Radio Digital Bajo el Mar

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Radio Digital Bajo el Mar

(06 Marzo 2012)

Juan Pablo Ureta Carmona, Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Tecnológica Metropolitana juanpa.ureta@gmail.com

Resumen— En el siguiente documento se hablará sobre las comunicaciones subacuáticas digitales, poniendo especial énfasis en las comunicaciones digitales bajo el mar. Se hablará en una primera instancia sobre las características del canal submarino para la propagación de las señales, correspondiendo este último al canal acústico que es el medio de propagación de ondas que se utiliza en las comunicaciones bajo el mar. Posteriormente se hablará sobre las comunicaciones con submarinos y las bandas de frecuencias utilizadas para ello, incluyendo la descripción del uso de la tierra como una antena gigante de baja frecuencia, para luego describir los tipos de modulaciones digitales usadas por módems acústicos submarinos como por ejemplo FSK, PSK y QAM, sus velocidades de transmisión y sus aplicaciones, ya sea dentro de una red de sensores submarinos acústicos (UW- ASNs) o en combinación con vehículos submarinos no tripulados (AUVs).

Finalmente se hablará sobre una empresa española (SAES) que se dedica al desarrollo de electrónica submarina, dando a conocer sus procesos de tratamiento de señales, para luego dar ejemplos de dispositivos desarrollados (Sonares, Minas submarinas), además de mostrar una pequeña referencia sobre los países e instituciones a los cuales presta sus servicios y productos.

Palabras clave— canal acústico, ELF, SLF, MSK, FSK, PSK, QAM, UW-ASNs, AUVs, SAES, MINEA.

I. ÍNDICE Tema

Página

I.ÍNDICE

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II.INTRODUCCIÓN

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III.DESCRIPCIÓN DEL CANAL SUBMARINO

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V.COMUNICACIÓN DIGITAL BAJO EL MAR A. Redes de sensores submarinos B. Problemas de Diseño 1) Diferencias con las redes de sensores terrestres 2) Factores que influyen en el diseño de protocolos submarinos C. Arquitecturas de comunicación 1) Redes de sensores submarinos 2D 2) Redes de sensores submarinos 3D 3) Redes de sensores con vehículos submarinos autónomos D. Modem acústico y topologías de redes VI. FABRICACION DE TECNOLOGÍA INALÁMBRICA BAJO EL MAR A. Sonares B. Descripción empresa SAES C. Procesamiento digital de ondas acústicas según SAES D. Producto MINEA de SAES

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VII. CONCLUSIONES

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VIII. BIBLIOGRAFÍA

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II. INTRODUCCIÓN A. Conductividad del agua B. Atenuación C. Ruido D. Relación señal sobre ruido (SNR) E. Propagación multicamino F. Respuestas del canal acústico submarino G. Velocidad de Propagación IV.COMUNICACIÓN CON SUBMARINOS A. La tierra como antena B. Descripción del sistema ELF y SLF Ruso ZEVS C. La Ubicación de ZEVS D. Modo de Transmisión

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ientras que las tecnologías de comunicación inalámbrica hoy en día se convierten en parte de nuestro diario vivir, la idea de la comunicación inalámbrica bajo el mar puede parecer exagerada. Sin embargo las investigaciones en esta área han estado activas por más de una década en el diseño de métodos para la transmisión de información inalámbrica bajo el agua.

Lo que los seres humanos saben del mundo oceánico, es que este constituye la mayor parte de nuestro planeta, lo que se basa en la habilidad de recolectar información desde remotos lugares submarinos. Los mayores descubrimientos de las décadas pasadas como los restos del Titanic, y otros tantos, han sido hechos mediante el uso de cables sumergibles.

Aunque estos sistemas siguen siendo indispensables debido a la alta velocidad de comunicación entre el punto de enlace remoto y la superficie, es natural preguntarse lo que se podría lograr sin la carga y el costo de los cables pesados. Por lo tanto la motivación, y el interés apunta a la comunicación

2 inalámbrica bajo el agua. Junto con la tecnología de sensor y tecnología vehicular, las comunicaciones inalámbricas permitirán nuevas aplicaciones que van desde el monitoreo ambiental a la recopilación de datos oceanográficos, arqueología marina y misiones de búsqueda y rescate.

