תקשורת תת ימית
חברת UTC הישראלית פיתחה מערכת תקשורת המאפשרת פעולות כמו דיבור ושליחת SMS מתחת למים. איך זה עובד?
עמי רוחקס דומבה
| 19/05/2011
UDI Wrist unit
האם אפשר לדבר או לשלוח הודעת SMS מתחת למים? אם שואלים את הפיזיקאי ד"ר אלעזר זוננשיין מחברת UTC הישראלית, מדובר במשימה אפשרית. "באוויר, מתקשרים באמצעות גלים אלקטרומגנטים. במים, צריך התפשטות של גלי לחץ", הוא מסביר את הבסיס הפיזיקלי למערכת התקשורת התת מימית שפיתחה החברה מפארק המדע בעומר שבדרום הארץ. המערכת מיועדת לשימושים צבאיים ואזרחיים (למשל, תקשורת בין צוללנים).
איך מייצרים גל לחץ?
"דוגמא לגל לחץ הוא גל קול", אומר ד"ר זוננשיין. "כאשר אתה מדבר, אתה מפיק גל לחץ והאוזן רוטטת. בתוכה יש שבלול שמגיב לגלי לחץ, ואלו מתורגמים לאותות חשמליים שהמוח יודע לפרש. השיטה הפשוטה ביותר לעשות זאת מתחת למים היא עם מתמר (מלשון המרה). יש מערכת חשמלית שמייצרת מידע וממירה אותו לגל לחץ באמצעות מתמר המשמש כאנטנה אקוסטית. הגל מתפשט במים ובצד השני יש מתמר נוסף, שקולט את הגל וממיר אותו לסיגנל חשמלי, אותו המערכת יודעת לפרש. הנה לך אבן בניין במערכת תקשורת. יש לך משדר, אנטנה ומקלט".
מה ההבדל בין תווך האוויר למים?
"יש הבדלים עצומים. גלים אקוסטיים מתפשטים בתדרים סבירים למרחקים קטנים יותר מהאוויר. העולם התת ימי הוא קטן יותר בהיבט הלקוחות ולכן הציוד יקר יותר. מדובר על עולם יותר אקזוטי. היישומים מתחת למים צריכים לקחת בחשבון הרבה מאד רעשים ברקע. אם אוניה מתקרבת הפרופלור מייצר רעשים והפרעות מאד קשות. עוד אתגר, הוא בליעה של אנרגיית הגל בתווך. באוויר זה קורה בתדרים מאד גבוהים. תדר אלחוטי 2.4 עובר קירות זכוכיות. אם תעלה לתדר 77 גיגההרץ כבר לא עובר. הוא נבלע בחומר עצמו. במים מדובר על התמודדות עם תווך בעל מאפיינים שונים".
האם אפשר לממש מערכת סלולארית על בסיס גלי לחץ?
"גם אם הדבר היה אפשרי, זה היה עולה הון תועפות. משדר–מקלט ותחנות ממסר המבוססים על גלי לחץ היו עולים מיליארדים. לעומת זאת, גלים אלקטרומגנטיים באוויר הרבה יותר יעילים וזולים. אם מפשטים את הרעיון שמאחרי כל מערכת תקשורת, יש מישהו שמייצים ומישהו שקולט אותם. הטכנולוגיה של שידור וקליטה אינה, השאלה איך עושים זאת ביעילות. לפני 20 שנה נכנס הטלפון הסלולארי הראשון, ה-HL של מוטורולה. אלו היו טלפונים אנאלוגים כבדים וגדולים, והמשתמש היה משלם גם על שיחה נכנסת. אחר כך עברו לשיטה דיגיטלית וסלקום נכנסה לעניניים. התקדמות הטכנולוגיה אפשרה חלוקת אנרגיה אחרת, והתאים הסלולאריים הפכו להיות יותר יעילים ואפקטיביים. מתחת למים המצב דומה. יש פס תדרים, ואפשר להעביר תדרים למרחקים ארוכים מאד. במלחמה הקרה היו צוללות שהעבירו בינהן מסרים בתווך של מאות קילומטרים".
איך מדברים ושולחים הודעות טקסט מתחת למים?
"מה ש-UTC עשתה זה לממש מערכת תקשורת דיגיטלית מתחת למים. זאת אומרת, שאם מישהו רוצה לשדר בין מערכות שנמצאות במרחק של 500 מטר או קילומטר אחת מהשניה, יש לו אפשרות לעשות זאת. בנוסף, על הפלטפורמה של מערכת התקשורת פיתחה החברה גם יישומים. אחד מהיישומים הוא הודעות ה-SMS. כאשר אתה רוצה לשדר SMS, אתה מקליד הודעה ויש תוכנה שיודעת לתרגם את ההקלדה למידע, לארוז אותו ולשדר אותו לצד השני. כאשר חבילת המידע מגיעה, פותח אותה מפענח, ותוכנה אחרת יודעת להציג את התוכן במסך של המקלט. זה עובד גם באוויר וגם מתחת למים, ההבדל הוא בתווך בו עובר הגל.
