Ein Beispiel für ein Unterwassernetz zur Überwachung von Pipelines und Ölquellen. Drahtlose Technologien sind an Land mehr oder weniger allgegenwärtig. Das Abrufen von E-Mails und Nachrichten auf einem Smartphone, das Anschließen eines Laptops an das WLAN und das Surfen im Internet oder das Hören von Musik über ein Bluetooth-Headset gehören zum Alltag fast aller Menschen.

Diese Art der drahtlosen Kommunikation wäre jedoch in den salzhaltigen Gewässern von Ozeanen und Meeren nicht möglich. Tatsächlich kann ein Mobiltelefon (natürlich in einer wasserdichten Tasche versiegelt) zwar noch in wenigen Metern Tiefe funktionieren, aber wenn die Oberfläche weit genug entfernt ist, geht das Signal vollständig verloren. Gleiches gilt für andere Kommunikationsgeräte wie analoges UKW-Radio oder normales WLAN. Aus diesen Gründen ist es nicht möglich, elektromagnetische Wellen zu verwenden, um unter Wasser so zu kommunizieren, wie wir es an Land tun. Das Interesse an drahtloser Kommunikation in den Ozeanen ist jedoch groß. Denken Sie zum Beispiel an die Verhinderung von Betrugsfischerei: Unterwassersensoren, die in geschützten Meeresgebieten eingesetzt werden, können das Vorhandensein nicht autorisierter Boote erkennen, deren Bewegung verfolgen und diese drahtlos an die Behörden weiterleiten, um umgehend einzugreifen. In Unterwasser-Ölbohrgebieten können drahtlose Sensoren Unfälle wie Verschüttungen und Infrastrukturausfälle erkennen und melden, bevor es zu spät ist, einzugreifen. Einige Sensoren dafür gibt es bereits heute, aber sie werden hauptsächlich mit wasserdichten Unterwasserkabeln betrieben, deren Anschaffung, Einsatz und Wartung sehr teuer sind und daher die Erweiterung des Systems einschränken. Drahtlose Unterwasserkommunikation würde die Fernerkundung und Telemetrie im Allgemeinen unterstützen, indem die Infrastruktur- und Bereitstellungskosten immens gesenkt und damit die Erweiterung und auch die Flexibilität von Unterwassersensorsystemen erhöht würden. Dieser Vorteil würde dann viele Anwendungen in der Küstenüberwachung, in der Wasserwissenschaft und in der Offshore-Industrie finden.

Elektromagnetische Wellen können nicht zur Kommunikation unter Wasser verwendet werden, aber die Kommunikation kann über Lichtsignale (die ohnehin nur eine sehr begrenzte Reichweite von höchstens 20 m haben) oder über ein anderes, sehr natürliches Mittel erfolgen: Druckwellen, dh Schall.

Tatsächlich verwenden viele Arten von Meerestieren Schall zur Kommunikation und Lokalisierung von Beutetieren. Dies gibt einen starken Hinweis darauf, dass Schall ein tragfähiges physikalisches Mittel für die Unterwasserkommunikation ist. Darüber hinaus hat Schall unter Wasser viele wünschenswerte Eigenschaften. Es breitet sich über weite Strecken aus, bis zu mehreren Kilometern. Dies bedeutet zum Beispiel, dass lange Unterwasser-Öl- und Gasleitungen und große geschützte Meeresgebiete mit nur wenigen Sensoren abgedeckt werden können. Schließlich unterstützt der Ton die digitale Kommunikation in ausreichendem Maße, um die Datenmenge zu übertragen, die normalerweise für Unterwasseranwendungen erforderlich ist. Daher wird die Kommunikation durch die Erweiterung gut entwickelter digitaler Kommunikationstechniken möglich, die bereits in terrestrischen Funknetzen verwendet werden. Dies wurde bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts deutlich, als das erste schallbasierte Eiserkennungssystem (entwickelt nach dem RMS Titanic-Wrack 1912) sowie das erste aktive SOund Navigation And Ranging (SONAR) auf den Markt kamen .

