Forschung -

Direkte Kommunikation zwischen Flugzeug und U-Boot

MIT-Forscher haben einen wichtigen Schritt zur Lösung einer langjährigen Herausforderung bei der drahtlosen Kommunikation getan, nämlich der direkten Datenübertragung zwischen Unterwasser- und Fluggeräten.

Derzeit können Unterwassersensoren keine Daten mit den Sensoren an Land teilen, da beide unterschiedliche Funksignale verwenden, die nur in ihrem jeweiligen Medium funktionieren.

Funksignale, die sich durch die Luft bewegen, sterben sehr schnell im Wasser. Akustische Signale oder Sonarimpulse, die von Unterwassergeräten gesendet werden, reflektieren meist von der Oberfläche, ohne jemals durchzubrechen.

Dies verursacht Ineffizienzen und andere Probleme für eine Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Ozeanerkundung und der U-Boot-zu-Flugzeug Kommunikation.

In einem Vortrag auf der letzten SIGCOMM-Konferenz hatten Forscher des MIT Media Lab ein System erläutert, das dieses Problem auf neuartige Weise angeht.

Ein Unterwassersender sendet ein Sonarsignal an die Wasseroberfläche und verursacht dadurch winzige Schwingungen, die den übertragenen 1s und 0s entsprechen. Über der Oberfläche liest ein hochempfindlicher Empfänger diese winzigen Störungen und decodiert das Sonarsignal.

"Der Versuch, die Luft-Wasser-Grenze mit Funksignalen zu überschreiten, war ein Hindernislauf. Unsere Idee ist es, das Hindernis selbst in ein Kommunikationsmedium zu verwandeln", sagte Fadel Adib, Assistenzprofessor im Media Lab, der dieses Forschungsprojekt leitete.

Das System, "Translational Acoustic-RF Communication" (TARF) genannt, stehe noch an seinem Anfang, sagte Adib. Aber es stellt bereits einen "Meilenstein" dar, der neue Möglichkeiten in der Wasser-Luft-Kommunikation eröffnen könnte.

Mit dem System müssten beispielsweise militärische U-Boote nicht mehr auftauchen, um mit Flugzeugen zu kommunizieren, was ihre Position sonst verraten könnte. Und Unterwasserdrohnen, die das Leben im Meer überwachen, müssten nicht ständig wieder auftauchen, um Daten an die Forscher zu senden.

Eine weitere vielversprechende Anwendung ist die Unterstützung bei der Suche nach Flugzeugen, die unter Wasser verloren gehen. "Akustische Sendebaken können beispielsweise in der Blackbox eines Flugzeugs eingesetzt werden", sagte Adib. "Wenn es ab und zu ein Signal sendet, kann man das neue System benutzen, um dieses Signal direkt zu empfangen."

Die heutigen technologischen Lösungen für dieses Problem der drahtlosen Kommunikation leiden unter verschiedenen Nachteilen. Bojen zum Beispiel wurden entwickelt, um Sonarwellen aufzunehmen, die Daten zu verarbeiten und entsprechende Funksignale an Luftempfänger zu senden.

Aber diese können wegtreiben und verloren gehen. Viele müssen auch große Gebiete abdecken, was sie beispielsweise für die Kommunikation zwischen U-Booten und Oberfläche wenig praktikabel macht.

TARF enthält einen akustischen Unterwassersender, der Sonarsignale über einen Standardlautsprecher sendet. Die Signale laufen als Druckwellen mit unterschiedlichen Frequenzen, die unterschiedlichen Datenbits entsprechen.

Wenn der Sender zum Beispiel eine 0 senden will, kann er eine Welle mit 100 Hertz senden; bei einer 1 kann es eine 200-Hertz-Welle sein. Wenn das Signal auf die Oberfläche trifft, verursacht es winzige Wellen im Wasser, die nur wenige Mikrometer hoch sind und diesen Frequenzen entsprechen.

Um hohe Datenraten zu erreichen, überträgt das System mehrere Frequenzen gleichzeitig und baut dabei auf einem Modulationsschema auf, das in der drahtlosen Kommunikation verwendet wird, dem so genannten orthogonalen Frequenzmultiplexing. So können die Forscher Hunderte von Bits auf einmal übertragen.