Las señales que se utilizan para llevar la información digital a través del canal submarino no son señales de radio, porque las ondas electromagnéticas se propagan sólo en distancias muy cortas. En su lugar, son utilizadas ondas acústicas, que pueden propagarse muy largas distancias. Sin embargo, un canal acústico submarino presenta un sistema de comunicación con muchas dificultades. Las tres características que distinguen a este canal es la pérdida de propagación por dependencia de la frecuencia, graves multicaminos, y baja velocidad de propagación del sonido. Ninguna de estas características se pronuncia demasiado en los canales con base en tierra en comparación con el canal submarino que hacen que las comunicaciones en este medio sean extremadamente difíciles de realizar.

Descomponiendo la formula en forma logarítmica se tiene que:

Donde 1: perdida por propagación 2: perdida por absorción del medio (coeficiente de absorción) d = distancia (km) f = frecuencia (kHz) k= constante que puede tener los siguientes valores según el tipo de propagación k = 2 propagación esférica 1.5 propagación practica 1 propagación cilíndrica Para calcular el coeficiente de absorción se tiene la fórmula empírica de Thorp’s: ( )

III. DESCRIPCIÓN DE CANAL SUBMARINO A. Conductividad del agua El agua en su estado puro es un aislante, pero tal y como la encontramos en la naturaleza, contiene sales disueltas y otros materiales que la hacen parcialmente conductora. Cuanto mayor es su conductividad, mayor es la atenuación de las señales de radio que pasan a través de ella.

La conductividad (s) varía tanto con la salinidad como con la temperatura. El agua de mar tiene un alto contenido salino y alta conductividad variando desde 2 mhos por metro en las regiones frías del ártico hasta 8 mhos por metro en las aguas cálidas y altamente salinas del Mar Rojo. La conductividad media del mar normalmente se considera que es de 4 mhos por metro. Lo que significa que en un cubo de 1 metro de lado de agua mar tiene una conductividad de 4 mhos o una resistencia de 0,25 ohm.

Lo que llamamos agua dulce tiene menor conductividad y como base de esto, se utiliza una muestra de análisis de agua de Adelaida tomada en 1983. Esta muestra fue tomada de un área principalmente abastecida por el embalse de Barrosa y el análisis muestra que las sales totales disueltas son aproximadamente 300mg/litro y la conductividad de 0,0546 mhos por metro. Se toma generalmente este valor como referencia para modo de estudio.

B. Atenuación La atenuación dentro del canal submarino se puede describir mediante la siguiente fórmula: Atenuación (perdida por el camino) =

Fórmula que se obtiene empíricamente del gráfico de la figura 1 que muestra el coeficiente de absorción (dB/Km) en comparación a la frecuencia (kHz). Ésta dependencia entre frecuencia y distancia limita el ancho de banda disponible: por ejemplo, a distancias en el orden de 100km, el ancho de banda disponible es sólo del orden de 1kHz. A cortas distancias, un ancho de banda más grande está disponible, pero en la práctica esto está limitado por el transductor. También en contraste al sistema de radio, una señal acústica es rara vez de un ancho de banda angosto es decir este ancho de banda no es despreciable con respecto a la frecuencia central.

C. Ruido Existen distintos tipos de ruidos, los que se pueden separara en dos grandes grupos: 1)    

Ruidos en sitios específicos Producido por el hombre Biológico Rompimiento de hielos (glaciares), lluvia Eventos sísmicos

2) Ruidos a mar abierto Se mide en p.s.d [dB re uPa], f [kHz]  Turbulencia: 17 – 30log f  Navegación de barcos: 40 + 20(s-0.5) + 26log f – 60log(f+0.03)  Superficial: 50 + 0.7w0.5 + 20log f – 40log(f + 0.4)  Térmico: -15 + 20log f

3 Cabe mencionar que:    

Existe una frecuencia central óptima para una distancia dada El ancho de banda está limitado en el extremo inferior por el ruido y en el extremo superior por la absorción.

Una limitación extra es el ancho de banda del transductor utilizado (transmisor-receptor) La eficiencia del ancho de banda en la modulación es necesaria para una alta tasa de trasferencia de datos en las comunicaciones.

El comportamiento de la relación señal ruido se puede observar en el grafico de la figura N°3

Fig. 1. Coeficiente de absorción v/s Frecuencia

Los tipos de ruido y su comportamiento en función de la frecuencia se pueden observar en el grafico de la figura N°2.

