CN104160639B - 具有超节点气球之间的自由空间光通信和超节点与子节点气球之间的rf通信的气球网络 - Google Patents

具有超节点气球之间的自由空间光通信和超节点与子节点气球之间的rf通信的气球网络 Download PDF

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Abstract

示范性实施例可涉及包括气球之间的光链路和射频链路两者的层次化气球网络。示范性网络系统可包括：(a)多个超节点气球，其中每个超节点气球包括用于与一个或多个其他超节点气球的数据通信的自由空间光通信系统；以及(b)多个子节点气球，其中每个子节点气球包括可操作用于数据通信的射频通信系统。另外，至少一个超节点气球还可包括可操作来向至少一个子节点气球发送数据的RF通信系统，其中至少一个子节点气球的RF通信系统还可操作来接收由至少一个超节点气球发送的数据并将接收到的数据发送到至少一个陆基台站。

Description

具有超节点气球之间的自由空间光通信和超节点与子节点气 球之间的RF通信的气球网络
背景技术
除非本文另外指出，否则本部分中描述的材料并不是本申请中的权利要求的现有技术，并且并不因为被包括在本部分中就被承认为是现有技术。
诸如个人计算机、膝上型计算机、平板计算机、蜂窝电话和无数类型的具备联网能力的设备之类的计算设备在现代生活的许多方面中正越来越普遍。这样，对于经由因特网、蜂窝数据网络和其他这种网络的数据连通性的需求正在增长。然而，在世界的许多地区中，数据连通性仍是不可得的，或者如果可得，也是不可靠的和/或成本高昂的。因此，希望有额外的网络基础设施。
发明内容
在第一方面中，一种示范性网络系统可包括：(a)被配置为气球网络中的超节点的多个超节点气球，其中每个超节点气球包括可操作用于与一个或多个其他超节点气球的数据通信的自由空间光通信系统；以及(b)被配置为气球网络中的子节点的多个子节点气球，其中每个子节点气球包括可操作用于数据通信的射频(RF)通信系统；其中，至少一个超节点气球还包括可操作来向至少一个子节点气球发送数据的RF通信系统，其中至少一个子节点气球的RF通信系统可操作来接收由至少一个超节点气球发送的数据并将接收到的数据发送到至少一个陆基台站。
在另一方面中，一种示范性网络系统可包括：共同作为层次化气球网络操作的多个气球，其中多个气球至少包括(a)多个第一气球和(b)多个第二气球；其中，每个第一气球包括可操作用于与一个或多个其他第一气球的分组数据通信的自由空间光通信系统；其中，每个第二气球包括可操作用于数据通信的射频(RF)通信系统；并且其中，至少一个第一气球还包括可操作来向至少一个第二气球发送数据的RF通信系统，其中至少一个第二气球的RF通信系统可操作来接收由至少一个第一气球发送的数据并且将接收到的数据发送到至少一个陆基台站。
本领域普通技术人员通过阅读以下详细描述并在适当时参考附图，将清楚这些以及其他方面、优点和替换方案。
附图说明
图1是根据示范性实施例图示出气球网络的简化框图。
图2是根据示范性实施例图示出气球网络控制系统的框图。
图3根据示范性实施例示出了高空气球。
图4是根据示范性实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框图。
图5A和5B根据示范性实施例示出了被气球网络的一部分覆盖的区域。
图6A根据示范性实施例示出了跨越数个限定的地理区域的示范性气球网络的覆盖范围。
图6B是根据示范性实施例的气球集群的简化图示。
图6C根据示范性实施例示出了跨越与图6A所示相同的地理区域的相同气球网络。
具体实施方式
本文描述了示范性方法和系统。应当理解，本文中使用“示范性”一词来指“充当示例、实例或例示”。本文描述为“示范性”的任何实施例或特征不一定要被理解为比其他实施例或特征更优选或有利。本文描述的示范性实施例不欲进行限定。容易理解，所公开的系统和方法的某些方面可按许多种不同的配置来布置和组合，所有这些在这里都已被设想到。
I.概述
示范性实施例帮助提供了包括多个气球(balloon)的数据网络；例如，由部署在平流层(stratosphere)中的高空气球(high-altitude balloon)形成的网格网络(meshnetwork)。由于平流层中的风可以以差动的方式影响气球的位置，所以示范性网络中的每个气球可被配置为通过调整其垂直位置(即，高度)来改变其水平位置。例如，通过调整其高度，气球可能够找到将把它水平地(例如在纬度上和/或经度上)运载到期望的水平位置的风。
另外，在示范性气球网络中，气球可利用自由空间光通信来与彼此通信。例如，气球可被配置用于使用超亮LED(也可称为“高功率”或“高输出”LED)的光通信。在一些场合中，取代LED或者除了LED之外可以使用激光，虽然关于激光通信的规章可能限制激光使用。此外，气球可利用射频(radio-frequency，RF)通信与(一个或多个)陆基台站(ground-based station)通信。
在一些实施例中，高空气球网络可以是同质的。也就是说，高空气球网络中的气球可以在一个或多个方面与彼此基本相似。更具体而言，在同质高空气球网络中，每个气球被配置为经由自由空间光链路与一个或多个其他气球通信。另外，这种网络中的气球中的一些或全部可还被配置为利用RF通信与(一个或多个)陆基台站通信。从而，在一些实施例中，气球就每个气球被配置用于与其他气球的自由空间光通信而言可以是同质的，但至于与陆基台站的RF通信则是异质的。
在其他实施例中，高空气球网络可以是异质的，从而可包括两种或更多种不同类型的气球(即，以实质上不同的方式工作的两种或更多种类型的气球)。例如，异质网络中的一些气球可被配置为超节点(super-node)，而其他气球可被配置为子节点(sub-node)。还有可能异质网络中的一些气球可被配置为既充当超节点又充当子节点。这种气球在特定的时间可充当超节点或者子节点，或者可替换地，取决于情境可同时充当这两者。例如，示例气球可聚集第一类型的搜索请求以发送到陆基台站。示例气球还可将第二类型的搜索请求发送到另一气球，该另一气球在该情境中可充当超节点。另外，在示范性实施例中可以是超节点的一些气球可被配置为经由光链路与陆基台站和/或卫星通信。
在示范性配置中，超节点气球可被配置为经由自由空间光链路与附近的超节点气球通信。然而，子节点气球可不被配置用于自由空间光通信，而是可被配置用于某种其他类型的通信，例如RF通信。在该情况下，超节点可还被配置为利用RF通信与子节点通信。从而，子节点可利用RF通信在超节点与一个或多个陆基台站之间中继通信。这样，超节点可以总体上充当气球网络的回程(backhaul)，而子节点起到将通信从超节点中继到陆基台站的功能。
II.示范性气球网络
图1是根据示范性实施例图示出气球网络100的简化框图。如图所示，气球网络100包括气球102A至102F，这些气球被配置为经由自由空间光链路104与彼此通信。在这样配置的情况下，气球102A至102F可以共同充当用于分组数据通信的网格网络。另外，气球102A和102B中的至少一些可被配置用于经由相应的RF链路108与陆基台站106的RF通信。另外，一些气球，例如气球102F，可被配置为经由光链路110与陆基台站112通信。
在示范性实施例中，气球102A至102F是部署在平流层中的高空气球。在中等纬度，平流层包括地表之上大约10公里(km)到50km高度之间的高度。在南北极，平流层开始于大约8km的高度。在示范性实施例中，高空气球可大体上被配置为在具有相对较低的风速(例如，在5到20英里每小时(mph)之间)的平流层内的高度范围中操作。
更具体而言，在高空气球网络中，气球102A至102F可大体上被配置为在18km到25km之间的高度处操作(虽然其他高度也是可能的)。此高度范围可能由于若干个原因而是有利的。具体地，平流层的这一层一般具有相对较低的风速(例如，5到20mph之间的风)和相对较小的湍流。另外，虽然18km到25km之间的风可随着纬度并根据季节而变化，但可以以相当精确的方式对这些变化建模。此外，18km以上的高度通常超过了为商业空中交通指定的最大飞行高度。因此，当气球被部署在18km到25km之间时，与商业班机之间的干扰不是要担心的问题。
