вверх или вниз в слой ветра, продуваемого в правильном направлении, доставляя воздушный шар туда, куда он должен быть направлен. Навигационная система функционирует автономно, используя алгоритмы и программное обеспечение, при этом операторы обеспечивают непрерывный человеческий контроль.


Интеллектуальные сети:

Группа воздушных шаров Loon создает сеть, которая обеспечивает связь с людьми на определенной территории таким же образом, как группа вышек на земле образует наземную сеть. Разница в том, что «вышки» Loon постоянно движутся с ветром. Программное обеспечение постоянно учится улучшать «хореографию» воздушных шаров, что улучшает качество работы сети. Вся сеть может функционировать автономно, эффективно распределяя соединения между воздушными шарами и наземными станциями, принимая во внимание движение воздушных шаров, препятствия и погодные явления.

Обеспечение связи

Большая площадь покрытия Loon позволяет операторам мобильной связи расширить зону покрытия там, где это необходимо. Loon передает сигнал оператора из точек соединения на земле, излучает его через несколько воздушных шаров в стратосфере, а затем отправляет его обратно на устройство LTE пользователя. Вся сеть может функционировать автономно, эффективно распределяя соединения между воздушными шарами и наземными станциями, принимая во внимание движение воздушных шаров, препятствия и погодные явления.



1. Сигнал беспроводного интернета передается с помощью наземной станции Loon на ближайший воздушный шар от оператора мобильной связи, находящегося на земле.



2. Сигнал передается по сети воздушных шаров Loon balloon.



3. Стандартные телефоны пользователей LTE подключаются к мобильной сети через воздушные шары Loon.

Посадка и восстановление

Loon поддерживает постоянную телеметрию и командную связь с каждым воздушным шаром, отслеживая местоположение с помощью GPS. Когда воздушный шар готов к выводу из эксплуатации, подъемный газ, удерживающий воздушный шар в воздухе заканчивается, автоматически разворачивается парашют для управления посадкой. Спуски согласовываются с местной авиадиспетчерской службой для безопасной посадки воздушного шара в малонаселенном районе. Затем наземные группы по рекуперации собирают оборудование для повторного использования и переработки.

Послеполётный анализ

После восстановления воздушные шары выкладывают на гигантский сканер в лаборатории Loon для проверки микроскопических дыр и разрывов. Этот процесс рисует картину того, как воздушные шары реагируют на условия в стратосфере. Выполнение этого анализа позволяет сделать правильные выводы при проектировании, что позволяет команде разрабатывать воздушные шары, способные выполнять полеты в течение все более продолжительного времени.

Путь к созданию

Начиная с первых дней испытаний воздушных шаров, проектирования и изготовления специального стартового оборудования и заканчивая обеспечением связи для людей после стихийных бедствий, компания Loon взяла на себя обязательство решать проблему расширения доступа к Интернету для удалённых друг от друга общин во всем мире.

Тестирование идеи

Первые тестирования провели еще в 2011 году с использования метеорологического аэростата и базовых станций, готовых к продаже радиочастот — первого прототипа. Следующие два года — это процесс быстрой итерации, чтобы доказать, что Интернет на воздушном шаре может работать.



Иногда эксперименты шли не так, как планировалось. Здесь (ниже) команда инженеров-первопроходцев преследуют неудачно запущенный шар в центральной сельской долине Калифорнии. Воздушный шар, похожий на мешок для мусора, хотя и надулся, но так и не сошёл с земли.



Прежде чем проектировать и строить воздушные шары сверхвысокого давления, способные выдержать сотни дней полета, команда усердно работала над пониманием законов физики в стратосфере. Используя воздушные шары с нулевым давлением, как показано на рисунке (ниже), команда наблюдала, как газ расширялся и сокращался при экстремальных температурах и давлениях, чтобы понять их влияние на способность воздушных шариков оставаться на плаву.



Ранние прототипы воздушных шаров Loon были всех форм и размеров, как эта концепция прямоугольного Майларового воздушного шара (ниже), который был размером почти в 4 этажа. Концепция не была использована, но, конечно, не из-за отсутствия блеска!



Прежде чем взлететь на воздушном шаре с новыми технологиями в реальный мир, Loon должен был проверить свою способность герметизировать и наполнять шары. Часто воздушные шары накачивались до предела, чтобы разорваться под давлением.

Этот ранний прототип (ниже) в форме круглого шара назывался «шар».

В 2013 году пройдено 500 000 километров

Один из воздушных шаров совершает кругосветное путешествие за 22 дня и отсчитывает 500 000-й километр пути, начиная второй круг. Эти знания приводят к значительным улучшениям в моделях прогнозирования ветра, траектории движения воздушного шара, прогноза и навигации.

Первое подключение WI-FI

Овцевод в Кентербери (Новая Зеландия) стал первым человеком, который подключился к Интернету с помощью интернет-антенны, прикрепленной к крыше своего дома. Проект Loon открыт для общественности, что помогает объяснить некоторые случаи обнаружения НЛО, о которых было сообщено после тестирования по всему миру.



Оживленное зимнее утро в новозеландской Кентерберийской равнине (Canterbury Plains), где команда Loon готовится к запуску.

