人类从1957年发射第一颗人造卫星开始探索太空，已经取得了丰硕的成果，在太空边缘，地球表面之上，有一个尚未开发、潜力巨大的地方——平流层。平流层的18～24km高度处，存在一个基本无垂直对流，风速较小且风向较固定、温度相对稳定、阳光非常充足的区域，该区域是平流层飞行器的理想高度。在这个高度大气密度大约为海平面的5%，平均温度范围为−51℃至−15℃，最低温度达到－90℃。平流层通信一般是指以基于太阳无人机/气球/飞艇等高空平台（HAPS，High Altitude Platform Station），搭载空中基站或者无线中继，为地面提供网络覆盖和无线回传的通信方式。相对而言，平流层通信具有覆盖面积大、时延小、适用性广、造价低、部署快、易维护升级等特点，是空天地一体化信息网络的重要组成部分。同时，高度为20~100km的临近空间目前成为各国必争之地，有着极其重要的战略意义和广阔应用前景。Project Loon把Google X实验室启动的Loon称之为平流层通信领域探索的先驱，应该是名副其实的。Loon项目有一个非常好的愿景：向农村和偏远地区提供互联网接入。基于这个目的，就需要考虑提供低成本解决方案，因此，其采用的技术线路是将氦气球放飞至海拔20km的平流层，组成空中无线网络，向地面覆盖。在实践中，Loon发现偏远地区的手机终端性能远低于预期的手机终端，因此还专门调整基站技术方案，以适配廉价低性能手机。不得不说，Loon是一个有情怀的项目，作为一个商业案例，他是失败的，但是作为一次人类科学探索试验，是成功的。Loon有一个非常巧妙idea，就是利用平流层在不同的高度，风速和风力不一样且相对稳定，基于智能算法，通过调节副气囊重量来调整气球高度，从而控制气球位置。2012年谷歌X实验室正式发起Loon研究项目，转眼已经过了十年了，几个重要的里程碑，2015年Loon利用13个气球实现全面覆盖斯里兰卡（约6.5万平方公里），2017年在“玛丽亚”飓风登陆后，为波多黎各2万多人提供了互联网连接，2021年1月，Alphabet宣布关闭Loon，自我总结的原因是缺乏自愿的合作伙伴以及无法建立可持续的商业模式。下面重点讨论Loon项目的通信载荷部分（注：内容均来自Loon项目公开的文件）。
如上图所示，Goolge Loon的通信服务部分载荷主要包括：球载中央通信节点（Comms Node），回传设备以及LTE基站。处在通信服务有效载荷核心位置的是球载中央通信节点，该节点由中央以太网交换机系统、分组处理器系统和与其他载荷通信接口计算机系统组成。通讯节点提供以下功能：(1) 集中的网络管理功能（对所有服务有效负载系统进行管理）；(2) 对所有服务有效载荷系统进行功率分配和功率监测（LTE、B2X等等）；(3) Ads-B接收器，用于实时确定区域内其他Loon气球的存在，位置和速度；(4) 与气球核心航空电子设备对接（PFC，或主要飞行计算机），负责向Loon地面系统软件和minkowski/TS-SDN传回卫星通讯数据，通过卫星通信实现对“通讯节点”和“B2X节点”的控制和监控；(5) 控制Wi-Fi备份回传电子设备和天线；LTE基站：第一代采用单扇区，第二代采用双扇区，基站通过以太网连接到Comms Node。回传设备：谷歌Loon的回传包括气球到气球连接（B2B）、气球到地面连接（B2G）、地面站和光纤连接都返回到Loon的核心网络。每个球包括三台回传设备，一台实现球间高速传输，一台实现球和地的高速回传，一台备份用，每台都通过以太网连接到Comms Node。
双Rickenbacker天线能量图如下所示，该图描述不同覆盖区域的SINR （信号与干扰+噪声比）。四个扇区配置同样的频点，因此彼此之间会有一定的干扰。每个扇区都有相同的发射功率，用户在扇区之间对角线SINR最优的时候为0 dB。这意味着它们所连接的扇区的信号电平等于邻近区域干扰信号的水平。然而，这并不妨碍正常移动通信数据传输，因为LTE增加了额外的机制提高数据速率。