为了向另一气球发送数据，给定的气球102A至102F可被配置为经由光链路104发送光信号。在示范性实施例中，给定的气球102A至102F可使用一个或多个高功率发光二极管(light-emitting diode，LED)来发送光信号。或者，气球102A至102F中的一些或全部可包括激光系统，用于通过光链路104的自由空间光通信。其他类型的自由空间光通信也是可能的。另外，为了经由光链路104从另一气球接收光信号，给定的气球102A至102F可包括一个或多个光学接收器。示范性气球的额外细节在下文参考图3更详细论述。
在另一方面中，气球102A至102F可利用各种不同的RF空中接口协议中的一种或多种来经由相应的RF链路108与陆基台站106通信。例如，气球102A至102F中的一些或全部可被配置为利用IEEE 802.11(包括IEEE 802.11的任何修订版)中描述的协议、诸如GSM、CDMA、UMTS、EV-DO、WiMAX和/或LTE之类的各种蜂窝协议和/或为气球-地面RF通信开发的一个或多个专有协议等等来与陆基台站106通信。
在另一方面中，可存在如下场景：RF链路108不为气球-地面的通信提供期望的链路容量。例如，为了提供从陆基网关(ground-baased gateway)的回程链路以及在其他场景中，可希望有增大的容量。因此，示范性网络还可包括下行链路气球，这些下行链路气球提供高容量空-地链路。
例如，在气球网络100中，气球102F被配置为下行链路气球。与示范性网络中的其他气球一样，下行链路气球102F可操作以用于经由光链路104与其他气球的光通信。然而，下行链路气球102F还可被配置用于经由光链路110与陆基台站112的自由空间光通信。光链路110因此可用作气球网络100与陆基台站108之间的高容量链路(与RF链路108相比)。
注意，在一些实现方式中，下行链路气球102F还可操作用于与陆基台站106的RF通信。在其他情况下，下行链路气球102F可以只将光链路用于气球到地面的通信。另外，虽然图1所示的布置只包括一个下行链路气球102F，但示范性气球网络也可包括多个下行链路气球。另一方面，气球网络也可实现为没有任何下行链路气球。
在其他实现方式中，取代自由空间光通信系统或者除了自由空间光通信系统以外，下行链路气球可配备有专门的高带宽RF通信系统用于气球到地面的通信。高带宽RF通信系统可采取超宽带系统的形式，该超宽带系统可提供具有与光链路104之一基本相同的容量的RF链路。其他形式也是可能的。
陆基台站，例如陆基台站106和/或108，可采取各种形式。一般地，陆基台站可包括诸如收发器、发送器和/或接收器之类的组件，用于经由RF链路和/或光链路与气球网络通信。另外，陆基台站可使用各种空中接口协议来通过RF链路与气球102A至102F通信。这样，陆基台站106可被配置为接入点，经由该接入点，各种设备可连接到气球网络100。在不脱离本发明的范围的情况下，陆基台站106可具有其他配置和/或起到其他作用。
在另一方面中，除了陆基通信链路(ground-based communication link)以外或者作为陆基通信链路的替换，一些或所有气球102A至102F可被配置为与天基卫星(space-based satellite)建立通信链路。在一些实施例中，气球可经由光链路与卫星通信。然而，其他类型的卫星通信也是可能的。
另外，一些陆基台站，例如陆基台站108，可被配置为气球网络100与一个或多个其他网络之间的网关。这种陆基台站108从而可用作气球网络与因特网、蜂窝服务提供商的网络和/或其他类型的网络之间的接口。关于这个配置和陆基台站108的其他配置的变化也是可能的。
A.网格网络功能
如上所述，气球102A至102F可共同充当网格网络。更具体而言，由于气球102A至102F可利用自由空间光链路与彼此通信，所以这些气球可共同充当自由空间光学网格网络。
在网格网络配置中，每个气球102A至102F可充当网格网络的节点，该节点可操作来接收送往它的数据并将数据路由到其他气球。这样，通过确定源气球与目的地气球之间的光链路的适当序列，可将数据从源气球路由到目的地气球。这些光链路对于源和目的地气球之间的连接可被统称为“光路”。另外，每个光链路可被称为光路上的“跳”。
为了作为网格网络操作，气球102A至102F可采用各种路由技术和自我修复算法。在一些实施例中，气球网络100可采用自适应或动态路由，其中源和目的地气球之间的光路在需要连接时被确定并建立，并且在以后某时被释放。另外，当使用自适应路由时，可依据气球网络的当前状态、过去状态和/或预测状态来动态地确定光路。
此外，随着气球102A至102F相对于彼此和/或相对于地面移动，网络拓扑可变化。因此，示范性气球网络100可应用网格协议来随着网络的拓扑变化而更新网络的状态。例如，为了解决气球102A至102F的移动性，气球网络100可采用和/或适应性地修改移动自组网络(mobile ad hoc network，MANET)中采用的各种技术。其他示例也是可能的。
在一些实现方式中，气球网络100可被配置为透明网格网络。更具体而言，在透明气球网络中，气球可包括用于完全光学化的物理交换的组件，其中在光信号的物理路由中不涉及任何电气组件。从而，在具有光学交换的透明配置中，信号行经完全光学化的多跳光路。
在其他实现方式中，气球网络100可实现不透明的自由空间光学网格网络。在不透明配置中，一些或全部气球102A至102F可实现光-电-光(optical-electrical-optical，OEO)交换。例如，一些或全部气球可包括光学交叉连接(optical cross-connect，OXC)用于光信号的OEO转换。其他不透明配置也是可能的。
在另一方面中，示范性气球网络100中的气球可实现波分复用(wavelengthdivision multiplexing，WDM)，这可帮助增大链路容量。当以透明交换实现WDM时，穿过气球网络的物理光路可受到“波长连续性约束”。更具体而言，因为透明网络中的交换是完全光学化的，所以可能有必要向给定光路上的所有光链路指派相同的波长。
另一方面，不透明配置可避免波长连续性约束。具体地，不透明气球网络中的气球可包括可操作用于波长转换的OEO交换系统。结果，气球可在沿着光路的每一跳处转换光信号的波长。
另外，在不透明配置中可采用各种路由算法。例如，为了为给定的连接确定主光路和/或一个或多个不同的备用光路，示范性气球可应用或考虑最短路径路由技术，例如Dijkstra的算法和k最短路径，和/或边缘和节点多样或分离路由(node-diverse ordisjoint routing)，例如Suurballe的算法，等等。额外地或替换地，在确定光路时可采用用于维持特定服务质量(quality of service，QoS)的技术。其他技术也是可能的。
B.台站保持功能
在示范性实施例中，气球网络100可实现台站保持(station-keeping)功能来帮助提供期望的网络拓扑。例如，台站保持可涉及每个气球102A至102F维持和/或移动到相对于网络中的一个或多个其他气球的特定位置(并且可能在相对于地面的特定位置)。作为此过程的一部分，每个气球102A至102F可实现台站保持功能以确定其在期望拓扑内的期望定位，并且如果必要，确定如何移动到期望位置。
期望拓扑可依据特定的实现方式而有所不同。在一些情况下，气球可实现台站保持来提供基本上均一的拓扑。在这种情况下，给定的气球102A至102F可实现台站保持功能来将其自身定位在与气球网络100中的邻近气球相距基本上相同的距离处(或者在一定距离范围内)。
在其他情况下，气球网络100可具有非均一拓扑。例如，示范性实施例可涉及如下的拓扑：在这些拓扑中，出于各种原因，气球在某些区域中分布得更密集或更不密集。作为示例，为了帮助满足城市区域中典型的更高带宽需求，气球在城市区域上方可更密集地群集。由于类似的原因，气球的分布在陆地上可以比在大水体上更密集。非均一拓扑的许多其他示例是可能的。
在另一方面中，示范性气球网络的拓扑可以是可适应性修改的。具体地，示范性气球的台站保持功能可允许气球根据网络的期望拓扑的变化来调整其各自的定位。例如，一个或多个气球可移动到新的位置以增大或减小给定区域中气球的密度。其他示例是可能的。