Fig. 3. Comportamiento de la relación señal ruido relativa en relación a la frecuencia

E. Propagación multicamino

Fig. 2. Comportamiento del ruido v/s Frecuencia

D. Relación Señal sobre Ruido (SNR) La relación señal ruido se puede expresar de la siguiente fórmula: (

)

( )

Donde d = distancia en Km f = frecuencia en kHz

( )

( )

La velocidad del sonido bajo el mar varía considerablemente con respecto al medio tradicional, bajo el mar esta velocidad es considerada dentro del orden de C = 1500m/s, lo que obviamente hace que las comunicaciones no sean iguales de rápidas que en la superficie. Luego la velocidad del sonido varía en función de la profundidad a la cual se está emitiendo señales, este fenómeno se puede observar en la figura N°4 en la cual se muestra la variación de la velocidad del sonido con respecto a la profundidad del mar, indicando algunas características del medio marino.

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Fig. 6. Propagación multicamino debido a la flexión en aguas profundas debido a la mayor velocidad del sonido en la profundidad del agua.

Fig. 4. Variación de la velocidad del sonido con respecto a la profundidad en el mar

Dentro del ancho de banda limitado, la señal está sujeta a la propagación multicamino, que es particularmente pronunciada en el canal horizontal. En aguas superficiales, el multicamino se produce por la reflexión de la señal en la superficie y el fondo, como se muestra en la figura N° 5. En aguas profundas- profundidad mayor a 100 metros- los rayos se producen debido a la flexión, es decir la tendencia de las ondas acústicas a viajar a lo largo del eje bajo la velocidad del sonido, tal como se observa en la figura N° 6. El canal responde variando en el tiempo, y también cambia si el receptor se mueve. Sin importar el origen de esto, la propagación multicamino crea ecos de señal, resultando una interferencia intersimbólica en un sistema de comunicación digital.

Mientras que en un sistema de radio celular el multicamino se extiende en algunos intervalos de símbolos, en un canal acústico bajo el agua esto se puede extender algunas decenas, o incluso cientos de intervalos de símbolo. Para evitar interferencia intersimbólica, un tiempo de espera de duración menor o igual al de la propagación multicamino debe ser sucesivamente insertado entre la trasmisión de los símbolos. Sin embargo, esto reducirá el total de la tasa de símbolo, que ya está limitado por el ancho de banda del sistema. Para maximizar la tasa de símbolo, el receptor debe ser diseñado para contrarrestar la larga interferencia intersimbólica.

F. Respuestas del canal acústico submarino A continuación se muestran ejemplos de respuestas del canal acústico bajo distintos parámetros:

Fig. 7 Respuesta del canal acústico a gran distancia y en aguas profundas

Fig. 8 Respuesta del canal acústico a baja distancia y en aguas superficiales Fig. 5. Propagación multicamino en aguas de baja profundidad: en suma al camino directo, la señal se propaga a través de los reflejos de la superficie y el fondo

5 IV. COMUNICACIÓN CON SUBMARINOS Como se vio anteriormente las ondas electromagnéticas tienen la desagradable propiedad de atenuarse exponencialmente al pasar por un medio conductor, como por ejemplo el agua salada del océano. A frecuencias de radio habituales, la atenuación es casi completa bajo la superficie.

Esto las hace muy inadecuadas para comunicarse con un submarino sin que éste tenga que subir a la superficie.

Fig. 9 Respuesta del canal acústico a media distancia y en aguas de media profundidad

G. Velocidad de propagación La velocidad del sonido bajo el agua varía con la profundidad y también depende de la vegetación o ambiente.

Este valor nominal es sólo 1500 m/s, y este hecho tiene una doble implicancia en el diseño del sistema de comunicación.

Primero, que implica largo retardo de la señal, que reduce drásticamente la eficiencia de cualquier protocolo de comunicación en que esté basado la retroalimentación del receptor, o la interacción entre el transmisor y receptor.

La latencia resultante es similar a los sistemas de comunicación espaciales, aunque esto es una consecuencia de las largas distancias recorridas. Segundo, la baja velocidad del sonido resulta en una severa distorsión Doppler en el sistema acústico móvil. Nombrando, si la relativa velocidad entre el transmisor y el receptor es +-v, entonces una señal de frecuencia fc se observa en el receptor con frecuencia fc (1 +v/c). Al mismo tiempo, una onda de duración T será observada en el receptor con la duración T (1 +-v/c). Por lo tanto el cambio Doppler y la propagación ocurren. Para la velocidad v en el orden de algunos m/s, el factor v/c, que determina la gravedad de la distorsión Doppler, pueden ser de un orden de magnitud mayor que la observada en un sistema de radio móvil terrestre. Para evitar esta distorsión, un detector de modulación no coherente debe ser empleado. Un detector de modulación coherente ofrece una utilización mucho mejor del ancho de banda, pero el receptor debe estar diseñado para hacer frente a la distorsión Doppler extrema.