In der Luft über dem Sender befindet sich ein neuartiges Hochfrequenzradar, das Signale im Millimeterwellenbereich, der drahtlosen Übertragung zwischen 30 und 300 GHz, verarbeitet. (Das ist das Band, in dem das kommende hochfrequente 5G-Funknetz arbeiten wird.)

Das Radar, das wie ein Kegelpaar aussieht, sendet ein Funksignal, das von der vibrierenden Oberfläche reflektiert wird und zum Radar zurückprallt. Durch die Art und Weise, wie das Signal mit den Oberflächenschwingungen kollidiert, kehrt das Signal mit einem leicht modulierten Winkel zurück, der genau dem vom Sonarsignal gesendeten Datenbit entspricht.

Eine Schwingung auf der Wasseroberfläche, die zum Beispiel ein 0-Bit repräsentiert, führt dazu, dass der Winkel des reflektierten Signals bei 100 Hertz vibriert.

Eine zentrale Herausforderung war es, dem Radar beizubringen, die Wasseroberfläche zu 'erkennen'. Dazu setzten die Forscher eine Technologie ein, die Reflexionen in einer Umgebung erkennt und diese nach Entfernung und Kraft organisiert.

Da Wasser die stärkste Reflexion in der Umgebung des neuen Systems aufweist, 'kennt' das Radar die Entfernung zur Oberfläche. Sobald das festgestellt ist, zoomt es in dieser Entfernung auf die Schwingungen und ignoriert alle anderen nahen Störungen.

Die nächste große Herausforderung war die Erfassung von Mikrometerwellen, die von viel größeren, natürlichen Wellen umgeben sind. An ruhigen Tagen sind die kleinsten Meereswellen, die sogenannten Kapillarwellen, nur etwa 2 cm hoch, aber das ist immer noch 100.000-mal größer als die Vibrationen.

Raue Meere können Wellen erzeugen, die 1 Million mal größer sind. "Das stört die winzigen akustischen Schwingungen an der Wasseroberfläche", sagte Adib. "Es ist, als ob jemand schreit und man gleichzeitig versucht, jemanden flüstern zu hören."

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ausgeklügelte Signalverarbeitungsalgorithmen. Natürliche Wellen treten mit etwa 1 oder 2 Hertz auf - oder eine oder zwei Wellen, die sich jede Sekunde über den Signalbereich bewegen.

Die Sonarschwingungen von 100 bis 200 Hz sind jedoch hundertmal schneller. Aufgrund dieses Frequenzunterschieds wird der Algorithmus auf die sich schnell bewegenden Wellen eingestellt, während die langsameren ignoriert werden.

Die Forscher untersuchten TARF mit 500 Testläufen in einem Wassertank und in zwei verschiedenen Schwimmbädern auf dem Campus des MIT.

Im Tank wurden das Radar mit Abständen von 20 cm bis 40 cm über der Oberfläche und der Sonarsender mit Abständen von 5 cm bis 70 cm unter der Oberfläche angeordnet.

In den Schwimmbecken befand sich das Radar etwa 30 cm über der Wasseroberfläche, während der Sender etwa 3,5 m unter der Wasseroberfläche lag. In diesen Experimenten ließen die Forscher auch Schwimmer Wellen erzeugen, die bis auf etwa 16 cm anstiegen.

In beiden Tests konnte TARF verschiedene Daten - wie zum Beispiel den Satz "Hello! from underwater" - mit Hunderten von Bits/s - genau entschlüsseln. Das ähnelt den Standarddatenraten für eine Unterwasserkommunikation.

"Auch wenn die Schwimmer herumschwammen und Störungen und Wasserströmungen verursachten, konnten wir diese Signale schnell und präzise entschlüsseln", sagte Adib.

Bei Wellen über 16 cm ist das System jedoch nicht in der Lage, die Signale zu decodieren. Die nächste Schritt im Forschungsprojekt ist unter anderem die Verfeinerung des Systems für den Einsatz in raueren Gewässern.

"Das System funktioniert an ruhigen Tagen und bestimmten Wasserstörungen. Aber um es verwendbar zu machen, muss es an allen Tagen und bei jedem Wetter funktionieren", sagte Adib.

Die Forscher hoffen auch, dass ihr System es einer Drohne oder einem Flugzeug, die über der Wasseroberfläche fliegen, ermöglicht, die Sonarsignale während des Vorbeiflugs ständig aufzunehmen und zu entschlüsseln. Dieses Forschungsprojekt wurde teilweise von der 'National Science Foundation' unterstützt.

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