在一些实施例中，气球网络100可采用能量函数来确定气球是否应当移动和/或应当如何移动来提供期望的拓扑。具体地，给定气球的状态和一些或全部附近气球的状态可以是能量函数的输入。能量函数可将给定气球和附近气球的当前状态应用到期望的网络状态(例如，与期望拓扑相对应的状态)。随后可通过确定能量函数的梯度来确定指示给定气球的期望移动的向量。给定气球随后可确定为了实现期望的移动而要采取的适当动作。例如，气球可确定一个或多个高度调整以使得风将会以期望的方式来移动气球。
C.对气球网络中的气球的控制
在一些实施例中，网格联网和/或台站保持功能可以是集中式的。例如，图2是根据示范性实施例图示出气球网络控制系统的框图。具体地，图2示出了分布式控制系统，其包括中央控制系统200和数个区域控制系统202A至202B。这种控制系统可被配置为为气球网络204协调某些功能，并且因此可被配置为为气球206A至206I控制和/或协调某些功能。
在图示的实施例中，中央控制系统200可被配置为经由数个区域控制系统202A至202C与气球206A至206I通信。这些区域控制系统202A至202C可被配置为从其所覆盖的各个地理区域中的气球接收通信和/或聚集数据，以及将这些通信和/或数据中继到中央控制系统200。另外，区域控制系统202A至202C可被配置为将通信从中央控制系统200路由到其各自的地理区域中的气球。例如，如图2所示，区域控制系统202A可在气球206A至206C与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，区域控制系统202B可在气球206D至206F与中央控制系统200之间中继通信和/或数据，并且区域控制系统202C可在气球206G至206I与中央控制系统200之间中继通信和/或数据。
为了促进中央控制系统200与气球206A至206I之间的通信，某些气球可被配置为可操作来与区域控制系统202A至202C通信的下行链路气球。因此，每个区域控制系统202A至202C可被配置为与其所覆盖的各个地理区域中的一个或多个下行链路气球通信。例如，在图示的实施例中，气球204A、204D和204H被配置为下行链路气球。这样，区域控制系统202A至202C可分别经由光链路206、208和210与气球204A、204D和204H通信。
在图示的配置中，气球206A至206I中只有一些被配置为下行链路气球。被配置为下行链路气球的气球206A、206F和206I可将通信从中央控制系统200中继到气球网络中的其他气球，例如气球206B-E和206G-H。然而，应当理解，在一些实现方式中，有可能所有气球都可充当下行链路气球。另外，虽然图2示出了多个气球被配置为下行链路气球，但也有可能气球网络只包括一个下行链路气球，或者可能甚至不包括下行链路气球。
注意，区域控制系统202A至202B可能实际上只是被配置为与下行链路气球通信的特定类型的陆基台站(例如，如图1的陆基台站112)。从而，虽然在图2中未示出，但可结合其他类型的陆基台站(例如，接入点、网关等等)实现控制系统。
在集中式控制布置中，例如图2中所示的那种，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)可为气球网络204协调某些网格联网功能。例如，气球206A至206I可向中央控制系统200发送某些状态信息，中央控制系统200可利用这些状态信息来确定气球网络204的状态。来自给定气球的状态信息可包括位置数据、光链路信息(例如，气球与之建立光链路的其他气球的身份、链路的带宽、链路上的波长使用和/或可用性，等等)、气球收集的风数据、和/或其他类型的信息。因此，中央控制系统200可聚集来自气球206A至206I中的一些或全部的状态信息以便确定网络的整体状态。
网络的整体状态随后可用于协调和/或促进某些网格联网功能，例如为连接确定光路。例如，中央控制系统200可基于来自气球206A至206I中的一些或全部的聚集状态信息来确定当前拓扑。拓扑可提供气球网络中可用的当前光链路和/或链路上的波长可用性的图景。此拓扑随后可被发送到气球中的一些或全部，从而使得可以采用路由技术来为通过气球网络204的通信选择适当的光路(以及可能选择备用光路)。
在另一方面中，中央控制系统200(并且区域控制系统202A至202C也可能)还可为气球网络204协调某些台站保持功能。例如，中央控制系统200可以把从气球206A至206I接收的状态信息输入到能量函数，该能量函数可有效地将网络的当前拓扑与期望的拓扑相比较，并且提供为每个气球指示移动的方向(如果有移动的话)的向量，以使得气球可朝着期望的拓扑移动。另外，中央控制系统200可以使用高度风数据来确定可被发起来实现朝着期望拓扑的移动的各个高度调整。中央控制系统200也可提供和/或支持其他台站保持功能。
图2示出了提供集中式控制的分布式布置，其中区域控制系统202A至202C协调中央控制系统200与气球网络204之间的通信。这种布置对于为覆盖大地理区域的气球网络提供集中式控制可能是有用的。在一些实施例中，分布式布置甚至可支持在地球上每个地方提供覆盖的全球气球网络。当然，分布式控制布置在其他场景中也可以是有用的。
另外，应当理解，其他控制系统布置也是可能的。例如，一些实现方式可涉及具有额外的层(例如，区域控制系统内的子区域系统，等等)的集中式控制系统。可替换地，控制功能可由单个集中式控制系统提供，该系统可与一个或多个下行链路气球直接通信。
在一些实施例中，取决于实现方式，对气球网络的控制和协调可由陆基控制系统和气球网络在不同程度上共享。实际上，在一些实施例中，可以没有陆基控制系统。在这种实施例中，所有网络控制和协调功能可由气球网络自身实现。例如，某些气球可被配置为提供与中央控制系统200和/或区域控制系统202A至202C相同或相似的功能。其他示例也是可能的。
此外，对气球网络的控制和/或协调可以是分散式的。例如，每个气球可将状态信息中继到一些或全部附近气球，并且从一些或全部附近气球接收状态信息。另外，每个气球可以把其从附近气球接收的状态信息中继到一些或全部附近气球。当所有气球都这样做时，每个气球可能够单独确定网络的状态。或者，某些气球可被指定为为网络的给定部分聚集状态信息。这些气球随后可彼此协调来确定网络的整体状态。
另外，在一些方面中，对气球网络的控制可以是部分或完全局部化的，从而使得其不依从于网络的整体状态。例如，个体气球可实现只考虑附近气球的台站保持功能。具体地，每个气球可实现将其自身状态和附近气球的状态考虑在内的能量函数。该能量函数可用于维持和/或移动到相对于附近气球的期望位置，而不必考虑网络整体上的期望拓扑。然而，当每个气球为了台站保持实现这种能量函数时，气球网络整体上可维持期望的拓扑和/或朝着期望的拓扑移动。
作为示例，每个气球A可接收相对于其k个最近邻居中的每一个的距离信息d1至dk。每个气球A可以把到k个气球中的每一个的距离视为虚拟弹簧，其中向量表示从第一最近邻居气球i朝着气球A的力方向，并且力的幅值与di成比例。气球A可对k个向量中的每一个求和，并且总和向量是气球A的期望移动的向量。气球A可通过控制其高度来尝试实现期望的移动。
或者，这个过程可例如指派这些虚拟力中的每一个的力幅值等于di x di。为网格网络中的各个气球指派力幅值的其他算法是可能的。
在另一实施例中，可以为k个气球中的每一个执行类似的过程，并且每个气球可将其计划的运动向量发送到其本地邻居。对每个气球的计划运动向量的更多轮精细化可基于其邻居的相应计划运动向量来进行。对于本领域技术人员显而易见的是，在气球网络中可实现其他算法以尝试在给定的地理位置上方维持一组气球间距和/或特定的网络容量水平。
D.示范性气球配置
在示范性气球网络中可包含各种类型的气球系统。如上所述，示范性实施例可利用高空气球，这些高空气球通常在18km到22km之间的高度范围中操作。图3根据示范性实施例示出了高空气球300。如图所示，气球300包括气囊(envelope)302、套罩(skirt)304、有效载荷306和附接于气球302与有效载荷304之间的下切系统(cut-down system)308。