Loon第二代LTE有效载荷包含一块基带处理单元(BBU)，通过一个数字接口（类似于CPRI接口）连接到两个射频拉远单元(RRH)（实际距离比较近）。RRH包括包含RF收发器和一个射频板（SoundbloxBxx, xx是LTE频带号）。这些射频板是LTE频段专用的，所以不同的区域需要不同的板。Loon最初在肯尼亚和其他非洲国家以及在南美洲支持Band 28(Soundblox B28)。频段都在700MHz到900MHz范围内。这种低频的传播特性使得利用最小的增益和功率可以获得一个合理的信号电平覆盖区域。类似的覆盖区域，如果使用更高的频段，则需要更多的扇区，相应的重量和功耗也会更高。
与单扇区系统一样，基带板类似于商用诺基亚小站的基带部分，但由Loon进行平流层环境适应性设计，并集成到整个Rickenbacker架构中。
三、回传子系统
如上图，谷歌Loon的回传层包括气球到气球连接（B2B）、气球到地面连接（B2G）、地面站和光纤连接都返回到Loon的核心网络。对于B2B和B2G连接，Loon主要研究方向：
Ø 使用激光器的自由空间光通信(FSOC);Ø 高速微波点对点无线电，使用71GHz-86GHz频段（e频段）或39GHz频段；由于FSOC成本较高且FSOC无法穿过云层传输，所以无线电成为了B2G部分的首选。由于超过39GHz可用的带宽较大，因此E波段选择使用超过39GHz的频段。采用超过39GHz的E波段无线电进行气球到地面的连接也是B2B连接的最佳选择，B2B和B2G使用相同的无线电系统。气球上的无线电系统用于B2G和B2B，所以它被命名为B2X。Loon的E波段无线电系统被设计用来支持地面站和B2X有效载荷系统。无线电支持高发射功率和低噪声信号接收，以此提供最大的系统性能。可以通过软件配置发射频段在71-76GHz或81-86GHz波段，接收频段配置在与发射频段不同的波段。在平流层mesh组网时需要每个B2X必须支持可以与其他B2X进行连接。地面站无线电不需要这种高低频段的配置，因为地面到气球发射频段总是设置为81-86GHz波段，这样可以避免对无线电天文波段的干扰。每个频带内都有几个通道可用来减少附近B2X链路之间的干扰。
每个气球可以携带两个或两个以上B2X系统，可以用来从地面接收回传数据，并将其延伸到其他无法到达地面站的气球上。Loon选择在每个气球上使用三个这样的B2X系统，这样可以进行Mesh组网。每一个B2X子系统都由一个E波段无线电和一个43dBi抛物面反射天线（如上图所示）组成，天线安装在一个可控的万向架上，可以在二维旋转：方位角（左右）和高度（上下），能够指向一个地面站或另一个气球。
每个B2X系统带宽近1Gbps。这么高的链路容量意味着，即使由于天气或距离而减少了容量，也可以允许十几个或更多的气球通过一个B2B或B2G链路进行回传。回程网络管理软件协调了所有B2X和地面站节点来创建具有冗余路径的网络拓扑，以此方式将流量传播到尽可能多地到地面站上。但是一些气球的排列总是会出现瓶颈。Loon的回传和典型的移动网络回传之间的主要区别是Loon在移动并经历了其网络拓扑的连续变化后，会出现很多新的链路和也会有很多链路出现中断。为了降低这种行为对LTE系统的影响，Loon建立了一个跨回传网络的端到端通道，如下图所示，并在拓扑结构变化时管理这些通道的路由。拓扑的变化会在气球相互移动时发生，但它们也可能因为链接或其他故障而发生。由于B2B链接和不同的B2G链接的存在，网络可以容忍大部分故障，如下图所示。
Loon的回传网络比其最初设想的要困难得多：
