Fraunhofer FKIE verbindet Meeresboden-Sensoren mit Gateway-Bojen
Akustische Signale werden an der Oberfläche zu Funkwellen, um autonome Unterwasserfahrzeuge mit Operatoren an Land zu verbinden.
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Unterwassersensoren und unbemannte Fahrzeuge können sich nicht auf herkömmliches WLAN oder Mobilfunknetze verlassen, da Wasser elektromagnetische Wellen absorbiert. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE haben ein akustisches Netzwerk aufgebaut, um diese Lücke zu schließen: Schwimmende Gateway-Bojen leiten kritische Meeresbodendaten an Kommandostellen an Land weiter.
Schallwellen ersetzen Funk in der Tiefe
Schall breitet sich im Wasser mit etwa 1.500 Metern pro Sekunde aus, rund 200.000-mal langsamer als Licht in der Luft, wie aus einer von TechXplore berichteten Untersuchung hervorgeht. Anders als im Freien oder im Weltraum verblassen Funkwellen, Mobilfunkverbindungen und Satellitensignale unter der Wasseroberfläche schnell, sodass Ingenieure auf Akustik angewiesen sind. Die Übertragungskapazität sinkt mit der Entfernung stark. Bei Reichweiten um 10 Kilometer fallen die Nettodatenraten regelmäßig unter 200 Bit pro Sekunde. Temperaturschwankungen, Salzgehalt und Reflexionen vom Meeresboden und von der Oberfläche erzeugen ständiges akustisches Rauschen, wodurch Standard-Internetprotokolle unbrauchbar werden.
„Unser Ziel war es, starre Punkt-zu-Punkt-Verbindungen durch dynamische akustische Netzwerke zu ersetzen. Da herkömmliche IP-Netzwerke für extrem schmalbandige Kanäle ungeeignet sind, entwickeln wir völlig neue Protokollarchitekturen“
Dimitri Sotnik, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer FKIE
Kompakte Datenpakete für die akustische Übertragung
Fraunhofer FKIE entwickelte gemeinsam mit dem Wehrtechnischen Dienststelle 71 (WTD 71) eine spezialisierte Architektur, um diese physikalischen Grenzen zu bewältigen. Das Team entwickelte eine Innovation bei Netzwerkprotokollen namens GUWMANET, kurz für Gossiping in Underwater Acoustic Mobile Ad-hoc Networks, die auf einem Formatierungsstandard namens GUWAL (Generic Underwater Application Language) aufsetzt. Wie TechXplore berichtet, komprimiert der GUWAL-Standard Anfragen, Sensormesswerte und Steuerbefehle in Datenpakete von nur 128 Bit Größe. In Seetests erreichte dieses gestraffte Protokoll eine Paketzustellrate von rund 90 Prozent.
Signale vom Meeresboden an die Oberfläche weiterleiten
Da große Entfernungen akustische Signale verschlechtern, können Knoten nicht immer direkt mit ihrem endgültigen Ziel kommunizieren. GUWMANET löst dies durch Multihop-Weiterleitung, bei der Daten über Meeresbodenknoten und autonome Tauchfahrzeuge bis zum Ziel geroutet werden. Eine schwimmende Gateway-Prototyp-Boje fungiert als physischer Übersetzer zwischen den Umgebungen. Ausgestattet mit einem akustischen Wandler unter Wasser empfängt die Boje akustische Impulse von Meeresbodengeräten und übersetzt sie in Funkübertragungen, die über die Luft an Marinefahrzeuge oder Landstützpunkte gesendet werden. Der wissenschaftliche Mitarbeiter des Fraunhofer FKIE, Dimitri Sotnik, erklärte, das System integriere digitale Sicherheitsprüfungen direkt in das Protokoll, um sich gegen akustische Störungen, Signalabfangen und Datenmanipulation zu schützen, wie TechXplore dokumentiert.
Seetests und internationale Marinetests
Das Kommunikationssystem hat die theoretische Modellierung hinter sich gelassen und ist in operative Übungen im offenen Wasser übergegangen. Die Gateway-Boje wurde vor der Küste von Lissabon, Portugal, während groß angelegter NATO-Manöver getestet, wo sie GUWAL-Pakete direkt an ein landgestütztes Operationszentrum übertrug. Europäische Verteidigungspartner setzen die Erfindung auch im Projekt SWAT-SHOAL ein, einer Initiative, die autonome Unterwasserrobotik und bemannte Schiffe in koordinierten Aufklärungsnetzwerken organisiert, um Offshore-Pipelines, Windparks und Häfen zu schützen, so TechXplore.
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