"יישום נוסף מאפשר לדבר. באוויר הפתוח, התקינו מיקרופון ורמקול בתוך מכשיר סלולארי והוא יודע לארוז את הדיבור לחבילת מידע ולשדר אותה לצד השני. יישום אחר יודע לשדר את הנתונים למישהו מסויים כאשר לכל מכשיר יש את התדר שלו. אפשר להקביל זאת לעולם רשתות המחשבים שם יש לכל מכשיר כתובת IP. עוד יישום מאפשר למספר משתמשים לדבר ברשת בו זמנית. מדובר על מנגנון למניעת התנגשויות (collision detection) בו כל מכשיר מזוהה במספר חד ערכי ומתבצעת בדיקה ברשת ובמידה ומישהו עסוק, לא מפריעים לו. בצורה כזו יש המון יישומים שבונים על גבי הפלטפורמה של התקשורת. בעולם התת ימי, אם אתה רוצה להעביר הודעה, יש יישום שיודע לתרגם את המידע לגלי לחץ שיעברו לצד השני. כדי להקל על המשתמש פיתחנו ב-UTC מילון עם מגוון מילים נתונות, מהן אפשר להרכיב משפטים. זה דומה למנגנון ההשלמה האוטומטי הקיים בטלפון הנייד, שמשלים מילים כאשר אתה כותב הודעה. כמו כן, המשתמש יכול להוסיף מילים משלו, אותן מפיצים לכל המערכות באותה הרשת".
אלו עוד פעולות אפשר לעשות עם תקשורת תת ימית?
"אפשרות אחרת היא לעשות פעולות יותר מורכבות כמו איתור משתמש. בדיוק כמו בעולם הסלולארי אפשר לאתר מכשיר על ידי תהליך חישוב קואורדינטות של נקודה במרחב, הנקרא טריאנגולציה. מדובר בחישוב המבוסס על העובדה שקו עובר דרך שתי נקודות . אם יש לי שלוש נקודות, אני מסוגל לאתר כל נקודה שנמצאת בין השלוש, היות ואפשר להעביר אליה קו. אם אתה מפעיל את האנטנה, אני מחפש את שלוש התאים הכי קרובים אליך, ומודד את עוצמת השידור. כך אני יכול לדעת בדיוק איפה אתה נמצא. על פי רעיון זה, אפשר לאתר מתחת למים כל יחידת תקשורת. אם אתה משאיר ציוד שמשדר מתחת למים אפשר לאתר אותו. למשל, במקרה של צוללן במצוקה. אפשר גם לאלץ מישהו לשדר באמצעות שליטה מרחוק. משדרים אות מיוחד שאומר למשדר שלו להתעורר. עוד דוגמא ליישום תקשורת היא פיצוץ מטענים מבוקר מתחת למים. נניח שיש לך סדרה של מטענים, ואתה רוצה לפוצץ אותם בסנכרון מסויים. אתה רוצה שהשניים הראשונים יתפוצצו, ואחר כך שהארבעה האמצעיים יתפוצצו וכך הלאה במבנה מסויים. בגלל שאתה שולט על התקשרות, אתה יכול להחליט על הסדר של הפיצוצים (טכנולוגיה זו משמשת לפיצוץ מבוקר של מוקשים תת ימיים)".
האם מישהו יכול לעלות על התדר מתחת למים?
"על אף שבתיאוריה זה אפשרי, מדובר על משימה לא פשוטה בכלל. יש שיטות שידור שנקראות ספקטרום מרוח (Spread spectrum), והסיגנל נראה כמו רעש. קשה מאד לדעת שמדובר על שידור מסר כלשהו. ומה קורה אם לוחם מתחיל את הפעולה מחוץ למים, נכנס למים במהלך הפעולה, יוצא מהם בשטח אויב, עושה מה שהוא צריך וחוזר באותה הדרך? למקרים כאלו, יש מכשירי תקשורת אלקטרומגנטיים מחוץ למים ועל בסיס גלי לחץ בתוך המים. לפעמים מדובר על שני מכשירים שונים ולפעמים על מכשיר אחד שמרכז את היכולות. תלוי במחיר. טכנולוגית זה אפשרי", אומר ד"ר זוננשיין.