ü Loon的链接和节点都在不断变化中；ü 无线链路受到天气、地形和距离的影响，具有不断变化的射频特性。ü 气球和地面上有许多不同的障碍物，在确定新链接时，以及在现有链接速率下降时也需要考虑。ü 在受湍流影响的移动平台上，回传天线对准有很大不确定性，这会影响建立可靠链接的时间。ü 基于卫星通信的控制链路，具有非常低的数据速率、非常高的延迟和偶尔的中断率，这意味着控制系统也需要添加冗余和弹性。ü 在跨越数千英里的平流层中提供高可用性、自形成和愈合的网格是一个重大的挑战。传统的软件定义网络（SDN）可以协调网络配置和传输流量，但不能处理节点移动或无线扩展的挑战。因此，Loon需要将能够进行运动建模和射频传播的物理引擎相结合与谷歌最好的SDN技术结合，来开发一种先进的时空SDN(TS-SDN)。这个系统的代号为Minkowski。Minkowski TS-SDN基于端到端连接需求，共同优化了跨陆地和非地面网络段的无线链路规划、无线电资源管理和路由。它使用预测的运动和天气预报，通过预测现有链接何时减少或下降以及其他链接何时可用来避免服务中断。如下图所示，Loon的TS-SDN建立在现有的SDN最佳经验之上，并扩展了功能和API，以此来纳入时间和空间特性并且支持异构无线链接。
如下图所示，在标准的openflow的接口基础上，对数据平面（南行）(CDPI)的控制接口进行扩展使SDN可以控制波束、进行无线电资源管理和制定可调度时间。此外，该系统还被设计用于容忍度利用计划、顺序控制消息和并发控制信道（带内和带外控制通道）的延迟和中断。
Loon的TS-SDN还支持Loon的气球网络之外的场景。该系统的能力有助于协调近地轨道星座(LEO)，例如Telesat的解决方案，具有多个卫星、地面站和大量的用户终端的特点。下图为TS-SDN网络操作UI显示LEO场景。
Loon设想了一个多网络的未来，TS-SDN将根据用户的连接需求和全球资源的优化，无缝地协调地面(4G/5G)、高空平台站（HAPS）和卫星网络(LEO/MEO/GEO)。
此外，区域ISPs（Internet服务提供者）或电信运营商通常通过其光纤网络提供到互联网的地面站连接。Loon回传系统由Loon TS-SDN控制器控制，它协调地面到气球和气球到气球的链接，并优化横跨Loon网络的路线。
ISP/载波路由器通常为每个地面站提供一个光纤连接。分界点是根据ISP/运营商路由器的位置逐址确定的。路由的需求如下：ü 必须能够接受/64IPv6和/28IPv4全球可路由的前缀长度ü ISP必须只使用BGP广播LoonIPv4和IPv6默认路由ü ISP不广播完整的IPv4/v6互联网路由表ü 支持使用带有密钥的RFC2385或RFC5925之一的BGP会话身份验证ü 当多个Loon到ISP链路有效时，支持支持eBGP多路径的ECMP流量平衡ü 支持通用的TTL安全机制(RFC5082)ü 支持额外的BGP操作和当前安全最佳实践(RFC7454)Loon还设计了一个基于802.11的wi-fi（气球）的无线电和地面站，作为E波段系统的前身。Wi-Fi地面站被部署用于测试和验证气球平台上的通信系统。Wi-Fi地面站是基于一个类似于E波段地面站的商用海洋卫星终端。WiFi系统不能支持气球到气球的链接。此外，欧洲对户外使用的Wi-Fi频谱，将EIRP限制在一个不支持地面到气球连接的水平。因此，虽然这一系统最初在秘鲁和波多黎各成功地支持了灾害，但在商业上并不实用。（注：载荷原文来自Google X实验室网站）
一、总体结构
二、基站子系统
1、第一代：单扇区LTE
