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Angesichts geopolitischer Verwerfungen gewinnt der Schutz kritischer maritimer Infrastrukturen massiv an Bedeutung. Das Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE erforscht und entwickelt gemeinsam mit Partnern im Bereich der maritimen Sicherheitsforschung innovative Lösungen für die akustische Unterwasserkommunikation und den Aufbau robuster Netzwerke.
Unter Wasser versagen klassische Kommunikationsmittel wie Mobilfunk, WLAN oder GPS, da elektromagnetische Wellen im Wasser extrem stark gedämpft werden. Daher nutzt das Fraunhofer FKIE Schallwellen (Akustik). Diese bringen jedoch physikalische Hürden mit sich: Schall breitet sich im Wasser nur mit rund 1500 Metern pro Sekunde aus und ist damit etwa
200 000-mal langsamer als Licht in der Luft. Problematisch ist auch die geringe Bandbreite: Je höher die Reichweite für die Datenübertragung sein soll, desto niedriger muss die Frequenz sein. Bei einer Reichweite von etwa zehn Kilometern sinkt die Nettodatenrate oft auf unter 200 Bit pro Sekunde. Und zu guter Letzt stören Reflexionen an der Wasseroberfläche oder dem Meeresboden sowie Temperatur- und Salzgehaltsschwankungen das Signal permanent. All diesen Herausforderungen begegnet das Fraunhofer FKIE in enger Zusammenarbeit mit Partnern mit intelligenten, selbstkonfigurierenden akustischen Netzwerken für Unterwassersensoren und unbemannte Tauchfahrzeuge (AUVs, kurz für Autonomous Unmanned Vehicles).
Vom Einzelknoten zum »Unterwasser-Internet«
Doch wie funktioniert das Unterwasser-Netzwerk? Flexible, robuste Bodenknoten mit Sensoren bilden dessen Rückgrat. Sie können Daten in Hoch- und Niederfrequenzbändern senden und empfangen. Eine Schlüsselrolle übernimmt eine Gateway-Boje, die dafür sorgt, dass die Daten über Wasser gelangen. Dort kann die Boje mithilfe von Funkwellen Signale an Schiffe oder an Land übertragen. Autonome Unterwasserfahrzeuge stellen mobile Sensoren sowie Konnektivität bereit. Die Knoten können die Datenrate, die Sendeleistung und mehr ändern. Sie können sich spontan an wechselnde Kommunikationsanforderungen und Umgebungsbedingungen wie raues Wasser und laute Boote anpassen. Mit diesem robusten Netzwerk wird der unbemannte Betrieb von Sensoren zur Informationsgewinnung, Überwachung und Aufklärung unterstützt. Es dient sowohl der hoheitlichen und militärischen Verteidigung als auch dem zivilen Schutz (z. B. der Überwachung von Offshore-Windparks und Pipelines oder der Erfas-sung von Umweltdaten). Das akustische Netzwerk ermöglicht neben der Erkennung von U-Booten unbemannte Minenjagd-Einsätze aus sicherer Distanz, während die Bediener sich geschützt an Bord des Mutterschiffs befinden.