气囊302和套罩304可采取当前公知或尚待开发的各种形式。例如，气囊302和/或套罩304可由金属化聚酯薄膜(Mylar)或双向拉伸聚酯薄膜(BoPet)构成。替换地或额外地，气囊302和/或套罩304中的一些或全部可由诸如氯丁二烯之类的高灵活性乳胶材料或橡胶材料构成。其他材料也是可能的。另外，气囊302和套罩304的形状和大小可依据特定的实现方式而有所不同。此外，气囊302可被填充以各种不同类型的气体，例如氦气和/或氢气。其他类型的气体也是可能的。
气球300的有效载荷306可包括处理器312和机载数据存储装置，例如存储器314。存储器314可采取非暂态计算机可读介质的形式或者包括非暂态计算机可读介质。非暂态计算机可读介质上可存储有指令，这些指令可被处理器312访问并执行以便执行本文描述的气球功能。
气球300的有效载荷306还可包括各种其他类型的设备和系统来提供数种不同的功能。例如，有效载荷306可包括光通信系统316，该光通信系统316可经由超亮LED系统320发送光信号，并且可经由光通信接收器(例如，光电二极管接收器系统)接收光信号。另外，有效载荷306可包括RF通信系统318，该RF通信系统318可经由天线系统324发送和/或接收RF通信。
有效载荷306还可包括电源326来向气球300的各种组件供应电力。电源326可包括可再充电电池或者采取可再充电电池的形式。在其他实施例中，电源326可以额外地或替换地代表本领域中已知的用于产生电力的其他手段。此外，气球300可包括太阳能电力生成系统327。太阳能电力生成系统327可包括太阳能电池板并且可用于生成对电源326充电和/或被电源326配送的电力。
另外，有效载荷306可包括各种类型的其他系统和传感器328。例如，有效载荷306可包括一个或多个视频和/或静止相机、GPS系统、各种运动传感器(例如，加速度计、陀螺仪和/或罗盘)，和/或用于捕捉环境数据的各种传感器。另外，有效载荷306内的组件中的一些或全部可在无线电探空仪(radiosonde)中实现，该无线电探空仪可操作来测量例如压力、高度、地理位置(纬度和经度)、温度、相对湿度和/或风速和/或风向以及其他信息。
如上所述，气球306包括超亮LED系统320，用于与其他气球的自由空间光通信。这样，光通信系统316可被配置为通过调制超亮LED系统320来发送自由空间光信号。光通信系统316可实现有机械系统和/或硬件、固件和/或软件。一般地，实现光通信系统的方式可依据具体应用而有所不同。
在另一方面中，气球300可被配置用于高度控制。例如，气球300可包括可变浮力系统，该系统可被配置为通过调整气球300中的气体的体积和/或密度来改变气球300的高度。可变浮力系统可采取各种形式，并且一般可以是任何可改变气囊302中的气体的体积和/或密度的系统。
在示范性实施例中，可变浮力系统可包括位于气囊302内部的囊袋(bladder)310。囊袋310可以是被配置为保持液体和/或气体的弹性腔。替换地，囊袋310不需要在气囊302内部。例如，囊袋310可以是可被加压到远超过中性压力的刚性囊袋。因此可通过改变囊袋310中的气体的密度和/或体积来调整气球300的浮力。为了改变囊袋310中的密度，气球300可被配置有用于加热和/或冷却囊袋310中的气体的系统和/或机构。另外，为了改变体积，气球300可包括用于向囊袋310添加气体和/或从囊袋310去除气体的泵或其他特征。额外地或替换地，为了改变囊袋310的体积，气球300可包括可控制来允许气体从囊袋310逸出的放气阀或其他特征。在本公开的范围内可实现多个囊袋310。例如，多个囊袋可用于提高气球稳定性。
在示例实施例中，气囊302可被填充以氦气、氢气或其他比空气轻的材料。气囊302从而可具有关联的向上浮力。在这种实施例中，囊袋310中的空气可被认为是可具有关联的向下压载力的压载舱。在另一示范性实施例中，通过向囊袋310中泵入空气和从囊袋310中泵出空气(例如利用空气压缩机)，可以改变囊袋310中的空气的量。通过调整囊袋310中的空气的量，可以控制压载力。在一些实施例中，压载力可以部分用于抵消浮力和/或提供高度稳定性。
在其他实施例中，气囊302可以基本上是刚性的并且包括包封的体积。可在基本上维持该包封的体积的同时将空气从气囊302中排出。换言之，在包封的体积内可以产生并维持至少部分真空。从而，气囊302和包封的体积可以变得比空气轻并提供浮力。在其他实施例中，可以可控地将空气或另外的材料引入到包封的体积的部分真空中以尝试调整整体浮力和/或提供高度控制。
在另一实施例中，气囊302的一部分可以是第一颜色(例如黑色)和/或第一材料，而气囊302的其余部分可具有第二颜色(例如白色)和/或第二材料。例如，第一颜色和/或第一材料可被配置为比第二颜色和/或第二材料吸收相对更大量的太阳能量。从而，旋转气球以使得第一材料面对太阳可起到加热气囊302以及气囊302内部的气体的作用。这样，气囊302的浮力可增大。通过旋转气球以使得第二材料面对太阳，气囊302内部的气体的温度可减小。因此，浮力可减小。这样，通过利用太阳能量改变气囊302内部的气体的温度/体积，可以调整气球的浮力。在这种实施例中，有可能囊袋310可以不是气球300的必要元件。从而，在各种设想到的实施例中，可以至少部分通过调整气球相对于太阳的旋转来实现对气球300的高度控制。
另外，气球306可包括导航系统(未示出)。导航系统可实现台站保持功能以维持期望的拓扑内的位置和/或根据期望的拓扑移动到一位置。具体地，导航系统可使用高度风数据来确定使得风在期望的方向上和/或向期望的位置运载气球的高度调整。高度控制系统随后可对气球腔的密度进行调整以便实现所确定的高度调整并使得气球横向移动到期望的方向和/或期望的位置。
或者，高度调整可由陆基控制系统来计算并被传达给高空气球。作为另一替换方案，高度调整可由陆基控制系统或基于卫星的控制系统来计算并被传达给高空气球。此外，在一些实施例中，异质气球网络中的特定气球可被配置为为其他气球计算高度调整并向这些其他气球发送调整命令。
如图所示，气球300还包括下切系统308。下切系统308可被激活以将有效载荷306与气球300的其余部分分离。可在任何需要在地面上访问有效载荷时利用这个功能，例如当是时候将气球300从气球网络中去除时，当在有效载荷306内的系统上应当进行维护时和/或当电源326需要被再充电或更换时。
在示范性实施例中，下切系统308可包括将有效载荷306连接到气囊302的连接器，例如气球绳，以及用于切断该连接器的装置(例如，剪切机构或爆炸螺栓)。在示例实施例中，可以为尼龙的气球绳被包裹以镍铬合金线。可以使电流经过该镍铬合金线以对其进行加热并熔化该绳，从而将有效载荷306从气囊302切离。其他类型的下切系统和/或关于图示的下切系统308的变化也是可能的。
在替换布置中，气球可不包括下切系统。在这种布置中，在需要将气球从网络中去除和/或需要在地面上访问气球的情况下，导航系统可操作来将气球导航到着陆位置。另外，有可能气球可以是自给自足的，从而理论上不需要在地面上访问它。在其他实施例中，可以由特定的服务气球或另外类型的服务航空器或服务飞行器来在飞行中检修气球。
III.在气球之间具有光链路和RF链路的气球网络
在一些实施例中，高空气球网络可包括经由光链路与彼此通信的超节点气球，以及经由RF链路与超节点气球通信的子节点气球。图4是根据示范性实施例图示出包括超节点和子节点的气球网络的简化框图。更具体而言，图4图示了包括超节点气球410A至410C(也可称之为“超节点”)和子节点气球420A至420Q(也可称之为“子节点”)的气球网络400的一部分。
每个超节点气球410A至410C可包括可操作用于与其他超节点气球的分组数据通信的自由空间光通信系统。这样，超节点可通过光链路与彼此通信。例如，在图示的实施例中，超节点410A和超节点401B可通过光链路402与彼此通信，并且超节点410A和超节点401C可通过光链路404与彼此通信。
子节点气球420A至420Q中的每一个可包括可操作用于通过一个或多个RF空中接口的分组数据通信的射频(RF)通信系统。因此，超节点气球410A至410C中的一些或全部可包括可操作来将分组数据路由到一个或多个附近的子节点气球420A至420Q的RF通信系统。当子节点420A经由RF链路接收到来自超节点410A的数据时，子节点420A可进而使用其RF通信系统来经由RF链路将接收到的数据发送到陆基台站430A至430L。