Loon最初的LTE设计只有一个LTE扇区，容量与地面单扇区小基站相当，在地面形成圆形的覆盖区域。它最初的设计是为了覆盖尽可能多的区域，但这导致大多数用户的信号接收功率相对较低，要求他们在户外和避免障碍物。尽管如此，Loon还是成功地使用了这个系统，成为有史以来第一个为平流层LTE用户提供服务的系统。2017年，在秘鲁洪水和玛丽亚飓风期间，它还被用于提供紧急电信服务，为超过20万人提供通信服务。由于Loon的结构特征，第一代LTE的发射和接收天线是分离的，相隔近两米。这种情况对于基站来说是非常罕见的，因为它们通常使用相同的天线进行发射和接收。这种分离带来的意外好处是有助于减少发射和接收之间的信号干扰和降低电子设备的滤波和双工要求。第一代单扇区LTE系统的硬件结构类似于一个商业小单元（小型蜂窝基站）。基带、无线电收发器（代号为“Wooten”）集成在一块单板上，大功率功放以及射频电路在两块不同的电路板上：一个用于接收（代号为Rex）和一个用于发送（代号为Tex），每个都安装在各自的（独立的）天线后面。每个天线都是双极性的，所以整个系统是“2T2R”。这种结构可以实现更快的吞吐率，但由于Loon覆盖用户都是接近视距传输，因此与地面小型蜂窝基站相比，Loon基站更难出现MIMO激活场景。2、第二代：四扇区LTE
第二代LTE有效载荷使用两个相同的Rickenbacker（Loon第二代LTE硬件架构代称）系统，每个系统都有两个扇区。每个扇区都有一个天线指向大约30°的最低点，相对原来天线提高大约6dB的增益。这种新方法是通过简单地使用4个2x2天线实现的，每个天线都非常类似于原始的Fodera（Loon第一代LTE硬件架构代称）天线。由于每个区域比Fodera的单个区域分散的能量更小，信号水平更强，使手机连接更稳定。这些改进使得更多的复杂环境的用户（如室内用户）连接到Loon，或者获得比Fodera更高的数据传输速率。双Rickenbacker天线能量图如下所示，该图描述不同覆盖区域的SINR （信号与干扰+噪声比）。四个扇区配置同样的频点，因此彼此之间会有一定的干扰。每个扇区都有相同的发射功率，用户在扇区之间对角线SINR最优的时候为0 dB。这意味着它们所连接的扇区的信号电平等于邻近区域干扰信号的水平。然而，这并不妨碍正常移动通信数据传输，因为LTE增加了额外的机制提高数据速率。
与单扇区系统一样，基带板类似于商用诺基亚小站的基带部分，但由Loon进行平流层环境适应性设计，并集成到整个Rickenbacker架构中。
三、回传子系统
Ø 使用激光器的自由空间光通信(FSOC);Ø 高速微波点对点无线电，使用71GHz-86GHz频段（e频段）或39GHz频段；由于FSOC成本较高且FSOC无法穿过云层传输，所以无线电成为了B2G部分的首选。由于超过39GHz可用的带宽较大，因此E波段选择使用超过39GHz的频段。采用超过39GHz的E波段无线电进行气球到地面的连接也是B2B连接的最佳选择，B2B和B2G使用相同的无线电系统。气球上的无线电系统用于B2G和B2B，所以它被命名为B2X。Loon的E波段无线电系统被设计用来支持地面站和B2X有效载荷系统。无线电支持高发射功率和低噪声信号接收，以此提供最大的系统性能。可以通过软件配置发射频段在71-76GHz或81-86GHz波段，接收频段配置在与发射频段不同的波段。在平流层mesh组网时需要每个B2X必须支持可以与其他B2X进行连接。地面站无线电不需要这种高低频段的配置，因为地面到气球发射频段总是设置为81-86GHz波段，这样可以避免对无线电天文波段的干扰。每个频带内都有几个通道可用来减少附近B2X链路之间的干扰。
每个B2X系统带宽近1Gbps。这么高的链路容量意味着，即使由于天气或距离而减少了容量，也可以允许十几个或更多的气球通过一个B2B或B2G链路进行回传。回程网络管理软件协调了所有B2X和地面站节点来创建具有冗余路径的网络拓扑，以此方式将流量传播到尽可能多地到地面站上。但是一些气球的排列总是会出现瓶颈。Loon的回传和典型的移动网络回传之间的主要区别是Loon在移动并经历了其网络拓扑的连续变化后，会出现很多新的链路和也会有很多链路出现中断。为了降低这种行为对LTE系统的影响，Loon建立了一个跨回传网络的端到端通道，如下图所示，并在拓扑结构变化时管理这些通道的路由。拓扑的变化会在气球相互移动时发生，但它们也可能因为链接或其他故障而发生。由于B2B链接和不同的B2G链接的存在，网络可以容忍大部分故障，如下图所示。
