Brandl, Konstantin Johannes (2026) Self-Organizing Ad-Hoc Routing for maritime Multi-Domain Systems. PhD, Universität Oldenburg.

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Abstract

Protecting critical maritime infrastructure (CMI) in remote offshore regions poses a significant challenge due to limited communication coverage and harsh environmental conditions. Offshore wind farms and submarine cables are vulnerable to threats from above, on the sea surface, and below the water. Reliable protection requires the integration of Multi-Domain unmanned platforms that can coordinate across these environments via a Mobile Ad-Hoc Network (MANET), which must address the challenges arising from the transition between radio-based and acoustic communication domains by utilizing intermediate gateway nodes. This work extends the Ad-Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) routing protocol to enable Multi-Domain Operations with unmanned systems operating in the air, on the sea surface, and underwater. The extended AODV protocol combines internal, geolocation-based logic with external, signal quality-based logic. Using additional message types, such as Relay Request and Relay Reply, nodes can dynamically identify and select Unmanned Surface Vehicles (USVs) as gateways. As USVs support radio communication above-water and acoustic communication underwater, they facilitate direct Cross-Domain data transmission and routing between the two environments. For evaluation, the classical AODV protocol is first implemented in a time-discrete simulation environment in MATLAB and adapted into a hybrid version that reflects the specific characteristics of radio and acoustic communication. Using the hybrid AODV as a reference baseline, the performance of the extended AODV is systematically compared within the simulation framework. Concurrently, a practical demonstrator is being developed using Raspberry Pis in conjunction with acoustic modems. The measurements obtained from the demonstrator include transmission range, message runtime, signal-to-noise ratio, Reception Drop Rate and received data volume. These measurements are used to parameterize the simulation’s physical models. The results show that the extended AODV protocol decreases latency, increases reliability, and decreases data traffic in the hydroacoustic channel. Using USVs as gateways significantly improves communication between domains, providing a reliable link between UAVs in the air and UUVs underwater. Therefore, this work advances the development of resilient, Cross-Domain Ad-Hoc communication systems and supports the protection of critical maritime infrastructure.

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Selbstorganisierendes Ad-Hoc-Routing für domänenübergreifende maritime Systeme

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Der Schutz maritimer kritischer Infrastrukturen in abgelegenen Offshore-Regionen ist aufgrund begrenzter Kommunikationsabdeckung und rauer Umweltbedingungen besonders anspruchsvoll. Offshore-Windparks und Unterseekabel sind Bedrohungen aus der Luft, von der Oberfläche und aus dem Wasser ausgesetzt. Ein zuverlässiger Schutz erfordert die Koordination multidomainfähiger, unbemannter Plattformen über ein mobiles Ad-Hoc-Netzwerk (MANET). Dieses überbrückt mithilfe von Gateway-Knoten den Übergang zwischen funkbasierter und akustischer Kommunikation. In dieser Arbeit wird das Ad-Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing-Protokoll erweitert, um eine domänenübergreifende Vernetzung mit unbemannten Systemen zu ermöglichen. Das erweiterte AODV Protokoll kombiniert eine interne, geolokalisierungsbasierte Logik mit einer externen, signalqualitätsbasierten Logik. Mithilfe zusätzlicher Nachrichtentypen wie Relay Request und Relay Reply können Netzwerkknoten unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USVs) dynamisch identifizieren und als Gateways auswählen. USVs fungieren als Gateways zwischen Funk- und akustischer Kommunikation und ermöglichen eine domänenübergreifende Datenübertragung. Zur Bewertung wurde zunächst das klassische AODV Protokoll in einer zeitdiskreten Simulationsumgebung in MATLAB implementiert und an eine Hybridversion angepasst, welche die spezifischen Eigenschaften der Funk- und Akustikkommunikation widerspiegelt. Unter Verwendung des hybriden AODV als Referenzbasis wird die Leistung des erweiterten AODV Protokolls innerhalb des Simulationsrahmens systematisch verglichen. Parallel dazu wird ein praktischer Demonstrator entwickelt. Mit dem Demonstrator werden Messungen zur Übertragungsreichweite, Nachrichtenlaufzeit, zum Signal-Rausch-Verhältnis, zur Empfangsausfallrate und zum empfangenen Datenvolumen durchgeführt. Diese Messungen werden zur Parametrisierung der physikalischen Modelle der Simulation verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass das erweiterte AODV Protokoll die Latenz verringert, die Zuverlässigkeit erhöht und den Datenverkehr im hydroakustischen Kanal reduziert. Die Verwendung von USVs als Gateways verbessert die Kommunikation zwischen den Domänen erheblich und stellt eine zuverlässige Verbindung zwischen UAVs in der Luft und UUVs unter Wasser her. Somit trägt diese Arbeit zu der Entwicklung robuster, domänenübergreifender Ad-Hoc-Kommunikationssysteme bei und unterstützt damit den Schutz maritimer kritischer Infrastruktur

Item Type:	Thesis (PhD)
Uncontrolled Keywords:	Multi-Domain, Ad-Hoc, UxVs, Routing, Maritime
Subjects:	Generalities, computers, information > Computer science, internet
Divisions:	School of Computing Science, Business Administration, Economics and Law > Department of Computing Science
Date Deposited:	04 May 2026 12:30
Last Modified:	04 May 2026 12:30
URI:	https://oops.uni-oldenburg.de/id/eprint/7411
URN:	urn:nbn:de:gbv:715-oops-74927
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