Resumiendo las características del canal, se puede llegar a la conclusión que un enlace acústico bajo el agua combina en sí mismo el peor de los aspectos los canales de radio: mala calidad en enlaces móviles terrestres, y la alta latencia de un enlace en el espacio. Además la tecnología actual ofrece transductores limitados en ancho de banda (típicamente unos pocos KHz, o unas decenas de KHz en un sistema de banda ancha), operación half-duplex, y fuente de alimentación limitada de instrumentos operados con baterías.

Resolver adecuadamente el problema de la comunicación con los submarinos tiene, gran importancia estratégica. Para esto se intentaron diferentes soluciones, quizás una de las más fantasiosas fue plantear el uso de neutrinos. Los neutrinos son partículas estables subatómicas de masa muy pequeña y sin carga eléctrica. Esas tres características hacen que puedan viajar sin atenuación a través de la materia. Se calculó que usando el Fermilab, se podrían trasmitir 15 bits de información en cada ciclo de 8 segundos del acelerador, pero no se llego a aplicar.

Una idea que sí que se llegó a aplicar es el uso de ondas sonoras. El sonido se propaga con mayor velocidad y menor atenuación a través del agua que en el aire. Si un submarino está en las proximidades de un altavoz y un hidrófono- como el que se observa en la Figura N° 10- , entonces podría existir comunicación. Se sabe, por ejemplo, que el gobierno de los EEUU instaló una decena de estas estaciones en el Atlántico Norte, y actualmente sigue investigando esta posibilidad con programas como el Deep Siren Tactical Paging (DSTP).

Fig. 10 Hidrófono

Más eficiente es el uso de ondas de muy baja frecuencia (VLF, decenas de KHz), que permiten la comunicación con submarinos que estén a menos de 20 metros de la superficie.

La OTAN tiene una red de decenas de emisoras VLF en todo el mundo. Rusia ha construido seis, dos de ellas en países vecinos Bielorrusia y Kyrgyztan.

Desafortunadamente, la comunicación por ondas sonoras o electromagnéticas VLF no es posible con submarinos que estén lejos de la superficie. Para llegar a grandes profundidades, hay que hacer uso de ondas electromagnéticas de súper baja frecuencia y extremada baja frecuencia (SLF y ELF). A frecuencias menores de 100 Hz, un submarino puede detectar una emisión en SLF y ELF incluso cuando está sumergido a grandes profundidades (varios centenares de metros).

Sin embargo, el uso de SLF y ELF tiene un importante problema técnico. Para emitir con una eficiencia aceptable, se requieren antenas de dimensiones similares a la longitud de onda de la radiación emitida. Así, por ejemplo, mientras la telefonía móvil usa longitudes de onda de sólo una decena de

6 centímetros, y la radio AM de centenares de metros, las bandas SLF y ELF usan longitudes de onda de miles de kilómetros.

Es imposible, por el momento, construir una antena emisora de ese tamaño. La solución ideada por el científico griego Nicholas Christófilos fue la más adecuada: usar parte de la Tierra como antena.

A. La tierra como antena Esta fue la solución que adoptaron finalmente las dos superpotencias de forma independiente durante la guerra fría.

Rusia construyó ZEVS, su emisora de 82Hz, en la península de Kola, mientras que EEUU emitía a 76Hz desde el estado de Michigan en red con Wisconsin con su WMT/MTF. Reino Unido estudió construir una estación similar en Glengarry, Escocia, algo que fue abandonado, igual que un gran proyecto de EEUU (Sanguine) que involucraba una gigantesca estructura con 10.000 Km de líneas de cable.

ZEVS está formado por dos largos cables de 60 Km de longitud cada uno, enterrados una zona con un terreno de una extraordinariamente pequeña conductividad eléctrica.

WMT/MTF tiene 5 de estas estructuras, que en este caso no están enterradas. Los extremos de cada cable se hunden en la tierra hasta una profundidad de cientos de metros.