在一些实施例中，所有子节点气球可被配置为与陆基台站建立RF链路。例如，所有子节点可与子节点420A类似地配置，子节点420A可操作来经由相应的RF链路在超节点410A与陆基台站430A之间中继通信。
在其他实施例中，一些或所有子节点也可被配置为与其他子节点建立RF链路。例如，在图示的实施例中，子节点气球420F可操作来在超节点410C和子节点气球420E之间中继通信。在这种实施例中，两个或更多个子节点可在超节点气球与陆基台站之间提供多跳路径，例如由子节点气球420E和420F在超节点410C与陆基台站430E之间提供的多跳路径。
注意，RF链路可以是给定的实体与一个或多个其他实体之间的定向链路，或者可以是全向广播的一部分。在RF广播的情况下，有可能可以经由单个广播提供一个或多个“链路”。例如，超节点气球410A可与子节点气球420A、420B和420C中的每一个建立单独的RF链路。然而，在其他实现方式中，超节点气球410A可广播可被子节点气球420A、420B和420C接收的单个RF信号。在这种实现方式中，单个RF广播可有效地提供超节点气球410A与子节点气球420A、420B和420C之间的所有RF链路。其他示例也是可能的。
一般地，超节点气球之间的自由空间光链路比超节点气球与子节点气球之间的RF链路具有更大的带宽容量。另外，可在比RF通信远得多的距离上接收自由空间光通信。这样，超节点气球410A至410C可充当气球网络400的骨干，而子节点420A至420Q可提供子网络，这些子网络提供对气球网络的接入和/或将气球网络连接到其他网络。
如上所述，超节点410A至410C既可被配置用于与其他超节点的较长距离的光通信，又可被配置用于与附近的子节点420的较短距离的RF通信。例如，超节点410A至410C可使用高功率或超亮LED来通过可延伸100英里那么长或者可能更长的光链路402、404发送光信号。这样配置的超节点410A至410C可能够以10到50千兆比特/秒的数据速率进行光通信。
然后更多的高空气球可被配置为子节点，这些子节点可以以大约10兆比特/秒的数据速率与陆基因特网节点通信。例如，在图示的实现方式中，子节点420A至420Q可被配置为将超节点410A至410C连接到其他网络和/或直接连接到客户端设备。注意，以上示例中和本文其他地方描述的数据速率和链路距离是为了说明而提供的，而不应当被认为是限制性的；其他数据速率和链路距离是可能的。
在另一方面中，超节点气球中的一些或全部可被配置为下行链路气球。额外地或替换地，子节点420A至420Q中的一些或全部可被配置为下行链路气球。另外，有可能可以实现例如图4所示的层次化气球网络而没有任何下行链路气球。
另外，在一些实施例中，超节点气球，例如超节点410A至410C，可充当核心网络(即，骨干网络)，而子节点气球420A至420Q可充当到超节点的核心网络的一个或多个接入网络。在这种实施例中，子节点420A至420Q中的一些或全部也可充当到气球网络400的网关。还要注意，在一些实施例中，陆基台站430A至430L中的一些或全部可额外地或替换地充当到气球网络400的网关。
在另一方面中，应当理解图4所示的层次化气球网络的网络拓扑只是许多可能的网络拓扑中的一种。另外，示范性气球网络的网络拓扑可随着超节点和/或子节点气球相对于地面和/或相对于彼此移动而动态地变化。另外，与图1和2所示的气球网络一样，可以为层次化气球网络规定期望的拓扑，或者期望的拓扑可随着时间的流逝随着服务需要和/或网络变化的目标而动态地变化。
A.示范性层次化气球网络中的台站保持
在另一方面中，示范性气球网络可以采用台站保持功能来实现符合期望拓扑或者从期望拓扑偏离可接受的量的拓扑。从而，虽然可以以实现期望拓扑的理论目标来实现台站保持功能，但示范性台站保持功能也可根据灵活的台站保持参数来实现，而不是根据关于气球相对于地面和/或相对于彼此的定位的严格规则。例如，气球网络中的台站保持参数可包括分离气球的可接受距离的范围和/或相对于气球的期望(即目标)密度的可接受变化。其他台站保持参数也是可能的。
允许从期望拓扑的这种偏离在气球仅仅依赖于高度控制来控制移动时(例如，通过移动到风将气球朝着期望位置运载的高度)可尤其有用。更具体而言，在这个灵活的框架中，超节点和或子节点可在基本上保持在期望拓扑的约束内的同时相对于彼此移动。具体地，由于示范性高空气球除了风运载气球以外可能没有其他水平移动的手段，所以气球可能处于基本上连续的移动中。这样，气球可评估高度风数据，以及其自己的位置和附近气球的位置。气球随后可向此数据应用能量函数以确定期望的移动的方向，然后调整高度(如果必要的话)以帮助实现该期望方向上的移动。当然，用于确定期望方向的其他技术也是可能的。
在另一方面中，当数个气球位于某个区域中，并且这些气球中的一个或多个基本上未被使用(或者使用的水平低于期望)时，该区域中的气球可以协同让这些气球中的一个或多个离开该区域。具体地，所选择的一个或多个气球可改变高度以便到达比该区域中的其他气球更快速移动的空气层。被选气球因此可以比该区域中的其他气球更迅速地移动，直到其到达气球网络中的另一区域为止。当被选气球到达其他区域时，其随后可调整高度以移动到与其移动到的区域中的其他气球具有相同或相似风速的空气层中。通过经历此过程，气球可有效地从网络的一个部分移动到另一个。这样，这个过程可用来转移网络资源，例如从带宽未被充分利用的区域转移到希望有更多带宽的区域。
图5A和5B根据示范性实施例示出了被气球网络500的一部分覆盖的区域501。在图5A所示的气球网络500的状态中，期望拓扑可规定气球网络500优选应当具有一定的密度(即，一定数目的超节点和/或一定数目的子节点)并且优选应当在区域502内均匀分布(例如，使得气球与彼此是等距离的)。在这些台站保持参数的框架中，超节点气球510A至510C和子节点气球520A至520I可位于地理区域501上方，如图5A所示。
然而，由于气球网络500中的气球可能处于基本上连续的运动中，所以应当理解，图5A可表示气球网络500的瞬时状态。从而，气球网络500的拓扑在以后某时间点看起来可能会非常不同，而仍然符合相同的台站保持参数和相同的期望拓扑。例如，在图5B所示的气球网络500的状态中，超节点气球510A至510C和子节点气球520A至520I的位置与图5A所示的位置相比相对于地面和相对于彼此已变化。
图5A和5B之间所示出的网络状态的变化也说明了随着气球在由一组台站保持参数限定的框架内移动，气球网络可如何建立和拆除光链路和/或RF链路。更具体而言，在图5A中，在超节点气球510A和510B之间、超节点气球510A和510C之间以及超节点气球510B和510C之间有光链路。然而，在图5B中，超节点510C已移出了地理区域501，使得其不再定位在从超节点510A和510B起的可接受距离范围内。另外，另一超节点气球510D移动到了地理区域501中的在从超节点510A和510B起的可接受距离范围内的位置。因此，在图5B所示的网络状态中，超节点气球510A和510C之间的光链路和超节点气球510B和510C之间的光链路已被拆除。另外，在图5B所示的状态中，超节点气球510C和510D与彼此在可接受距离内，这样，在超节点气球510C和510D之间建立了光链路。
如图5B中还示出的，每个子节点气球520A至520I的定位相对于超节点气球510A至510C和其他子节点气球已变化了。更具体而言，在图5A所示的状态中，超节点气球510A与子节点520A、520B和520C建立了RF链路，超节点气球510B与子节点520D、520E和520F建立了RF链路，并且超节点气球510C与子节点520G、520H和520I建立了RF链路。然而，在图5B所示的网络状态中，超节点气球510A只与子节点520B维持着RF链路，并且与子节点520D和520H建立了新的RF链路。另外，超节点气球510B只与子节点520E维持着RF链路，并且与子节点520A和520G建立了新的RF链路。
此外，超节点气球510C不再与子节点520A至520I中的任何一个具有RF链路。取而代之，超节点气球510D与子节点520C、520F和520I建立了RF链路。然而，注意，超节点气球510C可能与其他子节点建立了一个或多个新的RF链路，这些在图5B中没有示出。
