MIT ermöglicht direkte schnurlose Kommunikation von Unterwasser zu Luft

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Forscher des MIT Media Lab haben ein System entwickelt, mit dem Unterwasser- und Luftsensoren direkt Daten austauschen können. Ein Unterwassersender leitet ein Sonarsignal an die Wasseroberfläche und verursacht winzige Schwingungen, die binär übertragenen Einsen und Nullen (1 und 0) entsprechen. Über der Oberfläche liest ein hochempfindlicher Empfänger diese winzigen Störungen aus und dekodiert das Sonarsignal.
Forscher des MIT Media Lab haben ein System entwickelt, mit dem Unterwasser- und Luftsensoren direkt Daten austauschen können. Ein Unterwassersender leitet ein Sonarsignal an die Wasseroberfläche und verursacht winzige Schwingungen, die binär übertragenen Einsen und Nullen (1 und 0) entsprechen. Über der Oberfläche liest ein hochempfindlicher Empfänger diese winzigen Störungen aus und dekodiert das Sonarsignal. (Bild: Christine Daniloff/MIT)

Die direkte Datenübertragung zwischen Unterwasser- und Fluggeräten war auf Grund unterschiedlicher schnurloser Kommunikationswege bislang nicht möglich. Die von MIT-Forschern entwickelte TARF-Technologie soll dies ändern.

Überirdisch stellt schnurlose Kommunikation in Echtzeit kein Problem dar. Doch eine direkte Datenübertragung mit Geräten und Einrichtungen unter Wasser ist auf demselben Weg nicht möglich: Die technologischen Systeme, die Flug- und Unterwassergeräte zur schnurlosen Kommunikation nutzen, sind speziell für die jeweiligen Umgebungen entwickelt und miteinander nicht kompatibel.

Die meiste drahtlose Kommunikation auf der Erde geschieht über Funkwellen, die sich leicht durch die Luft ausbreiten. Diese Sorte von Wellen löst sich aber schnell auf, sobald sie auf Wasser treffen. Um schnurlos miteinander zu kommunizieren, sind U-Boote und andere Unterwassergeräte derweil auf Sonargeräte angewiesen – Schallwellen, die sich über weite Strecken durchs Wasser bewegen können. Diese beiden Systeme – das eine akustisch, das andere basierend auf hochfrequenten Funkwellen – lassen sich normalerweise nicht direkt miteinander verbinden. Kommunikation in Echtzeit ist so zwischen unter- und Überwassergeräten nicht möglich.

Nun haben Forscher des MIT eine Technologie entwickelt, welche die Unterwasserwelt mit Freiluft-Kommunikation direkt verbindet: Fadel Adib und Francesco Tonolini vom MIT Media Lab haben eine Verbindung namens Translational Acoustic-RF communication, kurz TARF, geschaffen.

TARF macht aus akustischen Wellen Radiowellen

Das System besteht aus zwei Teilen. Auf der Unterwasserseite befindet sich ein Lautsprecher, der den Schall abpumpt (ähnlich dem Sonar). Diese Druckwellen dehnen sich nach außen aus, bis sie die Oberfläche erreichen. Es kann verschiedene Frequenzen zur Übertragung von Daten verwenden. Zum Beispiel könnte eine 0 eine Welle im 100Hz-Bereich und eine 1 eine 200Hz-Welle sein.

Die Schallwellen verursachen winzige Schwingungen, wenn sie die Oberfläche durchbrechen, aber diese Wellen sind nur wenige Mikrometer hoch. Das Team baute jedoch ein spezielles Radargerät, das Signale im Millimeterwellenbereich zwischen 30 und 300 GHz auf die Wasseroberfläche strahlt. Dies ist der gleiche Frequenzbereich, der das Rückgrat der 5G-Mobilfunknetze bilden wird. Die Signale prallen auf die Radarkegel zurück, aber Schwingungen von Schallwellen, die die Oberfläche erreichen, verursachen kleine Modulationen im Signal. Durch die Dekodierung dieser Signale kann TARF die vom Unterwasserlautsprecher gesendete Nachricht zusammenstellen.