Cuando el generador de onda se activa, la corriente de 200300A que genera cierra el circuito a gran profundidad, en capas más conductoras de la corteza terrestre, formando una enorme antena de tipo dipolo magnético. En el ZEVS esto ocurre a unos 10Km de profundidad. Aun así, la antena es demasiado pequeña como para emitir eficientemente: se requiere toda una central eléctrica para poder alimentar la antena, y la potencia final emitida es apenas de 1 Watt.

A pesar de ello, la señal resultante se puede detectar en cualquier lugar de la tierra, ya que a esas frecuencias tan bajas, la ionosfera y la superficie terrestre se comportan efectivamente cómo una guía de ondas, que trasmite la señal por todo el mundo sin que escape al espacio. La descripción grafica del funcionamiento de estos sistemas se puede observar en la figura N° 11 en donde se observa la forma de transmisión de un sistema ELF y los alcances de los receptores.

La baja frecuencia y débil señal emitida por estas antenas hace que no se pueda enviar información a mucha velocidad a través de ellas. Velocidades típicas serían del orden de los bits por segundo y servirían para trasmitir órdenes simples como pedir al submarino que emerja, de modo que se pueda establecer contacto usando otros sistemas más rápidos.

Fig. 11 Descripción grafica de un sistema ELF con sus respectivos receptores

Una vez terminada la Guerra Fría estas gigantescas estructuras ya no fueron tan necesarias. El gran costo de mantenerlas y operarlas durante las 24 horas del día, y la alarma que causan entre la población (aunque nunca se pudo demostrar que afectaran la salud), están provocando su cierre.

EEUU ha decomisionado ya su sistema SLF y ELF, y ya sólo puede comunicarse con sus submarinos cuando están cerca de la superficie. Desde 1995 el sistema ruso ZEVS no es de exclusivo uso militar, y se usa también para la investigación geológica.

B. Descripción del sistema ELF y SLF Ruso ZEVS La principal razón del uso de señales de baja frecuencia es por la capacidad que tiene estas de penetrar bajo la superficie del océano. No sólo las frecuencias ELF penetran en el agua, sino también en el espesor del hielo marino, haciendo posible que los submarinos puedan recibir órdenes cuando se dirijan a los casquetes polares.

Bajo el océano generalmente a profundidades de 300 metros conviven distintos tipos de submarinos que cumplen tareas de vigilancia que pueden permanecer semanas sumergidos sin la necesidad de salir a la superficie para tomar aire fresco u otros suministros. El principal problema es obtener información de lo que está sucediendo en la superficie.

En aguas internacionales en único medio de comunicación con los submarinos, es el rango de frecuencias ELF o VLF. En el medio del océano Atlántico, con una salinidad del 3.2%, una señal de muy baja frecuencia puede penetrar hasta una profundidad de 10 a 20 metros, que es el largo de un periscopio de un submarino de escala moderna.

En zonas de menor salinidad, como el mar mediterráneo o en las aguas del mar Báltico, es posible recibir la misma señal a una profundidad de más de 40 metros. Para los submarinos que operan a mayor profundidad, la única solución es un enlace de una vía con la superficie utilizando ondas de radio ELF.

7 C. La ubicación de ZEVS Los transmisores rusos ZEVS ELF, se encuentran al noroeste de Múrmansk (69° N 33°E) en la península de Kola, al noroeste de Rusia, como se ve en la figura N° 12. En esta zona está ubicado el puerto base de la flota Rusa del norte y una multitud de otras instalaciones militares, como la pista de aterrizaje de la fuerza operativa de la flota aérea del Ártico Ruso.

Fig. 13 Vista típica de una línea de alimentación para un transmisor ELF

Cálculos realizados en datos recogidos en 1990, muestran que el transmisor ZEVS de 82 Hz es 10dB más potente que los transmisores ELF de los sitios de Wisconsin y Michigan (WMT/MTF) de 76Hz de la marina de los EE.UU.

Fig. 12 Ubicación geográfica ELF ZEVS Ruso

La regla número uno, para la ubicación de un transmisor ELF es ubicarlo en un lugar con suelo de conductividad muy baja, suelos arenosos, granito, o de cadenas montañosas.