在另一方面中，图5A和5B还说明了如下事实：为了台站保持，气球可以是可互换的。更具体而言，在图5B中，超节点气球510C已移动，使得超节点510C与超节点510A和510B之间的距离超出了当前台站保持参数所规定的可接受距离范围的上限。然而，示范性的台站保持功能可由于各种原因而允许这种情形发生。例如，台站保持参数还可规定超节点气球的期望密度(例如，在某个区域中希望的超节点气球的数目)。在图示的示例中，超节点密度参数可规定一般应当有三个超节点位于区域501内。因此，如果超节点510D移动到区域501中，则另一超节点(例如，超节点510C)可被允许移出区域501。其他示例也是可能的。
在一些实现方式的另一方面中，可以在不区分超节点气球和子节点气球的情况下限定层次化气球网络的期望拓扑。在这种实施例中，超节点510A至510D和子节点520A至520I可以以相同或相似的方式实现台站保持。例如，期望拓扑可限定相邻气球之间的一定期望距离。这样，一超节点与另一超节点之间的期望距离可与一超节点与一子节点之间的期望距离相同，并且与两个子节点之间的期望距离相同。这种不区分的期望拓扑和/或这种统一的台站保持的其他示例也是可能的。
当期望拓扑不在超节点气球与子节点气球之间进行区分时，超节点气球可额外地被配置为充当子节点。具体地，超节点气球可操作来与陆基台站建立RF链路并经由RF链路与陆基台站通信，以及与其他超节点建立光链路并经由光链路与其他超节点通信和与其他子节点建立RF链路并经由RF链路与其他子节点通信。这样，超节点和子节点提供的网络覆盖范围从陆基台站的角度来看可以是等同的，当在无区分拓扑中时这可能是希望的，在无区分拓扑中超节点和子节点在拓扑内实质上是可互换的。还要注意，一些或全部超节点在其他实施例中可被双重配置为子节点，其中期望拓扑可以是或不是无区分的。
在一些实现方式中，相邻超节点的间距可不同于相邻子节点的期望间距和/或超节点与相邻子节点之间的期望间距。例如，考虑超节点气球510A至510D充当骨干网络，并且子节点气球充当一个或多个接入网络的实施例。在这种实施例中，子节点520A至520I的台站保持参数可对相邻子节点规定可接受距离范围。在示范性实现方式中，这个距离范围可被选择为帮助在给定的地理区域501中提供基本上连续的覆盖范围。然而，也可为其他目的选择距离范围。
另外，关于超节点气球——例如超节点510A至510D——的台站保持参数可包括相邻超节点之间的期望距离。当超节点形成骨干网络时，相邻超节点之间的距离可远大于超节点与相邻子节点之间的距离和相邻子节点之间的距离。在实践中，可接受距离范围可扩展到超节点所采用的自由空间光通信系统的范围。然而，在一些情况下，可以考虑其他目标来限定超节点之间的可接受距离范围，例如增大某些区域中的带宽(例如，通过减小可接受距离范围的上限，从而增大密度)。
此外，期望的拓扑可包括超节点气球与相邻子节点气球之间的单独限定的期望距离。这样，关于超节点和/或关于子节点的台站保持参数可包括超节点与相邻子节点之间的可接受距离范围。
当层次化气球网络实现这种台站保持功能时，超节点可移动以尝试将其自身定位在从相邻超节点起的限定距离范围内，而同时将其自身定位在从相邻子节点起的限定距离范围内。此外，子节点可移动以尝试将其自身定位在从相邻子节点起的限定距离范围内，并且也在限定距离范围内。在这种实施例中，超节点实现台站保持功能以建立和/或维持超节点相对于子节点的定位(例如，将超节点与相邻子节点之间的距离保持在可接受范围内)。
在其他实施例中，超节点和子节点可分担将超节点与相邻子节点之间的距离保持在可接受范围内的责任。另外，在其他实施例中，子节点可实现台站保持功能以建立和/或维持超节点相对于子节点的定位。在任一情况下，子节点可移动以尝试将其自身定位在到相邻超节点的可接受距离范围内，而同时将其自身定位在到相邻子节点的可接受距离范围内。
B.地理限定的台站保持
如上所述，关于示范性气球网络500的台站保持参数可规定一般地理区域501，在该一般地理区域501中，应当适用气球之间的某种可接受距离和/或间距。另外，可对数个这种区域中的每一个单独限定示范性台站保持参数。每个这种区域因此可具有气球之间的不同的可接受距离和/或间距和/或可具有其他不同的台站保持参数。通过在区域与区域之间改变这种参数，示范性网络可提供非统一拓扑，非统一拓扑在若干个场景中可能是希望的。
例如，图6A根据示范性实施例示出了跨越数个限定的地理区域的示范性气球网络的覆盖范围。具体地，图6A示出了位于区域600上方的高空气球，区域600包括城市602、郊区604、乡村区域606和海洋608。这样，关于超节点气球和/或子节点气球的台站保持参数在城市602、郊区604、乡村区域606和海洋608间可有所不同。
注意，为了简化图示，图6A中的超节点和子节点气球是以气球集群(ballooncluster，BC)示出的，每个气球集群包括一超节点气球和一个或多个子节点气球。图6B是根据示范性实施例的气球集群的简化图示。具体地，图6B示出了包括超节点气球610和子节点气球620的气球集群601。超节点气球610可操作来经由RF链路与每个子节点620通信。另外，虽然没有示出，但超节点气球610可操作来与一个或多个其他超节点气球建立一个或多个自由空间光链路并经由这一个或多个自由空间光链路与这一个或多个其他超节点气球通信。
图6A所示的BC的布置和操作方式可与图6B所示的气球集群601相同或相似。另外，虽然图6A没有示出BC的超节点之间的自由空间光链路，但应当理解，BC中的超节点气球可通过与其他BC中的超节点气球建立自由空间光链路来充当网格网络的一部分。例如，在一些实现方式中，图6A所示的BC内的超节点可充当骨干网络，而子节点可提供接入网络。更具体而言，给定BC中的子节点气球可充当接入网络，其中每个子节点提供到该BC中的超节点气球的回程RF链路。
在示范性实现方式中，关于给定地理区域的台站保持参数可用于形成这种BC。例如，城市602中的台站保持参数可规定每个BC应当包括一超节点气球和四个子节点气球。另外，城市602中的台站保持参数可为BC规定间距。注意，BC的形成可经由用于超节点和子节点的有效地导致BC的形成的台站保持功能来实现，而不是通过为BC具体限定台站保持参数来实现。
例如，城市602中的台站保持参数可规定相邻子节点气球的一定距离范围和/或子节点气球的一定密度、相邻超节点气球的一定距离范围和/或超节点气球的一定密度。城市602中的台站保持参数还可规定每个超节点应当移动以便在一定数目的子节点气球的RF通信范围中(例如，定位成提供与四个子节点气球的RF链路，或者三个和五个子节点气球之间的某处)。城市602中的台站保持参数的其他示例也是可能的。
通过改变给定地理区域中的台站保持功能，气球网络的拓扑在区域与区域之间可有所不同。例如，如图6A所示，郊区604中的BC被定位成使得超节点和子节点在郊区604中与在城市602中相比不那么密集。
为了实现郊区604中的不那么密集的拓扑，关于郊区604的台站保持参数可被设定成使得区域中的子节点和/或超节点在郊区中不那么密集。例如，在郊区604中，与城市602中的同等台站保持参数相比，关于相邻子节点气球的距离范围的上限和/或下限可以更大，和/或子节点气球的密度可以更低。类似地，在郊区604中，与城市602中的同等台站保持参数相比，关于相邻超节点气球的距离范围的上限和/或下限可以更大，和/或超节点气球的密度可以更低。额外地或替换地，在郊区604中，与城市602中的同等台站保持参数相比，超节点气球与相邻子节点气球之间的可接受距离范围的上限和/或下限可更大。
在区域600的网络拓扑的另一方面中，乡村区域606中的BC可被定位成使得超节点和子节点比郊区604中更不密集。这可通过以上述方式进一步改变台站保持参数来实现。
另外，在图示的示例中，关于乡村区域606的台站保持参数可以使得乡村区域606上方的BC包括比城市602和郊区604上方的BC更多的子节点。如果给定的自由空间光链路的容量被分割在更大数目的回程链路之间，则每个回程链路的容量可减小。出于设计和/或成本原因，这在各种场景中可能是可接受的。例如，如果在乡村606中有更小的带宽需求，则减小超节点与子节点的比率可能是可接受的。其他示例是可能的。另外，在一些场景中，有可能可以在不影响回程链路的带宽的情况下减小超节点与子节点的比率。