TARF kann höhere Datenraten unterstützen, indem mehrere Signale gleichzeitig übertragen werden. Dabei wird auf eine Technik aus der drahtlosen Funkkommunikation zurückgegriffen: Dem orthogonalen Frequenzmultiplexing. Dadurch kann ein einziger Schallstoß Hunderte Bits an von Daten übertragen, die der spezialisierte Radarempfänger ausliest.

„Die Radarreflexion wird ein wenig variieren, wenn Sie irgendeine Form der Verschiebung wie auf der Wasseroberfläche haben“, sagt Adib. „Indem wir diese winzigen Winkeländerungen aufnehmen, können wir diese Variationen, die dem Sonarsignal entsprechen, aufnehmen.“

Größte Herausforderung besteht im Wellengang

Das Team testete TARF in einem Wassertank und einem Schwimmbad mit aktiven Schwimmern auf dem Campus des MIT. Diese Schwimmer verursachen einen unruhigen Wellengang, der die Signalübertragung erschwert: (Wasser-)Wellen erzeugen tausendmal größere Schwingungen als die Impulse, die das TARF-System zur Datenübertragung nutzt. Allerdings ist die Frequenz dieser Wellen in der Regel deutlich geringer. Das TARF-System der MIT-Forscher ist speziell darauf eingestellt, die hochfrequenten, amplitudenarmen Signale zu orten und alles andere herauszufiltern.

Auch mit aktiven, Wellen verursachenden Schwimmern war TARF in der Lage, verschiedene Daten – wie z.B. den Satz „Hello! from underwater“ – mit Hunderten von Bits pro Sekunde genau zu dekodieren. Dies entspricht in etwa den Standard-Datenraten, wie sie in der reinen Unterwasserkommunikation üblich sind. „Auch wenn es Schwimmer gab, die herumschwammen und Störungen und Wasserströmungen verursachten, konnten wir diese Signale schnell und präzise entschlüsseln“, sagt Adib.

Allerdings ist die Reichweite von TARF derzeit noch auf wenige Meter Trennung beschränkt: Im Beispiel mit dem Swimming Pool befand sich das Empfangsgerät etwa 30 cm oberhalb der Wasseroberfläche, während sich der Sender in 3,5 m Tiefe befand. Zudem war das System nicht mehr in der Lage, Signale zu entschlüsseln, sobald der Wellengang höher als 16 Zentimeter pro Welle war.

„[TARF] kann mit ruhigen Tagen und bestimmten Wasserstörungen umgehen“, sagt Adib. „Aber [um es praktikabel zu machen], müssen wir es dazu bringen, an allen Tagen und bei jedem Wetter zu funktionieren“.

Als nächstes möchte das MIT-Team die Dekodierungseigenschaften von TARF bei stärkerem Wellengang verbessern. Ziel ist es, dass das System künftig genutzt werden kann, um Unterwasserfahrzeuge und Sensoren direkt mit Flugzeugen kommunizieren zu lassen.

Autonome Fraunhofer-Tiefseeroboter sollen den Meeresboden erforschen

Ozeanographie

Autonome Fraunhofer-Tiefseeroboter sollen den Meeresboden erforschen

28.02.17 - Forscher des Fraunhofer IOSB sind als einziges Team aus Deutschland in das Halbfinale des „Shell Ocean Discovery XPRIZE“ eingezogen. Der hochdotierte internationale Wettbewerb zeichnet wegweisende Innovationen zur Erforschung der Meere und Ozeane aus. lesen

Kommentar zu diesem Artikel abgeben
... bleibt auch die Frage, ob man MH370 (KUL-PEK) mit dieser Technik gefunden hätte.  lesen
posted am 29.08.2018 um 09:27 von Unregistriert

Und was passiert dabei mit Flora und Fauna im Übertragungsweg? Ist das dann der Tinitus für...  lesen
posted am 27.08.2018 um 14:26 von Unregistriert

Nette Sache, aber soweit ich das sehe, ist die Kommunikation doch nur unidirektional vom U-Boot...  lesen
posted am 23.08.2018 um 13:05 von mathias.magdowski@ovgu.de


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45459768 / HF und Wireless)