FORSVARSFAGLIG TIDSSKRIFT UTGITT AV FORSVARETS FORSKNINGSINSTITUTT Nr. 03 April 2012 Kommunikasjon og nettverk under vann
Kommunikasjon og nettverk under vann av Roald Otnes, Connie Elise Solberg og Paul van Walree, Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) Fra dagliglivet er vi vant til å ha tilgang til all verdens informasjon via internettet omtrent uansett hvor vi er. Vi er totalt avhengige av radionettverk for sivil og militær digital kommunikasjon. Under vann er situasjonen en annen. Radiobølger har svært kort rekkevidde, så i stedet utnytter vi lydbølger. Gjennom bruk av undervannskommunikasjon og nettverk knytter vi undervannsdomenet sammen med resten av verden. Militært utstyr under vann kan brukes til for eksempel havneovervåking, antiundervannsbåtkrigføring, minejakt, og områdeovervåking. Slikt utstyr kan utveksle informasjon med hverandre og omverdenen ved hjelp av undervannskommunikasjon. Det samme gjelder sivilt utstyr, som for eksempel fjerntliggende havbunninstallasjoner for miljøovervåking og sporing av marint liv. I dette FFI-fokuset vil vi omtale eksisterende og framtidige bruksområder for kommunikasjon og nettverk under vann, og noen av utfordringene som må løses for å kunne utnytte det fulle potensialet i slik teknologi. Militær bruk Sjøforsvarets bruk av Hugin autonome undervannsfarkoster (AUV) til mineleting, er et godt eksempel på militær bruk av undervannskommunikasjon. I forbindelse med mineleting opererer slike ubemannede farkoster på avstand fra overflatefartøyene og gir dermed bedre sikkerhet for mannskap og moderfartøy. En neddykket Hugin kan kommunisere undervannsakustisk med moderfartøyet, både for å få kommandoer og for å sende informasjon om hvordan oppdraget går. Hugin har sensorer for avbilding av havbunnen og vannvolumet, og bruker data fra disse til å finne mineliknende objekter. I noen situasjoner er det viktig å unngå at en motpart fanger opp kommunikasjonen og får kjennskap til den pågående operasjonen. Da må vi benytte en kommunikasjonstype som har lav sannsynlighet for å bli fanget opp, eller vente med å kommunisere til risikoen for å bli oppdaget er tilstrekkelig lav. I mange situasjoner vil Hugin være for langt unna moderfartøyet til at det er mulig å få sendt over tilstrekkelig med informasjon akustisk. Hvis flere AUVer opererer sammen, vil det være en stor fordel om de kan kommunisere seg imellom mens de er neddykket. Dette er viktig for at de skal kunne dele informasjon og fordele det videre arbeidet med å avsøke et område for miner. En mer umoden, men framvoksende militær anvendelse av undervannskommunikasjon, er i gjenbrukbare undervannsnettverk med sensorenheter. Slike kan lett settes ut på havbunnen og i vannet. Disse nettverkene er så fleksible at de raskt kan bringes med til nye områder ved plutselig behov, uten forberedelser eller store kostnader. Med sensorer mener vi som oftest akustiske sensorer. Mellom enheter på havbunnen og opp til overflaten kan vi i prinsippet benytte kabler, noe som gir mye bedre kapasitet for overføring. Men kabling medfører store ulemper når systemene skal være enkle å sette ut og ta opp på kort varsel. Derfor benyttes ofte trådløs undervannskommunikasjon i disse systemene. En aktuell bruk av et ad-hoc undervannsnettverk er ved barriere-operasjoner(se figur). I en anspent situasjon kan det være viktig å holde kontroll med sjøtrafikken ut og inn av et sund, også under vann. Undervannsovervåkingen kan gjennomføres ved å legge ut et slikt undervannsnettverk, som oppdager undervannsfarkoster som prøver å flytte seg over barrieren. Sensorene sender