另外，注意，在区域600中，被示为部署在海洋608上方的气球只有超节点气球。这个拓扑也可经由台站保持功能来实现。例如，台站保持参数可规定子节点应当尝试保持定位在陆地上方(例如，在城市602、郊区604和乡村区域606上方)。另外，台站保持参数可规定海洋608上方的超节点的可接受距离范围和/或可接受密度范围。
注意，在实践中，部署在海洋上方的网络除了超节点气球以外也很有可能具有子节点气球。更一般而言，虽然有可能网络在诸如海洋608之类的一定区域上方可以只包括超节点，但有可能大多数区域也将包括子节点气球。
在一些实现方式中，海洋608上方的超节点气球609可以仅用于连接子节点气球提供对气球网络的接入的区域。在其他实现方式中，超节点气球609可被双重配置为超节点和子节点。在这种实现方式中，超节点气球609可相应地被配置用于气球到地面RF通信。在这样配置的情况下，可从海洋608中的陆基台站(例如，从位于船只上的接入点)访问气球。在其他实现方式中，也有可能子节点气球也可被部署在对于网络服务的需求通常低得多的海洋(或另一水体)上方。
应当理解，因为子节点和超节点气球随着时间的流逝可在整个区域600中相对于彼此移动，所以由给定的超节点气球服务的BC中的特定子节点可随着时间的流逝而有所不同。这样，子节点气球可充当接入网络的自组网络，其中子节点可在接入网络之间移动。
在另一方面中，虽然图6A和6B示出了每个子节点属于单个BC集群，但也有可能给定的子节点气球可以是到多个超节点的接入网络的一部分(例如，可以是多个BC的一部分)。具体地，子节点可以与两个或更多个超节点建立RF链路。
另外，虽然城市602中的所有BC都被示为是相同的，但应当理解，城市602中的各BC的布置在用于城市602的台站保持框架内可有所不同。例如，超节点与子节点之间的距离在BC中的各子节点之间可有所不同。作为另一示例，BC中的子节点的数目在城市602中可有所不同。其他变化示例是可能的。另外，类似的变化可存在于郊区604、乡村区域606和/或海洋608上方。
在另一方面中，诸如城市602、郊区604、乡村区域606和/或海洋608之类的区域中的台站保持参数可被更新以便动态地改变气球网络的拓扑。例如，图6C示出了跨越与图6A所示相同的地理区域的相同气球网络。然而，在图6C中，根据区域600中的经更新的台站保持参数，气球网络的拓扑与图6B所示的相比已变化了。
具体地，图6C图示了适合于在乡村区域606中正发生大型音乐艺术节的周末的台站保持功能。由于这是周末并且许多个体没有在城市602中工作，所以城市602中的服务需求可减小。这样，关于城市602的台站保持参数可被更新，以使得在城市602中超节点气球和/或子节点气球的密度减小。另外，台站保持参数可被更新以为节日地面630限定新的地理区域。从而，为了增大节日地面630上方的服务容量，关于节日地面的台站保持参数可被限定为大幅增大节日地面630上方的气球的密度。
注意，在接下来的星期一，当节日已结束并且人们返回到城市中工作时，台站保持功能可再次被调整。例如，台站保持参数可被更新以使得拓扑返回到与图6A所示类似的状态。其他示例也是可能的。
C.层次化气球网络中的网格网络功能
由于示范性层次化气球网络中的气球可共同充当网格网络，所以路由可涉及确定：(a)陆基台站与源超节点气球数据之间经由一个或多个子节点气球的路径，(b)源超节点气球与目标超节点气球之间的路径，其可以是单跳路径或者可以是经由一个或多个其他超节点气球的多跳路径，以及(c)目标超节点气球与目标陆基台站之间经由一个或多个子节点气球的路径。
返回参考图4，为了提供层次化气球网络中的路由的具体示例，考虑如下实现方式：其中，陆基台站430E是接入点，并且陆基台站430F是层次化气球网络400与因特网460之间的网关。这样，第一客户端设备440可经由陆基台站430E和气球网络400连接到因特网460。另外，第二客户端设备450可连接到因特网460，从而可经由陆基台站430H连接到气球网络400。
在此场景中，第一客户端设备440可向第二客户端设备450发送数据。当发生此事时，来自客户端设备440的数据可被从陆基台站430E经由子节点420E和420F路由到超节点410C。
另外，路由可涉及通过超节点的骨干网络的路径确定，以确定例如从源超节点到目标超节点的路径。从而，当从第一客户端设备440发送到第二客户端设备450的数据在超节点气球410C处被接收到时，可以确定到目标超节点气球410B的光路。在气球网络400的图示状态中，所确定的光路可包括光链路402和404。
可以应用各种网格路由技术以便将数据通过超节点路由到目标超节点。(目标超节点通常是具有到为目标陆基台站服务的子节点的RF链路的超节点气球。)例如，通过由超节点气球形成的骨干网络的路由可以按与参考图1和2所示的气球网络所述类似的方式实现。换言之，超节点对于路由而言可被认为是不同的网络，使得超节点气球与陆基台站之间经由子节点气球的路径可与通过超节点气球的路径分开来确定。另外，在一些实现方式中，可以实现备用路由技术，使得当两个超节点气球之间的光路停工、已满或者由于其他原因而不可用时，数个子节点气球可充当网格网络的一部分并且在两个超节点气球之间提供一个或多个光路。
另外，由于超节点位置相对于地面和相对于彼此可变化，所以气球网络的拓扑可随着时间的流逝而变化。因此，路由技术可考虑当前网络拓扑。
在另一方面，注意在上述示例中，在陆基台站430E与超节点410C之间只有一条路径(即，具有连接陆基台站430E、子节点420E和子节点420F的RF链路的多跳路径)。这样，不需要路径确定，因为在陆基台站与源超节点气球之间只有一条路径。然而，有可能在陆基台站与源超节点气球之间可以有多条路径。在此情况下，路由可涉及陆基台站与源超节点气球之间的路径确定。
例如，当第二客户端设备450经由因特网460向第一客户端设备440发送数据时，在陆基台站430F与超节点410B之间有两条路径(例如，经由子节点420H或子节点420O)。这样，路由可涉及在可用路径之间进行选择的路径确定。或者，可以使用洪泛(flooding)技术，该技术中经由陆基台站与源超节点之间的所有路径发送数据。
在另一方面，注意，取决于连接目标超节点气球和目标陆基台站的一个或多个子节点气球的拓扑，当在目标超节点气球与目标陆基台站之间路由数据时，类似的原理适用。
D.多层层次化气球网络
应当理解，对具有超节点气球和子节点气球的层次化气球网络的描述是具有两个或更多个不同类型的气球的层次化气球网络的更一般概念的一个示例。
例如，示范性气球网络可由一组气球来提供，这些气球包括数个第一气球和数个第二气球，这些第一气球和第二气球总体上作为层次化气球网络来操作。在示范性实施例中，第一气球中的每一个包括可操作用于与其他第一气球中的一个或多个的数据通信的自由空间光通信系统。本文描述的超节点气球是这种第一气球的示例。另外，第二气球中的每一个包括可操作用于数据通信的RF通信系统。本文描述的子节点气球是这种第二气球的示例。
在示范性实施例中，至少一个第一气球还包括可操作来向至少一个第二气球发送数据的RF通信系统。另外，此第二气球的RF通信系统可操作来接收由至少一个第一气球发送的数据并且将接收到的数据发送到至少一个陆基台站。
在另一方面中，示范性层次化气球网络除了第一和第二气球以外还可包括另外类型的气球。另外的气球可经由光链路和/或RF链路与第一气球通信。额外地或替换地，另外的气球可经由RF链路与第二气球通信。
IV.结论
附图中所示的特定布置不应当被视为限制性的。应当理解，其他实施例可包括更多或更少的给定图中所示的每个元素。另外，图示元素中的一些可被组合或省略。此外，示范性实施例可包括图中没有图示的元素。
此外，虽然本文已公开了各种方面和实施例，但本领域技术人员将清楚其他方面和实施例。本文公开的各种方面和实施例是用于说明的，而并不打算进行限定，真实的范围和精神由所附权利要求指示。可以利用其他实施例，并且可以作出其他改变，而不脱离本文给出的主题的精神或范围。容易理解，如本文概括描述以及附图中图示的本公开的各方面可按许多种不同的配置来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些在这里都被设想到了。

Claims (33)

1.一种网络系统，包括：