הכתבה פורסמה בגיליון מספר 2 של מגזין 'ישראל דיפנס טק'
האם אפשר לדבר או לשלוח הודעת SMS מתחת למים? אם שואלים את הפיזיקאי ד"ר אלעזר זוננשיין מחברת UTC הישראלית, מדובר במשימה אפשרית. "באוויר, מתקשרים באמצעות גלים אלקטרומגנטים. במים, צריך התפשטות של גלי לחץ", הוא מסביר את הבסיס הפיזיקלי למערכת התקשורת התת מימית שפיתחה החברה מפארק המדע בעומר שבדרום הארץ. המערכת מיועדת לשימושים צבאיים ואזרחיים (למשל, תקשורת בין צוללנים).
איך מייצרים גל לחץ?
"דוגמא לגל לחץ הוא גל קול", אומר ד"ר זוננשיין. "כאשר אתה מדבר, אתה מפיק גל לחץ והאוזן רוטטת. בתוכה יש שבלול שמגיב לגלי לחץ, ואלו מתורגמים לאותות חשמליים שהמוח יודע לפרש. השיטה הפשוטה ביותר לעשות זאת מתחת למים היא עם מתמר (מלשון המרה). יש מערכת חשמלית שמייצרת מידע וממירה אותו לגל לחץ באמצעות מתמר המשמש כאנטנה אקוסטית. הגל מתפשט במים ובצד השני יש מתמר נוסף, שקולט את הגל וממיר אותו לסיגנל חשמלי, אותו המערכת יודעת לפרש. הנה לך אבן בניין במערכת תקשורת. יש לך משדר, אנטנה ומקלט".
מה ההבדל בין תווך האוויר למים?
"יש הבדלים עצומים. גלים אקוסטיים מתפשטים בתדרים סבירים למרחקים קטנים יותר מהאוויר. העולם התת ימי הוא קטן יותר בהיבט הלקוחות ולכן הציוד יקר יותר. מדובר על עולם יותר אקזוטי. היישומים מתחת למים צריכים לקחת בחשבון הרבה מאד רעשים ברקע. אם אוניה מתקרבת הפרופלור מייצר רעשים והפרעות מאד קשות. עוד אתגר, הוא בליעה של אנרגיית הגל בתווך. באוויר זה קורה בתדרים מאד גבוהים. תדר אלחוטי 2.4 עובר קירות זכוכיות. אם תעלה לתדר 77 גיגההרץ כבר לא עובר. הוא נבלע בחומר עצמו. במים מדובר על התמודדות עם תווך בעל מאפיינים שונים".
האם אפשר לממש מערכת סלולארית על בסיס גלי לחץ?
"גם אם הדבר היה אפשרי, זה היה עולה הון תועפות. משדר–מקלט ותחנות ממסר המבוססים על גלי לחץ היו עולים מיליארדים. לעומת זאת, גלים אלקטרומגנטיים באוויר הרבה יותר יעילים וזולים. אם מפשטים את הרעיון שמאחרי כל מערכת תקשורת, יש מישהו שמייצים ומישהו שקולט אותם. הטכנולוגיה של שידור וקליטה אינה, השאלה איך עושים זאת ביעילות. לפני 20 שנה נכנס הטלפון הסלולארי הראשון, ה-HL של מוטורולה. אלו היו טלפונים אנאלוגים כבדים וגדולים, והמשתמש היה משלם גם על שיחה נכנסת. אחר כך עברו לשיטה דיגיטלית וסלקום נכנסה לעניניים. התקדמות הטכנולוגיה אפשרה חלוקת אנרגיה אחרת, והתאים הסלולאריים הפכו להיות יותר יעילים ואפקטיביים. מתחת למים המצב דומה. יש פס תדרים, ואפשר להעביר תדרים למרחקים ארוכים מאד. במלחמה הקרה היו צוללות שהעבירו בינהן מסרים בתווך של מאות קילומטרים".
איך מדברים ושולחים הודעות טקסט מתחת למים?
"מה ש-UTC עשתה זה לממש מערכת תקשורת דיגיטלית מתחת למים. זאת אומרת, שאם מישהו רוצה לשדר בין מערכות שנמצאות במרחק של 500 מטר או קילומטר אחת מהשניה, יש לו אפשרות לעשות זאת. בנוסף, על הפלטפורמה של מערכת התקשורת פיתחה החברה גם יישומים. אחד מהיישומים הוא הודעות ה-SMS. כאשר אתה רוצה לשדר SMS, אתה מקליד הודעה ויש תוכנה שיודעת לתרגם את ההקלדה למידע, לארוז אותו ולשדר אותו לצד השני. כאשר חבילת המידע מגיעה, פותח אותה מפענח, ותוכנה אחרת יודעת להציג את התוכן במסך של המקלט. זה עובד גם באוויר וגם מתחת למים, ההבדל הוא בתווך בו עובר הגל.