informasjon om hva de oppdager gjennom nettverket via en bøye i overflaten og videre til et operasjonssenter. Operasjonssenteret kan så sette i verk tiltak basert på informasjonen. Sivil bruk Ikke-militær anvendelse av undervannskommunikasjon og nettverk er også mangfoldig. Ubemannede undervannsfarkoster uten kabel til moderfartøy, som Hugin, benyttes for eksempel til detaljert kartlegging av havbunnen ved store vanndyp (for eksempel i forbindelse med olje- og gassinstallasjoner). Et moderfartøy vil normalt være omtrent rett over AUVen, og kontrollere og hente informasjon ved hjelp av akustiske undervannslinker. Et annet eksempel er systemet for Deepocean Assessment and Reporting of Tsunamis (DART) som brukes av U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) til varsling av tsunamier. NOAA har plassert ut 38 trykksensorer på havbunnen i strategiske posisjoner. I nærheten av sensorene, flytende i havoverflaten, er det bøyer som kan kommunisere akustisk gjennom havet med sensorene på havbun- 2 Kommunikasjon og nettverk under vann
Figuren viser undervannsovervåking med en barriere av sensornoder montert på bunnen og en ubemannet undervannsfarkost. Her blir en undervannsbåt oppdaget. Nodene sender informasjon om hva de oppdager gjennom nettverket, via en bøye i overflaten og en satellitt, til et operasjonssenter på en fregatt. FAKTA HUGIN AUV - autonom undervannsfarkost Utviklet av Kongsberg Maritime og FFI. Opereres av Sjøforsvaret. Autonome undervannsfarkoster er selvgående og kan operere selvstendig uten fjernstyring. Hugin har sensorer som blant annet kan samle inn optiske bilder og akustiske bilder av havbunnen. Hugin brukes til mineleting. Bildene blir da analysert med tanke på å finne objekter som kan være miner. Når Hugin er neddykket, kan den kommunisere med et moderfartøy ved hjelp av akustikk. Hugin har en robust link for kommandooverføring med ganske lav overføringskapasitet og en link for dataoverføring med bedre kapasitet. Begge virker best når Hugin er direkte under moderfartøyet. nen, og ved hjelp av satelittkommunikasjon med operatører på land. Når sensoren på havbunnen registrerer en trykkendring som kan indikere en tsunamibølge, sender den informasjon akustisk til overflatebøya, som videresender gjennom luft til mottakerne. Undervannskommunikasjon gir mulighet for tilstedeværelse på avsidesliggende steder, på dypt vann, ved å knytte sammen instrumenter på havbunnen til flytende overflatebøyer og videre til resten av verden. Rekke langt under vann Under vann benytter vi oftest akustisk kommunikasjon, til tross for begrensninger i datarater. Datarater forteller hvor raskt en kan overføre informasjon, og måles i bits per sekund. Årsaken til at vi bruker akustisk kommunikasjon, er at de alternative løsningene vi benytter i luft, ikke er praktiske å bruke under vann. De fleste radiobølger dempes svært raskt i vann, og svært lavfrekvente radiobølger, som har mulighet til å gå langt, forutsetter meget stort og energikrevende senderutstyr. Optiske signaler blir spredt og når bare noen meter. Hvis avstandene for kommunikasjonen er lange, må andre metoder benyttes. Undervannsakustiske bølger kan bre seg svært langt utover (opptil mange titalls kilometer), men utnyttelsen av dem begrenses av lav bølgehastighet, mange gangveier og stor og varierende forvrengning av signalet. Undervannshistorie Rett etter andre verdenskrig utviklet amerikanerne undervannstelefonen. Den benytter en enkel form for modulasjon, og er i prinsippet en avansert høyttaler. Men den har en rekkevidde på flere kilometer og er fremdeles i bruk til kommunikasjon med