Estas instalaciones no eran conocidas abiertamente, pero durante la década de1990 esta señal se detecta en todo el mundo, por varios sistemas de radio operados por la Universidad de Stanford. La señal de 82Hz, incluso fue detectada en una base en la Antártida (78° S, 167°O). En ese momento no hubo información disponible sobre otros transmisores ELF además del generador de 76 Hz de EE.UU. Los científicos de la universidad de Stanford, rápidamente asumieron que la fuente de la señal de 82Hz se encontraba en Rusia. Esta deducción lógica se basaba en la gran fuerza de la señal en una estación científica de Groenlandia y de referencias literarias de una novela sobre un transmisor ELF Ruso del autor Tom Clancy, que tiene una gran reputación por su precisión en lo respecta a los asuntos de defensa.

Una vez que esto fue confirmado por fuentes rusas se supo que el transmisor se compone de dos generadores de frecuencia de tensión senoidal y dos antenas horizontales paralelas a la tierra, cada uno de unos 60Km de largo. Los generadores proporcionan entre 200 y 300 Amperes a las antenas, en el rango de frecuencia de 20Hz a 250Hz. Ahora cabe decir que lo que se denomina antena es el conductor de la corriente entre extremos, porque la antena en sí misma es la Tierra a través de sus capas conductoras inferiores, puesto que en la capa superficial no debiera conducir porque la estación se construye como se dijo anteriormente sobre una superficie con baja conductividad.

El aspecto real de la parte visible de la línea de transmisión de esta antena gigante es muy parecido a los cables telegráficos que colgaban de los postes de telégrafo, como se muestra en la figura N° 13.

D. Modo de transmisión La transmisión de 82 Hz se realiza haciendo uso de modulación por desplazamiento mínimo MSK (minium shifted keying). Este tipo de modulación esta en uso en casi todos los modernos submarinos de comunicación de banda VLF, entre 3 y 30KHz. La razón que hace que el modo de transmisión ELF sea único es que el cambio en frecuencia de la portadora es muy estrecho, durante la fase de mensaje de la transmisión.

El cambio de frecuencia más amplio que se observa, está en el intervalo estrecho de 81Hz a 83.3Hz al comienzo de un mensaje transmitido. Este cambio de portadora de solo 2.3Hz marca la diferencia de la señal MSK. Para la decodificación se requiere de un software más complejo utilizado por el equipo de comunicación a bordo del sistema submarino. La frecuencia de la portadora ELF (SLF en estricto rigor) se desplaza de la frecuencia de portadora normal de 82Hz, hasta 81,6 Hz y hasta 82.7 Hz antes del mensaje, luego lo más probable es que se realice la comunicación teniendo un mensaje de espera, la cual es la función con que se llama al ZEVS Ruso, tal como se detecto en Italia el 8 de Diciembre del año 2000, a las 08:40 como se observa en la figura N°14.

El “mensaje en espera” de la señal, entre los 8 minutos a 81.6Hz y los 4 minutos de 82.7Hz se detecta en el espectrograma, luego la señal baja nuevamente a 81Hz y sube a 83.3Hz posteriormente, para dar paso al mensaje de larga duración de 16 minutos, para que después la transmisión vuelva a los 82Hz. 81,6 Hz y hasta 82.7 Hz antes del mensaje, luego lo más probable es que se realice la comunicación teniendo un mensaje de espera, la cual es la función con que se llama al ZEVS Ruso, tal como se detecto en Italia el 8 de Diciembre del año 2000, a las 08:40 como se observa en la figura N°14. El “mensaje en espera” de la señal, entre los 8 minutos a 81.6Hz y los 4 minutos de 82.7Hz se detecta en el espectrograma, luego la señal baja nuevamente a 81Hz y sube a 83.3Hz posteriormente, para dar paso al mensaje de larga

8 duración de 16 minutos, para que después la transmisión vuelva a los 82Hz.

usan el canal acústico, se consideran digitales por el tipo de modulación usada y los datos trasmitidos.

A. Redes de sensores Submarinos

Fig. 14 Análisis espectral de una comunicación ELF/SLF en la cual se nota el cambio de frecuencia mínimo (MSK) de los 82Hz para después de la entrega del mensaje volver a la frecuencia original.

Las transmisiones ELF son de una velocidad muy lenta tal como se observó en el ejemplo anterior, es por eso que no se pueden dar órdenes de alta complejidad desde la superficie al submarino. En la década de 1990 el transmisor ZEVS fue varias veces observado utilizando la telegrafía y código Morse. El protocolo de transmisión es de varios minutos, y si no se cumple totalmente se puede decir que se aborta la operación, es decir si la transmisión de datos se interrumpe, se espera establecer toda la comunicación desde un principio con el fin de evitar errores que en el área militar seria de una gravedad importante.