Wie die Unterwasser-Toningenieure bald bemerkten, hat der Ton auch einige Nachteile. Es breitet sich sehr langsam aus (ungefähr 1, 5 km pro Sekunde, viel kleiner als die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in der Luft, die ungefähr 300.000 km / s beträgt); Seine Ausbreitungsmuster im Wasser sind komplex, unterliegen vielen Echos und starkem Nachhall, dessen Intensität stark vom Standort auf der Welt abhängt. Er ändert sich täglich und sogar saisonal. Dies erfordert eine komplexe Signalverarbeitung, um eine decodierbare Nachricht zu extrahieren; Schließlich ist die nominelle Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden können, derzeit höchstens einige Kbit / s, etwa 10.000-mal langsamer als ADSL-Systeme und langsamer als die in den 90er Jahren verwendeten Telefonleitungsmodems.

Unter diesen Bedingungen, in denen sich die Qualität der Kommunikation im Laufe der Zeit erheblich ändert, muss der Entwurf eines autonomen, sich selbst organisierenden Unterwassernetzwerks viele strukturelle Herausforderungen bewältigen. Erstens: Heterogenität: Ein typisches Netzwerk, wie in Abb. 1 dargestellt, kann feste Knoten (am Boden oder in unterschiedlichen Tiefen festgemacht) und mobile Knoten (AUVs genannt) für autonome Unterwasserfahrzeuge oben rechts in enthalten die Figur), die dicht (zum Beispiel in der Nähe der beiden Bohrlöcher am Boden) oder schwach (zum Beispiel entlang der Pipeline) entfaltet sein kann. Darüber hinaus sollten die Netzwerkkomponenten so autonom sein, dass sie ihre Nachbarn erkennen und ihre Zusammenarbeit suchen können, wenn erfasste Daten an ein entferntes Ziel übertragen werden müssen, das sich nicht in Reichweite des Absenders befindet. Das Netzwerk sollte auch bereit sein, auf bestimmte Umstände (z. B. das Erkennen eines Einbruchs oder eines umweltgefährdenden Ereignisses) zu reagieren und die Übertragung der zugehörigen Daten zu priorisieren. Mobile Knoten sollten, falls vorhanden, ihre Flugbahn optimieren, um nicht nur ihre eigene Mission auszuführen, sondern auch den Kommunikationsfluss im Netzwerk zu fördern. Schließlich sollten alle Knoten in der Lage sein, sich auf eine fehleranfällige und sehr zeitvariable Kommunikationsqualität einzustellen.

Aufgrund dieser Herausforderungen sieht die wissenschaftliche Gemeinschaft, die auf diesem Gebiet tätig ist, erfolgreiche Experimente auf See als einzigen Beweis dafür, dass eine erarbeitete Lösung tatsächlich in der Praxis funktioniert. Dies führt dazu, dass Forschungsgruppen komplexe Experimente zusammenführen und zusammenarbeiten, manchmal in kalten Frühquellen in Nordeuropa (Den Helder, Niederlande, April 2013, Abb. 2) und manchmal in wärmeren norwegischen Fjorden (Trondheim, Norwegen, Mai 2013). Abb. 3).

Der nächste Schritt in der Unterwasserkommunikation und -netzwerken besteht in der Fähigkeit, mithilfe der Kommunikation eine Gruppe von AUVs (ein sogenannter "Schwarm") in Echtzeit zu koordinieren, indem sie ihre Formation aufrechterhalten, sich zu einer gemeinsamen Mission zusammenschließen oder einfach dazu erleichtern die Navigation und vermeiden beispielsweise Hindernisse und Kollisionen. Ein weiterer sehr wichtiger technologischer Fortschritt betrifft die "größeren Brüder" der AUVs, die als ferngesteuerte Fahrzeuge (Remote Operated Vehicles, ROVs) bezeichnet werden. Hierbei handelt es sich um komplexe Systeme mit erweiterten Navigationsfunktionen und vielen angeschlossenen Werkzeugen wie Zangen, Roboterhänden, Sensoren und auch Kameras, mit denen der Bediener "mit den Augen" des ROV sehen kann. Diese Systeme sind sehr vielseitig, aber auch sehr teuer. Daher werden sie über ein Kabel ferngesteuert, das sowohl eine Datenverbindung als auch einen Stromversorgungsstring bereitstellt. Das Kabel kann die Manövrierfähigkeit des Fahrzeugs erheblich einschränken. Daher wäre eine zuverlässige Lösung für das drahtlose Fahren eines ROV aus einer Entfernung von bis zu 100 m, die möglicherweise sowohl die akustische als auch die optische Kommunikation nutzt, ein Durchbruch für die Schiffsindustrie und die Behörden (Abb. 4) ). In diesem Sinne erwarten wir in den nächsten Jahren sehr signifikante Ergebnisse.

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