"יישום נוסף מאפשר לדבר. באוויר הפתוח, התקינו מיקרופון ורמקול בתוך מכשיר סלולארי והוא יודע לארוז את הדיבור לחבילת מידע ולשדר אותה לצד השני. יישום אחר יודע לשדר את הנתונים למישהו מסויים כאשר לכל מכשיר יש את התדר שלו. אפשר להקביל זאת לעולם רשתות המחשבים שם יש לכל מכשיר כתובת IP. עוד יישום מאפשר למספר משתמשים לדבר ברשת בו זמנית. מדובר על מנגנון למניעת התנגשויות (collision detection) בו כל מכשיר מזוהה במספר חד ערכי ומתבצעת בדיקה ברשת ובמידה ומישהו עסוק, לא מפריעים לו. בצורה כזו יש המון יישומים שבונים על גבי הפלטפורמה של התקשורת. בעולם התת ימי, אם אתה רוצה להעביר הודעה, יש יישום שיודע לתרגם את המידע לגלי לחץ שיעברו לצד השני. כדי להקל על המשתמש פיתחנו ב-UTC מילון עם מגוון מילים נתונות, מהן אפשר להרכיב משפטים. זה דומה למנגנון ההשלמה האוטומטי הקיים בטלפון הנייד, שמשלים מילים כאשר אתה כותב הודעה. כמו כן, המשתמש יכול להוסיף מילים משלו, אותן מפיצים לכל המערכות באותה הרשת".
אלו עוד פעולות אפשר לעשות עם תקשורת תת ימית?
"אפשרות אחרת היא לעשות פעולות יותר מורכבות כמו איתור משתמש. בדיוק כמו בעולם הסלולארי אפשר לאתר מכשיר על ידי תהליך חישוב קואורדינטות של נקודה במרחב, הנקרא טריאנגולציה. מדובר בחישוב המבוסס על העובדה שקו עובר דרך שתי נקודות . אם יש לי שלוש נקודות, אני מסוגל לאתר כל נקודה שנמצאת בין השלוש, היות ואפשר להעביר אליה קו. אם אתה מפעיל את האנטנה, אני מחפש את שלוש התאים הכי קרובים אליך, ומודד את עוצמת השידור. כך אני יכול לדעת בדיוק איפה אתה נמצא. על פי רעיון זה, אפשר לאתר מתחת למים כל יחידת תקשורת. אם אתה משאיר ציוד שמשדר מתחת למים אפשר לאתר אותו. למשל, במקרה של צוללן במצוקה. אפשר גם לאלץ מישהו לשדר באמצעות שליטה מרחוק. משדרים אות מיוחד שאומר למשדר שלו להתעורר. עוד דוגמא ליישום תקשורת היא פיצוץ מטענים מבוקר מתחת למים. נניח שיש לך סדרה של מטענים, ואתה רוצה לפוצץ אותם בסנכרון מסויים. אתה רוצה שהשניים הראשונים יתפוצצו, ואחר כך שהארבעה האמצעיים יתפוצצו וכך הלאה במבנה מסויים. בגלל שאתה שולט על התקשרות, אתה יכול להחליט על הסדר של הפיצוצים (טכנולוגיה זו משמשת לפיצוץ מבוקר של מוקשים תת ימיים)".
האם מישהו יכול לעלות על התדר מתחת למים?
"על אף שבתיאוריה זה אפשרי, מדובר על משימה לא פשוטה בכלל. יש שיטות שידור שנקראות ספקטרום מרוח (Spread spectrum), והסיגנל נראה כמו רעש. קשה מאד לדעת שמדובר על שידור מסר כלשהו. ומה קורה אם לוחם מתחיל את הפעולה מחוץ למים, נכנס למים במהלך הפעולה, יוצא מהם בשטח אויב, עושה מה שהוא צריך וחוזר באותה הדרך? למקרים כאלו, יש מכשירי תקשורת אלקטרומגנטיים מחוץ למים ועל בסיס גלי לחץ בתוך המים. לפעמים מדובר על שני מכשירים שונים ולפעמים על מכשיר אחד שמרכז את היכולות. תלוי במחיר. טכנולוגית זה אפשרי", אומר ד"ר זוננשיין.
הכתבה פורסמה בגיליון מספר 2 של מגזין 'ישראל דיפנס טק'