både store, militære og mindre, sivile undervannsfarkoster. Den mest primitive formen for digital kommunikasjon under vann er ett-pings metoden der undervannsbåten kommuniserer ved å sende ett enkelt sonarping, slik det for eksempel ble demonstrert i den amerikanske filmen «Jakten på rød oktober» fra 1990. Utviklingen av digital undervannskommunikasjon begynte tidlig på 80-tallet og var fra 90-tallet særlig knyttet til utviklingen av ubemannede undervannsfarkoster og telemetri (kommunikasjonssystem for overføring av målte data). En fordel med digital kommunikasjon er at den gir mulighet til å rette feil som dukker opp ved at signalene forvrenges i vannet. I dag er det en rekke kommersielle leverandører av undervannskommunikasjonsystemer i Europa og USA, og mange firmaer som Kommunikasjon og nettverk under vann 3
FAKTA Undervannsakustikk lyd i havet Akustikk omfatter både hørbar og ikke-hørbar lyd. I vann vil radiobølger og lysbølger bli sterkt dempet, mens akustiske bølger går mye lengre enn de gjør i luft. Akustikk blir derfor mye brukt under vann. Ved å sende ut lydbølger og analysere ekkoene som kommer tilbake leter en etter fisk, olje, kartlegger havbunnens dybde og form, og finner undervannsbåter og sjøminer. Skip, fisk, marine pattedyr og boring etter olje sender ut lyd i vannet, og ved å lytte kan en erfaren operatør på en undervannsbåt gjenkjenne lydkildene og danne seg et bilde av hva som befinner seg rundt henne på og i vannet. Akustikk blir også brukt til å kommunisere under vann. Det finnes undervannstelefoner som overfører stemmer gjennom vannet, og digitale systemer som overfører alle typer informasjon. produserer utstyr i mindre omfang. Akustisk kommunikasjon Selv om lyd har en større rekkevidde enn radiobølger under vann, er det en utfordring å realisere et robust kommunikasjonssystem. Det er ofte flere veier som forbinder sender og mottaker, for eksempel direkte baner, overflaterefleksjoner, og bunnrefleksjoner. Bevegende overflatebølger introduserer hurtige variasjoner og alt sammen fører til betydelig spredning av signalene i tid og frekvens. Det brukes avanserte algoritmer i akustiske modem for å kompensere for kanalens forvrengning. I tillegg kommer akustisk støy fra mange forskjellige kilder: Menneskeskapt støy, støy fra marint liv, nedbør og vindgenererte bølger påvirker påliteligheten til modemet. På en forbindelse mellom to enheter som skal kommunisere akustisk under vann, kan vi kun oppnå lave datarater. Hvis vi skal kommunisere over lang avstand og være robust mot varierende forhold, er en typisk datarate 100 bits per sekund (bps). Over kort avstand under gode forhold kan man bruke høyere frekvenser, og en typisk datarate er da 10 000 bps. Til sammenlikning oppgis datarater for trådløse radionettverk som antall millioner bits per sekund (Mbps). Vertikal kommunikasjon er enklere enn horisontal kommunikasjon, og gir derfor mulighet for høyere datarater. Ved horisontal kommunikasjon har lyden flere veier å gå på grunn av reflekser fra havbunn og overflate (se figur). I fjorder er det reflekser fra mange kanter slik at vi ender opp med en katedraleffekt, som tilsvarer lydeffekten inne i en stor, gammel steinkirke med mange ekko fra vegger og tak. Noder i nettverk I forrige avsnitt forklarte vi kommunikasjon over en enkelt forbindelse (link) mellom to kommunikasjonsenheter (noder). Men det kan være flere enn to enheter som har behov for å kommunisere med hverandre, og da må vi ha et nettverk. I et nettverk med flere noder kan vi også transportere informasjon over lengre avstand enn det som er mulig med en enkelt link, ved