В дни, предшествующие новозеландским пилотным испытаниям, вся команда просыпалась посреди ночи, на рассвете и начинала подготовку к запуску воздушного шара, когда ветер был более спокойным. Несмотря на усталость, они получали вознаграждение в виде очень живописных условий работы.



День запуска в Новой Зеландии. Через несколько часов после восхода солнца над небом Крайстчерча и равнинами Кентербери на южном острове возвышалась стая первых испытательных шаров Loon, с первым настоящим пользователем — овцеводом на равнинах, с которым связался Loon.



Изображение полёта воздушного шара Loon на пути в стратосферу, с Южными Альпами Новой Зеландии на заднем плане, служит отражением миссии по установлению связи между людьми во всем мире.

Первое LTE

Местная школа в Агуа-Фрия, расположенная в сельской окрестности Кампо-Майор, Бразилия, впервые подключена к Интернету с помощью воздушного шара, запущенного неподалеку. Это знаменует собой первое успешное LTE-соединение проекта Loon, 2014 год.



Быстро поднимаясь над сельскими районами Агуа-Фрия, Бразилия, испытательный шар Loon начинает раздуваться, прежде чем начать свою миссию по обеспечению связи LTE с местной школой.



Прежде чем совершился прорыв с помощью алгоритмов, которые теперь помогают Loon ориентироваться в ветре, инженерам приходилось устанавливать антенны на грузовики, чтобы преследовать воздушные шары и находиться под ними для тестирования сервиса.



Перед запуском воздушных шаров, которые могли летать сотни дней, небольшая команда отправилась в сельскую Бразилию. Целью было впервые попробовать подключить тестеры, использующие технологию Loon powered LTE. Loon успешно доставили интернет в местную школу во время урока географии.



Пока команда внедряла технологию LTE для местной школы в Бразилии, инженеры Loon не смогли устоять перед возможностью проверить погоду и ветер в этой новой местности. Loon запустила 5 воздушных шаров Ibis-класса (один из которых изображен здесь), чтобы испытать все, что происходит во время полёта вдоль экватора.

О долгосрочной эволюции — LTE/4G

Вся инфраструктура основана на LTE, компонент eNodeB (эквивалент «базовой станции», которая общается напрямую с телефонами) переносится в воздушный шар. Первоначально воздушные шары общались с использованием WiFi (нелицензированные диапазоны ISM 2,4 и 5,8 ГГц), но затем они переключились на LTE.

Долгосрочная эволюция (LTE), также известная как 4G, представляет собой быстрорастущую глобальную технологию, которая постоянно развивается, обеспечивая беспрецедентную скорость передачи данных, большую емкость и новый уровень обслуживания пользователей.

Спецификация LTE обеспечивает пиковые скорости нисходящей линии связи 300 Мбит/с, пиковые скорости восходящей линии связи 75 Мбит / с и положения QoS, обеспечивающие задержку передачи менее 5 мс в сети радиодоступа. LTE имеет возможность управлять быстро движущимися мобильными телефонами и поддерживает многоадресные и широковещательные потоки. LTE поддерживает масштабируемые полосы пропускания несущей-от 1.4 МГц до 20 МГц и поддерживает как частотное разделение каналов (FDD), так и временное разделение каналов (TDD).

LTE накладывается на сеть 3G и поэтому поддерживает «бесшовное» взаимодействие LTE/3G. 3G обеспечивает последовательный широкополосный доступ, когда пользователи выходят за пределы покрытия LTE, и голосовые услуги по всей сети. 3G также обеспечивает глобальный роуминг голоса и данных для устройств LTE.

3 миллиона километров

Воздушные шары Loon по состоянию на 2014 год преодолели свыше 3 миллионов километров двигаясь через стратосферу, что эквивалентно четырём полётам до Луны и обратно. Миллионы километров испытательных полетов помогли начать более точно предсказывать характер ветра на разных высотах, что дает нам наилучшую возможность держать воздушные шары там, где они нам нужны.

Один из шаров, запущенных в Латинской Америке в 2016 году смог продержаться в воздухе над Перу на протяжении 98 дней, при этом выполнил почти 20 000 отдельных корректировок высоты полета.

Первоначально планировалось, что Google приобретет собственный диапазон радиочастотного спектра, чтобы воздушные шары Loon могли работать независимо от существующих беспроводных сетей. Но Google отказался от этого и вместо этого воздушные шары будут сдаваться в аренду сотовым компаниям, таким как Safaricom, Airtel и Telkom Kenya.

Другие компании:

Google — не единственная компания, которая стремится обеспечить массовый доступ к Интернету. Лаборатория Facebook по обеспечению связи работает над созданием AQUILA, самолета на солнечной энергии с размахом крыльев больше, чем у Boeing 737, который может продолжать работать в течение нескольких месяцев, надеясь сделать тоже самое.

Источники:

spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/internet/internet-balloons-and-drones-look-to-rise-in-the-5g-era
??https://loon.com/technology
medium.com/iot-5g-extreme-ideas-lab/googles-balloon-powered-high-speed-internet-now-in-kenya-be34c35f0f37
airsoc.com/articles/view/id/5cc5b2e8c4263cec6e67cd04/floating-cell-towers-are-the-next-step-for-5g

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?