第1章 科学(1)

无处不在的未来互联网

文/赵洋

2013年北京高考作文是一篇材料作文：“假如爱迪生来21世纪生活一个星期，最让他感到新奇的会是什么？”出题者认为，爱迪生面对手机将诧异莫名。其实，手机不过是爱迪生时代一系列发明功能的集成——电话、电影放映机、留声机……如果爱迪生穿越到21世纪，他更可能对互联网感到惊奇。毕竟这是这个时代最具变革性的技术之一。

据统计，截至2013年，中国大陆网民规模已达6.18亿，接近全国总人口的一半。2012年，我国手机网民数量是4.2亿，数量超过通过电脑上网的网民。这一切都发生在短短二十年间。1994年4月20日，中国“NCFC工程”通过美国Sprint公司连入Internet的64K国际专线开通，实现了与Internet的全功能连接。从此，中国被国际上正式承认为真正拥有全功能Internet的国家。

二十年里，我们经历了拨号上网到ADSL宽带上网、再到光纤入户、手机上网的变迁；上网的内容也从上BBS、看新闻、聊天，发展到微博、微信等社交媒体。随着时间的推进，我们越来越离不开互联网，但是，网络并非无处不在。不过，现在已经有人开始规划未来的互联网格局，它的特征就是：无处不在。

把Wi-Fi“放上天”

在我们畅游网络时，不要忘记，全球仍有三分之二的人无法获得高速、廉价的互联网接入服务。

在提供互联网连接时，崎岖的地形、自然的阻隔，如丛林、岛屿和山丘等，都提高了铺设网络的成本。传统的做法是通过信号塔、海底光缆等方式提供网络连接。但以创新著称的谷歌工程师们另辟蹊径，他们打算围绕地球建设一个“气球环”，用气球把Wi-Fi信号发射器带上天。这些气球将顺着平流层气流飞行，为气球下方的人们提供无线网络连接服务。风使得这些气球成了名副其实的“移动”网络基站。气球受制于风向，如果要使气球固定在某个位置上空，就必须有外力来抗衡风力。当年航空巨头洛克希德·马丁公司曾尝试使用太阳能飞艇来实现这一目标，但是失败了。

而谷歌工程师们通过“头脑风暴”想出了一个解决方案：放弃采用超大尺寸气球——它们需要太多能量来抗衡风力——转而选择体积小且价钱相对便宜的气象气球。气球上的电子设备是由太阳能面板供电的，仅需4个小时就可以完成充电，生成100瓦的电力，不但足够保证仪器运转，还可以充电用于夜间使用。气球上有一个装载电子设备的设备舱，包括控制系统的电路板、电池，还有无线电天线，以用于与其他气球通信以及与地面网络天线通信。天线配备了特制的无线电射频技术，使用的是2.4GHz与5.8GHz的波段。每只气球可以为40公里直径的地面地区提供网络连接，网速可以达到3G网络的水平。用户在房屋上安装一个特殊的网络天线，就可以接入气球提供的网络服务。网络信号会在气球之间接力传递，然后接入地面的全球互联网服务。

气球的材质是聚乙烯薄膜，充气完成后，高12米，宽15米。它们最多可在空中停留40多天，如果风力风向合适，甚至能够环球飞行。如果担心气球随风飘走，导致出现网络盲区，不要紧，在该地区放飞一组气球就好了。

为了能够控制气球的飞行路线，需要借助风力和太阳能的合力。来自太阳能电池的能量可以控制气球的上升或下降，由于不同的高度有不同的气流，气球就可以飞往地面控制人员希望它们前往的方向了。当然，为了管理这群庞大的气球Wi-Fi热点，使用户在需要的时刻能使用其中的气球，就需要分析海量的风向数据，依靠气象学知识、卓越的模拟技术和大数据资源从中找出规律。这需要后台通过复杂的算法和大量计算资源来解决，而大数据和云计算恰好是谷歌的强项。

目前，谷歌Wi-Fi气球项目正在新西兰进行试验。该计划将释放数千个飘浮于两万米高空（几乎是民航客机飞行高度的两倍）的太阳能高压气球，它们每个都可以充当下方40平方公里范围内的无线基站。在所覆盖的范围内，人们只要使用谷歌提供的天线，就能通过升级版的Wi-Fi进行上网，上网速度类似于目前的3G网络。

未来，同时会有数千个谷歌气球飘浮在地球上空。通过设定指定的回收点，每天将有多个运营中心回收并发送数十个替换的气球。到那时，无论山村还是偏远地区，通过手机接入互联网将不再是难题。

但是，在一些科技工作者眼里，Wi-Fi气球可能还不够“高大上”。不久前美国一家公司宣布计划，将在2015年6月前向近地轨道发射150颗迷你卫星，这些卫星会持续释放无线网络信号，覆盖世界各地，使得任何电子终端都能通过这个卫星网连接上无线网络。该公司还称，此项目或将提供免费服务。这家公司正在寻求美国宇航局的帮助，以期在国际空间站进行信号发射测试，后期还需要美国宇航局帮忙把数百颗迷你卫星送入指定轨道。按照设想，进入预定轨道后的卫星能够接收来自地面基站发射的网络数据，卫星需要对这些数据进行解析，并转换成无线网络释放发射到地球上。

从技术层面来说，通过卫星向地面站持续发射无线网络信号覆盖世界各地，在技术原理上是可行的。这一原理已经被现有许多局域网所采纳，比如海事卫星电话就利用了这项技术。但受到传输距离等自然原因的限制，卫星上网依然无法大规模提供服务。一旦面向全民免费开放，很可能会造成网络瘫痪。而且这个Wi-Fi网络是单向输出模式，和目前常见的Wi-Fi网络是有明显区别的。它只能向网民传输新闻、教育课程、电影、音乐，而网民并不能通过卫星上传信息，社交媒体和网游是玩不成的。不过，即便它无法真正“上网”，它对消除教育资源的不平等还是有着巨大的意义。目前可汗学院、维基百科等知识共享平台都宣布了对这个项目的支持。

星际互联网

太空之旅太枯燥怎么办？上网转转或许能得到缓解。2010年1月，国际空间站上的飞行工程师克里默发出了有史以来第一条来自太空的互联网信息：“我们正在国际空间站实时更新‘推特’（类似微博的社交媒体），这在太空尚属首次。”在此之前，宇航员们更新推特时，要通过电子邮件将内容传递给地面控制中心，由工作人员代为发到宇航员的推特账户上。

国际空间站上的宇航员之所以能够以个人名义访问互联网，是因为美国宇航局启用了“机组人员支持局域网”。该系统依托空间站与地面之间现存的通信系统，为宇航员提供直接的私人通信，以提高他们的生活质量，帮助他们消除在封闭生活环境中的孤独感。国际空间站距地面只有400公里，还不会感到明显的网络延迟，对于更远的太空任务而言，常规的互联网就不灵了。

目前，人类正在为登陆火星做准备。地球和火星之间的距离约为8000万公里，从地球向火星传输信息会有长达4分钟的延迟，一来一回就是8分钟。随着火星的自转，当火星探测器转到另外一边，有一段时间地球和探测器联系的信号将会中断，要等探测器转回朝向地球的一面才能收到信号。因此，星际互联网的协议既要容忍延迟，也要容忍中断。无论是现在的太空探测器，还是未来的火星探测者或小行星采矿者，如果要确保他们能顺畅地访问地球上的互联网，交换数据，与亲友互动，进行娱乐，搜寻信息。建立太阳系内的行星际互联网通信系统是非常必要的。