at noder plassert mellom sender og mottaker videresender informasjonen. I et kommunikasjonsnettverk over eller under vann må vi ta hensyn til en del problemstillinger som vi kan se bort fra når vi bare har en enkelt link. Vi må ha mekanismer for å sørge for at nodene ikke snakker i munnen på hverandre. Dette kalles media aksess kontroll (MAC), og kan Figuren viser horisontal kommunikasjon med flere gangveier. Grafene illustrerer dette med en kanalmåling. Den venstre grafen viser fordelingen av signalenergi over tid ved senderen. Den høyre grafen viser det samme ved mottakeren. Vi ser en betydelig utsmøring av det mottatte signalet forårsaket av et stort antall gangveier med forskjellig gangtid. 4 Kommunikasjon og nettverk under vann
I vannet. Forskere fra FFI setter ut utstyr i nærheten av Horten fra FFIs arbeidsbåt Nøkken. De skal måle kommunikasjonsforhold under vann. Under vann er det en mørk og i stor grad ukjent verden. Det er potensial for å få «opplyst» denne verdenen, ved å bruke kommunikasjon og nettverk under vann til å hente inn informasjon fra undervannsfarkoster og sensorer. sammenliknes med hvordan mennesker forholder seg for ikke å snakke i munnen på hverandre når de er flere i samme rom. Vi må også ha mekanismer for hvordan informasjon skal videresendes når sender og mottaker ikke har direkte kommunikasjon. Dette kalles ruting. Behovet for MAC, ruting, og andre nettverksmekanismer gjør at trafikkmengden det går an å sende gjennom et nettverk (throughput), er en del mindre enn dataraten på hver enkelt link. Hvis vi sammenlikner akustiske nettverk under vann med radionettverk over vann, er ikke bare dataraten på hver enkelt link lavere, men forholdet mellom throughput og enkeltlink-datarate blir også dårligere. Dette skyldes hovedsakelig lange forsinkelser, fordi lydbølger i vann bare beveger seg med 1500 meter i sekundet mens radiobølger i luft beveger seg med lysets hastighet, 300 millioner meter i sekundet. En kommunikasjonsprotokoll er et sett med metoder og regler som to enheter bruker for å snakke med hverandre. For å holde situasjonen oversiktlig, definerer vi protokoller på ulike lag, for eksempel ruting, MAC, og modem (som kalles fysisk lag). En vanlig type MAC-protokoll baserer seg på at sender og mottaker på en link sender korte kontrollmeldinger fram og tilbake før datameldingen sendes, slik at andre som hører disse kontrollmeldingene vet at de skal være stille for ikke å forstyrre. Men hvis sender og mottaker for eksempel er tre kilometer fra hverandre, er det en forsinkelse på to sekunder for hver av kontrollmeldingene og for datameldingen. Det vil si seks sekunder i tillegg til den tiden det faktisk tar å sende meldingene. I hele denne tiden må alle andre noder være stille. Kommunikasjon og nettverk under vann 5
Målere. Forskere fra FFI setter ut en kurv med utstyr for å teste ulike kommunikasjonstyper under vann. I dette prosjektet samarbeidet de med Kongsberg Maritime. FAKTA En annen vanlig type MAC-protokoll baserer seg på at vi sender en datamelding så snart vi ikke hører noen andre som sender samtidig. På grunn av forsinkelsene er det da en viss sannsynlighet for at to meldinger når fram til samme node samtidig, slik at en eller begge går tapt og må sendes på nytt. Ett system kan ikke passe alle Hvilken type protokoll som fungerer best, og hvordan parametre til protokollen bør justeres, er avhengig av for eksempel antall noder, avstand mellom noder, hvor mye kommunikasjonstrafikk som påtrykkes nettverket, hvilken datarate vi har på enkeltlinker, og hvor robuste enkeltlinkene er. Det er derfor vanskelig