Nuovo standard per Comunicazioni Subacquee

Nuovo protocollo standard della NATO per le comunicazioni subacquee

JANUS potrebbe veramente rivoluzionare l’industria subacquea con dispositivi in grado di comunicare e condividere informazioni che non sono mai una cosa negativa (ricorda come Internet ha avuto un impatto sulla vita con la disponibilità di informazioni gratuite?). Il protocollo JANUS potrebbe consentire un IoT sott’acqua e reti mesh che potrebbero potenzialmente aumentare la velocità di trasmissione dati se un blocco dati viene suddiviso e inviato su frequenze diverse da fonti diverse.

I protocolli di trasmissione subacquea possono finalmente essere unificati in quanto la NATO adotta un nuovo standard, JANUS.

La NATO ha annunciato recentemente che sta adottando un protocollo standard per le comunicazioni sottomarine. Cos’è JANUS e in che modo la comunicazione sottomarina differisce dalla trasmissione dei dati in onda?

Perché JANUS era necessario

Grazie a protocolli di comunicazione standardizzati, i dispositivi possono comunicare efficacemente. Wi-Fi, 4G e Li-Fi sono tutti esempi di protocolli che consentono una trasmissione affidabile dei dati, consentendo la crescita dell’industria mobile e l’onnipresente Internet delle cose.

L’industria elettronica si occupa anche di agevolare l’industria marittima essa include boe, sottomarini e altri dispositivi subacquei autonomi, dipendenti in gran parte dalla comunicazione wireless. Ciò è in parte dovuto alla vastità dei nostri oceani. Ad esempio, un sommergibile che deve mappare il fondo dell’oceano a una profondità di 8 km e quindi esplorare fessure e caverne non può utilizzare in modo affidabile un cavo. In questo scenario, la comunicazione wireless sarebbe ideale in quanto consentirebbe una completa libertà di movimento e non richiederebbe all’host (una nave per esempio) di trasportare 10 km di cavo.

Tuttavia, c’è un problema serio con le tecnologie di comunicazione wireless tradizionali: si basano su onde elettromagnetiche per trasmettere dati. Tendiamo a dare per scontato che la radiazione elettromagnetica funziona molto bene nell’atmosfera (principalmente a causa del fatto che l’aria è per lo più uno spazio quasi vuoto) e, di conseguenza, possiamo ottenere segnali radio che si propagano a grandi distanze con affidabilità decente. Per una questione di prospettiva, il modulo ESP8266 può trasmettere un segnale Wi-Fi fino a 5 km (con l’ausilio di un’antenna telescopica) mentre le stazioni radio tradizionali possono trasmettere i loro segnali fino a 100Km ed oltre, qualcuno di notte ascolta trasmissioni in AM da oltreoceano. L’attrezzatura radio a bordo delle sonde voiager 1 e 2 stanno trasmettendo i loro dati su una distanza maggiore della dimensione del sistema solare!

Quindi, se le onde Elettro Magetiche possono percorrere tali distanze, perché non possono essere utilizzate per la comunicazione subacquea?

Luce e suono e acqua

È stato stabilito che le onde elettromagnetiche possono viaggiare per una certa distanza nell’atmosfera. Ma fino a che punto possono viaggiare sott’acqua?

Le molecole d’acqua sono in realtà molto più vicine delle molecole allo stato gassoso. Questa piccola distanza è uno dei motivi per cui l’acqua è molto efficace nell’assorbire le radiazioni e anche uno dei motivi per cui una luce intensa farà fatica a superare i 100 metri sott’acqua. In effetti, la luce solare no arriva oltre i 200 m nell’oceano, rendendo impossibile la fotosintesi a profondità maggiori.

La luce non può penetrare molto lontano nell’acqua. Immagine tratta da NOAA

La densità dell’acqua rende ideale un diverso tipo di trasmissione wireless: quella acustica. Quanto più denso è un materiale, tanto migliore è la trasmissione del suono. Chi non ha giocato da bambino con due barattoli ed una corda tesa tra i due per parlarsi a distanza. Non solo il suono viaggia più lontano in un mezzo più denso ma viaggia anche a una velocità maggiore (ad esempio, la velocità del suono nell’aria è di 343 m / s mentre la velocità del suono nell’acqua è di 1.500 m /s).

La comunicazione audio è così pratica sott’acqua che la balenottera azzurra, il mammifero più grande e più rumoroso (180dB a 14Hz), può comunicare per migliaia di Km con altre balene semplicemente facendo rumori a bassa frequenza. Il suono è attualmente utilizzato in molte applicazioni sott’acqua con uno dei più famosi è il SONAR (Sound Navigation And Ranging), in cui un impulso sonoro viene emesso da una sorgente e l’impulso riflesso dagli oggetti sott’acqua viene ricevuto. Utilizzando più ricevitori, è possibile determinare la dimensione e la distanza degli oggetti, il che può essere di grande aiuto nel generare un’immagine dell’ambiente quando c’è scarsità di luce.