ü Loon的链接和节点都在不断变化中；ü 无线链路受到天气、地形和距离的影响，具有不断变化的射频特性。ü 气球和地面上有许多不同的障碍物，在确定新链接时，以及在现有链接速率下降时也需要考虑。ü 在受湍流影响的移动平台上，回传天线对准有很大不确定性，这会影响建立可靠链接的时间。ü 基于卫星通信的控制链路，具有非常低的数据速率、非常高的延迟和偶尔的中断率，这意味着控制系统也需要添加冗余和弹性。ü 在跨越数千英里的平流层中提供高可用性、自形成和愈合的网格是一个重大的挑战。传统的软件定义网络（SDN）可以协调网络配置和传输流量，但不能处理节点移动或无线扩展的挑战。因此，Loon需要将能够进行运动建模和射频传播的物理引擎相结合与谷歌最好的SDN技术结合，来开发一种先进的时空SDN(TS-SDN)。这个系统的代号为Minkowski。Minkowski TS-SDN基于端到端连接需求，共同优化了跨陆地和非地面网络段的无线链路规划、无线电资源管理和路由。它使用预测的运动和天气预报，通过预测现有链接何时减少或下降以及其他链接何时可用来避免服务中断。如下图所示，Loon的TS-SDN建立在现有的SDN最佳经验之上，并扩展了功能和API，以此来纳入时间和空间特性并且支持异构无线链接。
如下图所示，在标准的openflow的接口基础上，对数据平面（南行）(CDPI)的控制接口进行扩展使SDN可以控制波束、进行无线电资源管理和制定可调度时间。此外，该系统还被设计用于容忍度利用计划、顺序控制消息和并发控制信道（带内和带外控制通道）的延迟和中断。
四、地面站
Loon地面站系统通过高带宽点对点无线连接提供到Loon平流层气球网络的网关。部署的系统利用FDD频谱，FDD信道从71到76GHz（上行链路），配对81到86GHz（下行链路），在每个方向占据750MHz的信道带宽。地面站可以在气球和Loon的核心网络系统之间按指定的路由传输网络数据（控制和用户数据）。该系统的天线罩被设计用于支持E波段频谱中的低插入损耗，并作为地面电站系统的环境密封件。目标插入损耗小于1dB的设计是为了限制对系统链路边缘的影响。雷达罩材料采用ABS塑料，在制造过程中由四个独立的紫外线涂层粘在一起。地面站以地理上不同的方式部署在所需的服务区域周围。此外，在每个站点部署多个地面站，以为特定站点提供更多的备用通道，增加与气球编队的B2G连接，并提供可备份的全360°方位角可访问性。地理多样性和特定站点的通道备份相结合创造了一个高可用性的地面网络，可用性接近99.9%。ISP/载波路由器通常为每个地面站提供一个光纤连接。分界点是根据ISP/运营商路由器的位置逐址确定的。路由的需求如下：ü 必须能够接受/64IPv6和/28IPv4全球可路由的前缀长度ü ISP必须只使用BGP广播LoonIPv4和IPv6默认路由ü ISP不广播完整的IPv4/v6互联网路由表ü 支持使用带有密钥的RFC2385或RFC5925之一的BGP会话身份验证ü 当多个Loon到ISP链路有效时，支持支持eBGP多路径的ECMP流量平衡ü 支持通用的TTL安全机制(RFC5082)ü 支持额外的BGP操作和当前安全最佳实践(RFC7454)Loon还设计了一个基于802.11的wi-fi（气球）的无线电和地面站，作为E波段系统的前身。Wi-Fi地面站被部署用于测试和验证气球平台上的通信系统。Wi-Fi地面站是基于一个类似于E波段地面站的商用海洋卫星终端。WiFi系统不能支持气球到气球的链接。此外，欧洲对户外使用的Wi-Fi频谱，将EIRP限制在一个不支持地面到气球连接的水平。因此，虽然这一系统最初在秘鲁和波多黎各成功地支持了灾害，但在商业上并不实用。（注：载荷原文来自Google X实验室网站）
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