å lage ett system for undervannsnettverk, som skal kunne brukes i alle situasjoner. Mange av disse aspektene er også forskjellig fra radionettverk over vann, slik at vi som regel ikke kan gjenbruke protokoller fra radioverdenen uten modifikasjoner. Protokoller for undervannskommunikasjon og -nettverk må også ta hensyn til en annen utfordring, nemlig den store variasjonen i kommunikasjonsforhold. Teknikker som kan brukes er såkalt «cross layer design» og adaptivitet (tilpasning). Det kan for eksempel innebære at en nettverksprotokoll får tilgang til informasjon fra modemet om de rådende kommunikasjonsforholdene, og bruker dette til å endre parametre i protokollen slik at den er bedre tilpasset forholdene. Vi kan også la modemene tilpasse datarate på hver enkelt link til forholdene. Mangel på standardisering Fra radio, som for eksempel mobiltelefoni og trådløse nettverk, er vi vant til at kommunikasjons-systemene er standardisert. Takket være dette kan utstyr fra ulike leverandører enkelt kommunisere med hverandre. Innen KANALMÅLINGER For å øke forståelsen av de kompliserte akustiske kommunikasjonsforholdene, gjennomfører FFI såkalte kanalmålinger i norske farvann. En kanalmåling gir innsikt i hvordan miljøets innvirkning på kommunikasjonssystemer varierer med tidevann, sesonger, og værforhold. Kanalmålinger kan for eksempel brukes for å velge akustiske modem som er egnet til norske farvann, og brukes også som utgangspunkt for senere simuleringer hvor de målte kommunikasjonsforholdene etterliknes. En simulator har store fordeler når vi skal sammenligne eller teste ulike kommunikasjonsmetoder, fordi vi reduserer behovet for dyre og tidkrevende forsøk til sjøs. 6 Kommunikasjon og nettverk under vann
FAKTA NILUS demonstratorsystem FFI har utviklet et demonstratorsystem for sensornettverk under vann, som heter NILUS (Networked Intelligent Underwater Sensors). De batteridrevne sensornodene slippes ut i vannet og lander på havbunnen, hvor de kan oppdage passerende fartøyer på eller i vannet, og sende informasjon om dette til operasjonssenter gjennom undervannsnettverket. Nodene kan enkelt hentes opp igjen ved å fylle en løftepute med luft fra en dykkerflaske. NILUS sensornode har her blitt kalt opp fra havbunnen. NILUS er FFIs demonstratorsystem for sensornettverk under vann. Kommunikasjonsprotokollen som brukes i demonstratorsystemet heter Seaweb og er utviklet i USA. undervannsakustisk kommunikasjon er situasjonen en ganske annen også når det gjelder standardisering. Det er en mangel på standarder. Dette gjør det vanskelig å bruke systemer fra ulike leverandører og mellom ulike enheter (eksempelvis fra ulike nasjoner) sammen, slik at samarbeid og kommunikasjon blir mer utfordrende. I de siste årene har ulike land begynt å ta de første skrittene mot standardisering av undervannskommunikasjon, blant annet gjennom et initiativ kalt JANUS i regi av NATO Undersea Research Center (NURC) i La Spezia, Italia. En utfordring når vi ønsker å standardisere undervannskommunikasjon, er at hva slags system som er optimalt, avhenger både av kommunikasjonsforhold og bruksområde. Det kan derfor bli vanskelig å komme fram til en eller noen få standarder som dekker de fleste behov. Internasjonalt samarbeid FFIs forskningsaktiviteter innen undervannskommunikasjon og nettverk er knyttet opp mot internasjonalt samarbeid. Vi samarbeider i internasjonale forskningsprosjekter både i Nato og European Defence Agency (EDA). Nato-prosjektet heter Next Generation Autonomous Systems (NGAS) og EDA-prosjektet heter Robust Acoustic Communications in Underwater Networks (RACUN). FFI