La trasmissione dei dati è possibile in maniera quasi identica alla normale comunicazione wireless che comprende la correzione degli errori e i bit di parità.

Trasmissione dati acustica

La trasmissione digitale acustica subacquea dei dati attualmente non segue un unico protocollo specifico. Sebbene ciascun protocollo specifico abbia una propria frequenza e / o struttura di messaggi unica, di solito usano uno dei seguenti metodi di codifica per definire effettivamente un 1 o 0:

Frequency shift keying

Phase shift keying

Frequency hopped spread spectrum

Orthogonal frequency-division multiplexing

L’uso di più protocolli diversi ha portato i dispositivi a non essere in grado di comunicare e condividere informazioni.

Nel mondo sottomarino abbiamo una situazione molto simile simile a quella che si trovavano a gestire prima che si utilizzasse lo standard IBM per i computer quando c’erano molti produttori diversi che specificano i propri protocolli di dati e strutture di file.

JANUS potrebbe essere la soluzione, un protocollo subacqueo unificato che consentirà a tutti i dispositivi di comunicare.

Il protocollo unificato

JANUS è un protocollo subacqueo sviluppato dal Centro per la ricerca e la sperimentazione marittima dell’Organizzazione NATO per la scienza e la tecnologia. È stata recentemente adottata dalla NATO per aiutare a unificare tutte le comunicazioni sottomarine e consentire la comunicazione incrociata tra dispositivi fabbricati da diversi produttori. JANUS è un metodo di segnalazione robusto open source per comunicazioni subacquee, liberamente distribuito sotto la GNU General Public License ed è questa la sua forza

Ciò che rende JANUS un protocollo unificato è la sua capacità di consentire ai dispositivi di annunciarsi su una frequenza standard e comunemente usata di 11,5KHz. Quindi, quando due dispositivi hanno deciso di connettersi, possono passare a una frequenza diversa o un metodo di trasmissione per velocità di trasmissione più veloci. Ciò è incredibilmente importante in quanto i dati trasmessi utilizzando le onde sonore hanno una velocità di trasmissione seriamente limitata in cui la velocità di trasmissione è influenzata dalla frequenza dell’onda portante, dai riflessi degli oggetti vicini, dal rapporto suono-rumore e molto altro.

Joao Alves, uno dei ricercatori chiave, ha utilizzato una analogia per spiegare JANUS: immagina due persone che si incontrano in un paese straniero e vogliono comunicare tra loro. È probabile che parlerebbero entrambi inglese per stabilire un linguaggio universale comune. Tuttavia, i due scoprono che entrambi parlano correntemente lo spagnolo e quindi cambiano lingua per facilità e velocità. In questo caso, JANUS fornisce la piattaforma comune per le persone per annunciare chi sono e quanto velocemente possono comunicare.

Il protocollo JANUS definisce anche come il suono dovrebbe essere codificato in un’onda portante (specificando l’uso di FH-BSK), così come la correzione degli errori e le ridondanze. Alcune delle specifiche del protocollo seguono alcuni punti chiave:

  • Tre impulsi vengono utilizzati come annuncio “wake-up” per consentire ad altri dispositivi di iniziare ad ascoltare. Il tempo tra gli impulsi non deve essere inferiore a 0,4 secondi, poiché l’energia riverberante deve essere dissipata (cioè, riflessioni di oggetti e limiti medi).

  • Sono necessari quattro ingressi per i primi 64 bit di un messaggio JANUS, che include frequenza di campionamento, nome del file di output, formato di output e nome di un file esterno.

  • È possibile trasmettere fino a 4096 bit come carico utile per la trasmissione dei dati.

Il resto delle specifiche è facilmente recuperabile in rete vista la sua licenza GNU General Public License

Amilcare

VOTO
1 commento
  1. mau22 dice:

    Amilcare, sei sempre una fonte di informazioni interessantissime

    Con questo articolo mi hai fortemente incuriosito, e scrivo qui il risultato dei miei approfondimenti.
    Ho dedicato parecchie ore di ricerca in internet, e ho trovato in effetti varie informazioni libere.
    C’è addirittura un Janus Wiki, con tanto di forum, e la possibilità di scaricare anche esempi di software.
    Così mi è venuta voglia di vedere quanto potrebbe essere complicato per un hobbista/piccola azienda costruire un apparecchio compatibile con questo standard.
    Ho trovato la descrizione sommaria di piccoli apparecchi da mettere dentro un tubo metallico, ma niente di dettagliato.
    In particolare, non c’è in rete nessuna informazione riguardo al trasduttre da impiegare.
    La prima frequenza da utilizzare, quella di annuncio della comunicazione, è 11,5 kHz, e non ho trovato in rete nessuno che produca trasduttori si questa frequenza, quindi penso che vada autocostruito.
    Mettermi a calcolarlo da zero è un’impresa che richiede molto tempo, dato che non ho mai fatto niente in questo ambito.
    Qualcuno nel forum ha esperienza ?

    Ciao
    Maurizio

    Approvazioni

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