被配置为气球网络中的子节点的多个子节点气球，其中每个所述子节点气球包括可操作用于数据通信的射频(RF)通信系统；以及
被配置为所述气球网络中的超节点的多个超节点气球，其中每个超节点气球包括可操作用于经由光链路与一个或多个其他超节点气球的数据通信的自由空间光通信系统，并且其中，至少一个超节点气球包括以下两者：(a)可操作用于与一个或多个其他超节点气球的数据通信的自由空间光通信系统；以及(b)可操作用于经由RF链路与至少一个子节点气球的数据通信的RF通信系统；
其中所述至少一个子节点气球的RF通信系统可操作来将从至少一个超节点气球接收的数据发送到至少一个陆基台站。
2.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球都是高空气球。
3.如权利要求1所述的网络系统，其中，至少所述超节点气球共同作为网格网络来操作。
4.如权利要求3所述的网络系统，其中，所述网格网络包括超节点气球之间的光链路。
5.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球共同作为网格网络来操作，并且其中，所述网格网络包括超节点气球之间的光链路和超节点气球与子节点气球之间的RF链路。
6.如权利要求1所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球的自由空间光通信系统包括可操作来发送自由空间光信号的一个或多个超亮发光二极管。
7.如权利要求1所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球的自由空间光通信系统包括可操作来接收自由空间光信号的接收器。
8.如权利要求1所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球的自由空间光通信系统包括可操作来发送自由空间光信号的激光系统。
9.如权利要求1所述的网络系统，还包括至少一个下行链路气球，其中所述至少一个下行链路气球包括自由空间光通信系统，该自由空间光通信系统可操作来：(a)与一个或多个所述超节点气球通信，以及(b)与至少一个陆基台站通信。
10.如权利要求1所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球和一个或多个所述子节点气球各自包括可操作来调整高度的高度控制系统。
11.如权利要求10所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球和一个或多个所述子节点气球的每一个中的所述高度控制系统可操作来经由对以下各项中的至少一个的调整来改变相应气球的高度：(a)相应气球的气体密度，以及(b)相应气球的气体体积。
12.如权利要求10所述的网络系统，其中，一个或多个所述超节点气球和一个或多个所述子节点气球中的每一个还可操作来：
使用高度风数据来确定具有与相应气球的期望横向移动相对应的风的目标高度；以及
使得所述高度控制系统发起相应气球朝着所述目标高度的高度移动，以尝试引起相应气球的期望水平移动。
13.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球共同作为网格网络来操作，并且其中，每个气球还可操作来基于所述网格网络的期望拓扑确定相应气球的期望水平移动。
14.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球处于连续的运动中，并且其中，所述超节点气球和所述子节点气球使用高度调整来移动以符合台站保持参数。
15.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球基于一个或多个台站保持参数来移动，其中所述台站保持参数是基于期望的网络拓扑的。
16.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述一个或多个台站保持参数包括所述超节点气球和所述子节点气球中的任何两个之间的可接受距离范围。
17.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述一个或多个台站保持参数包括以下各项中的一个或多个：(a)相邻超节点气球之间的可接受距离范围，(b)相邻子节点气球之间的可接受距离范围，以及(c)超节点气球与相邻子节点气球之间的可接受距离范围。
18.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述一个或多个台站保持参数包括相对于所述超节点气球和所述子节点气球的期望密度的可接受偏离量。
19.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述一个或多个台站保持参数包括以下各项中的一个或多个：(a)相对于超节点气球的期望密度的可接受偏离量和(b)相对于子节点气球的期望密度的可接受偏离量，以及(c)超节点气球与相邻子节点气球之间的可接受距离范围。
20.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述台站保持参数包括关于所述超节点气球的第一组台站保持参数和关于所述子节点气球的第二组台站保持参数。
21.如权利要求15所述的网络系统，其中，所述气球网络在多个限定的地理区域中提供覆盖，并且其中，台站保持参数是为每个限定的地理区域分开确定的。
22.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球共同提供所述气球网络的骨干，并且其中，所述子节点气球为所述气球网络提供一个或多个接入网络。
23.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球的台站保持功能至少部分由集中式控制系统所支持，其中所述集中式控制系统包括一个或多个陆基系统。
24.如权利要求23所述的网络系统，其中，所述集中式控制系统包括中央控制系统和一个或多个区域控制系统。
25.如权利要求1所述的网络系统，其中，所述超节点气球和所述子节点气球中的每一个的台站保持功能是至少部分由相应气球执行的。
26.一种网络系统，包括：
共同作为层次化气球网络操作的多个气球，其中所述多个气球至少包括多个第一气球和多个第二气球；
其中，每个所述第二气球包括可操作用于数据通信的射频(RF)通信系统；
其中，每个所述第一气球包括可操作用于与一个或多个其他第一气球的分组数据通信的自由空间光通信系统，并且其中，至少一个第一气球包括以下两者：(a)可操作用于与一个或多个其他第一气球的分组数据通信的自由空间光通信系统；以及(b)可操作用于向至少一个第二气球发送数据的RF通信系统；并且
其中所述至少一个第二气球的RF通信系统可操作来接收由至少一个第一气球发送的数据并且将接收到的数据发送到至少一个陆基台站。
27.如权利要求26所述的网络系统，其中，共同作为所述层次化气球网络操作的所述多个气球除了所述第一气球和第二气球以外还包括一个或多个其他类型的气球。
28.如权利要求26所述的网络系统，其中，共同作为所述层次化气球网络操作的所述多个气球是高空气球。
29.如权利要求26所述的网络系统，其中，至少所述第一气球共同作为网格网络来操作。
30.如权利要求29所述的网络系统，其中，所述网格网络包括超节点气球之间的光链路。
31.如权利要求26所述的网络系统，其中，所述层次化气球网络是层次化网格网络，并且其中，所述层次化网格网络包括所述第一气球之间的光链路和所述第一气球与所述第二气球之间的RF链路。
32.如权利要求26所述的网络系统，其中，一个或多个所述第一气球和一个或多个所述第二气球各自包括可操作来调整高度的高度控制系统。
33.如权利要求32所述的网络系统，其中，包括高度控制系统的所述一个或多个第一气球和所述一个或多个第二气球中的每一个还可操作来：
使用高度风数据来确定具有与相应气球的期望横向移动相对应的风的目标高度；以及
使得所述高度控制系统发起相应气球朝着所述目标高度的高度移动，以尝试引起相应气球的期望水平移动。
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