søker også å bidra til det som kommer av initiativ til standardisering. Stort potensial store utfordringer Under vann er det en mørk og i stor grad ukjent verden. Det er potensial for å få «opplyst» denne verdenen, ved å bruke kommunikasjon og nettverk under vann til å hente inn informasjon fra undervannsfarkoster og sensorer. Dette kan ha stor nytteverdi både militært og sivilt. Eksempler på militære bruksområder er overvåking og minejakt, og eksempler på sivile bruksområder er ressursovervåkning, olje- og gassvirksomhet og tsunamivarslingssystemer. Det er imidlertid store teknologiske utfordringer som må løses for å kunne utnytte slik teknologi til sitt fulle potensial. Det er lave datarater, lange forsinkelser, og veldig stor variasjon i kommunikasjonsforholdene. Det skjer mye forskning rundt i verden for å finne løsninger som gir gode totalsystemer til tross for de underliggende utfordringene. Vi har derfor tro på at kommunikasjon og nettverk under vann vil bli viktig i årene framover. NILUS ble utviklet for å evaluere og demonstrere potensialet for sensornettverk under vann, og har blitt brukt i flere forsøk og øvelser både nasjonalt og internasjonalt. Kommunikasjon og nettverk under vann 7
ARTIKKELFORFATTERE ROALD OTNES er forsker ved FFI. Han er utdannet Dr.Ing. innen teleteknikk ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) i Trondheim. Otnes har vært ansatt ved FFI siden 2003. Siden 2004 har han forsket på sensorer, kommunikasjon og nettverk under vann. Han har ledet utviklingen av demonstratorsystemet NILUS. Otnes er en aktiv deltaker i internasjonale forskningsgrupper. CONNIE ELISE SOLBERG er forsker ved FFI. Hun er utdannet sivilingeniør innen teknisk fysikk ved Norges Tekniske Høgskole (NTH) i Trondheim.Solberg har vært ansatt ved FFI siden 1992, og har arbeidet med geoakustikk, undervannskartlegging og varierte anvendelser av undervannsakustikk. Hun er prosjektleder for prosjektprogrammet Undervannssensorsystemer. PAUL VAN WALREE er forsker ved FFI. Han har en doktorgrad i fysikk ved Universitetet i Utrecht i Nederland. Siden 1998 har han forsket på flere områder i undervannsakustikk. Van Walree har vært ansatt ved FFI siden 2009, og han jobber mest med undervannskommunikasjon og kanalfysikk og -simulering. FFI KJELLER Postboks 25 2027 Kjeller Besøksadresse: Instituttveien 20 2007 Kjeller FFI HORTEN Postboks 115 3191 Horten Besøksadresse: Karljohansvern 3190 Horten Telefon: 63 80 70 00 Telefaks: 63 80 71 15 Militær telefon: 505 70 00 www.ffi.no Forsidefoto: Undervannsfarkosten Hugin brukes blant annet til å lete etter miner. Trykk: 07 Gruppen Opplag: 2000 Tekst, foto og design: FFI ISSN 1503-4399 ANBEFALT VIDERE LESING D. Pompili and I. F. Akyildiz, Overview of Networking Protocols for Underwater Wireless Communications, IEEE Communications Magazine, Jan. 2009. D. B. Kilfoyle and A. B. Baggeroer, The State of the Art in Underwater Acoustic Telemetry, IEEE Journal on Oceanic Engineering, Jan. 2000. R. Otnes, A. Asterjadhi, P. Casari, M. Goetz, T. Husøy, I. Nissen, K. Rimstad, P. van Walree, M. Zorzi, Underwater Acoustic Networking Techniques, SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering, 2012. P. van Walree, Channel sounding for acoustic communications: techniques and shallowwater examples, FFI-rapport 2011/00007. FFI er medlem av Grønn stat. FFI-FOKUS er trykket på resirkulert papir. FFI-FOKUS er FFIs tidsskrift for forsvarsfaglige emner. Tidsskriftet presenterer temaer fra hele bredden av FFIs forskning alt fra forsvarsplanlegging til militærteknologiske forhold. Kontakt fokus@ffi.no for mer informasjon