»Unser Ziel war es, weg von starren Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und hin zu dynamischen akustischen Netzwerken zu kommen. Da sich klassische IP-Netzwerke für die extrem schmalbandigen Kanäle nicht eignen, entwickeln wir völlig neue Protokollarchitekturen«, sagt Dimitri Sotnik, Wissenschaftler am Fraunhofer FKIE. »Dies ist uns mit dem Standard GUWAL und dem Protokoll GUWMANET gelungen, die wir gemeinsam mit der Wehrtechnischen Dienststelle 71 (WTD 71) etabliert haben.«
Der Standard GUWAL (Generic Underwater Application Language) legt das Format fest, in dem Sensordaten angefragt und übertragen, aber auch Kommandos mit autonomen Tauchrobotern (AUVs) ausgetauscht werden können. Das Datenformat wurde speziell für die effiziente Datenkomprimierung und -vorverarbeitung in der Unterwasserkommunikation konzipiert und kommt mit einer Paketlänge von 128 Bit aus. Das Netzwerkprotokoll GUWMANET (Gossiping in Underwater Acoustic Mobile Ad-hoc Networks) basiert auf GUWAL und dient als Basis für den standardisierten Datenaustausch unter Wasser, etwa um Sensordaten abzufragen oder Steuerbefehle an autonome Tauchroboter zu übertragen. In Seetests erreichte das Protokoll bereits eine Paketzustellungsrate von rund 90 Prozent. »Da Unterwasserleitungen und -knoten anfällig sind für Sabotage, Jamming (akustische Störung) oder Eavesdropping (Abhören), integrieren wir Cybersicherheitskonzepte direkt in das Protokoll, um die Integrität der übertragenen Lagebilder und Befehle zu garantieren«, so der Forscher.
GUWMANET unterstützt das »Multi Hopping« – eine Schlüsseltechnologie für den Unterwasserbereich: Da die Reichweite an die Datenrate geknüpft ist, können nicht alle Netzwerkteilnehmer die Daten direkt miteinander austauschen, vielmehr müssen sie von Teilnehmer zu Teilnehmer übertragen werden. Infolgedessen müssen Routen zum Ziel automatisch gefunden und an die sich ständig ändernden Bedingungen angepasst werden. »GUWMANET lässt sich so einrichten, dass nur bestimmte Bodenknoten oder AUVs miteinander kommunizieren, während die anderen quasi zuhören. Auch die Boje kann Teilnehmer des Gesprächs sein, für die Unterwasserkommunikation ist sie an ihrer Unterseite mit einem akustischen Wandler ausgestattet«, so Sotnik. Der Prototyp der Gateway-Boje wurde bereits in großangelegten NATO-Übungen in der Nähe von Lissabon, Portugal eingesetzt. Dabei leitete die Boje die Unterwasserpakete von GUWAL an ein maritimes Einsatzzentrum an Land weiter. Auch das GUWMANET-Protokoll wurde in zahlreichen NATO-Einsätzen erfolgreich getestet.
Koordination von Unterwasserschwärmen für den Schutz von Häfen oder Schiffen
GUWMANET dient auch als primäres Protokoll für die Unterwasserkommunikation und das Netzwerk-Routing im europäischen Verteidigungsprojekt SWAT-SHOAL (SWArm and Teaming operation of manned & unmanned underwater vehicle SHOAL). Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines auf Schwarmtechnologien basierenden »Systems-of-Systems«, das bemannte und unbemannte Marineeinheiten integriert. Diese sollen als Team zusammenarbeiten, um bei einem breiten Spektrum von Unterwassermissionen gegen bewegliche Bedrohungen unter der Wasseroberfläche eine höhere Leistungsfähigkeit und Effizienz zu erzielen. Das System ermöglicht es verschiedenen Fahrzeugtypen, als geschlossene Einheit im Team komplexere Szenarien zu bewältigen oder sich als Verband zu organisieren, wobei jeder Entität eine definierte Aufgabe zugewiesen wird. »In SWAT-SHOAL erforschen wir, wie man mehrere Unterwasserfahrzeuge so steuern kann, dass sie in Formation fahren und gemeinsam eine Mission erfüllen – etwa den Schutz von Schiffen«, erläutert Sotnik. Bislang wurde die Schwarmtechnologie in Hafenversuchen erprobt, in Kürze starten jedoch mehrwöchige Tests auf See, bei denen die Projektpartner die komplette Kette von der Missionsplanung bis hin zur Aufklärung untersuchen.
https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2026/november-2026/bojen...
Bei einem Seeversuch werden die Kommunikationstechnologien erprobt.
Copyright: © Fraunhofer FKIE
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten
Elektrotechnik, Informationstechnik, Mathematik, Meer / Klima, Verkehr / Transport
überregional
Forschungsprojekte, Kooperationen
Deutsch
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