Al contrario del transmisor de EE.UU, el ZEVS no se utiliza exclusivamente para comunicaciones militares. Las ondas electromagnéticas ELF no solo penetran en el agua, sino también a grandes profundidades de la tierra. Esta propiedad es utilizada en la investigación geofísica. Una resonancia electromagnética y el seguimiento de la corteza terrestre fueron realizados en 1994 por el Instituto de San Petesburgo y el Instituto Geológico del centro de Ciencias de Kola. Las frecuencias utilizadas se encontraban en el rango de 31-166 Hz y una alta resolución de las señales se podía medir hasta varios miles de kilómetros de la fuente. También se utiliza este método en China para lograr algún día la predicción de terremotos utilizando la frecuencia de 82Hz.

Las comunicaciones acústicas están en la capa física en la tecnología de redes submarinas. Luego como se ha dicho anteriormente, la propagación de las ondas de radio a largas distancias a través de agua salada solo puede realizarse a frecuencias extra bajas (30 – 300Hz), que requieren una larga antena y un transmisor de gran potencia. Las ondas ópticas no sufren ésta alta atenuación, pero se ven afectados por la dispersión. Además, la transmisión de señales ópticas requiere alta precisión señalando las estrechos haces de láser. Así, los enlaces en las redes submarinas son basados en comunicaciones inalámbricas acústicas.

Las redes de sensores submarinos tienen la ventaja de permitir aplicaciones inexploradas y de mejorar nuestra habilidad para observar y predecir el comportamiento del océano. Los vehículos no tripulados o vehículos autónomos submarinos (UUVs, AUVs), equipados con sensores submarinos, están también previstos para encontrar aplicaciones en la exploración de la naturaleza bajo el mar, en los recursos y la recolección de datos científicos y en misiones de colaboración de monitoreo. Estas potenciales aplicaciones harán posible la comunicación entre dispositivos bajo el agua.

Los sensores acústicos de redes submarinas (UW-ASNs) estarán formados por sensores y vehículos desplegados bajo el agua y la red a través de enlaces de acústicos para realizar tareas de colaboración de vigilancia.

Las redes de sensores acústicos permiten un rango general de aplicaciones, incluyendo: 

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 V. COMUNICACIÓN DIGITAL BAJO EL MAR Además de la comunicación con submarinos correspondientes a fines militares, la comunicación digital bajo el mar tiene otras aplicaciones principalmente en el área de la investigación científica, a través de la comunicación entre vehículos autónomos submarinos AUVs utilizando distintas topologías de comunicación y las redes de sensores acústicos submarinos UW-ASNs. A continuación se revisarán estas formas de comunicación bajo el agua las cuales si bien

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Red de muestreo en el océano: redes de sensores y AUVs pueden realizar presentaciones sinópticas, cooperación en la toma de muestras ambientales 3D en la costa del océano.

Monitoreo ambiental: los UW-ASNs pueden monitorear la polución (química, biológica y nuclear), corrientes oceánicas, monitoreo del viento, y monitoreo biológico como el rastreo de peces o micro organismos. También, UW-ASNs pueden mejorar el pronóstico del tiempo, detectar cambios en el clima, y entender y predecir el efecto de las actividades humanas en el ecosistema marino.

Exploraciones bajo el mar: Redes de sensores submarinos pueden ayudar a detectar yacimientos o reservas de petróleo, determinar rutas para cables submarinos, y ayudar en la exploración para minerales valiosos.

Prevención de catástrofes: redes de sensores que miden la actividad sísmica desde remotos lugares pueden dar aviso de alertas de tsunami en áreas costeras, o estudiar los efectos de los terremotos submarinos (maremotos).

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Monitoreo Sísmico: un monitoreo sísmico frecuente es de gran importancia en la extracción de petróleo de praderas submarinas para así evaluar el rendimiento en terreno.

Equipos de vigilancia: las redes de sensores remotos permitirían en seguimiento y control temporal de equipos de alto costo, inmediatamente después de su despliegue, con el fin de detectar errores en la implementación inicial o detectar problemas.

Navegación Asistida: los sensores pueden ser usados para identificar los peligros en el fondo marino, buscar rocas peligrosas en aguas poco profundas, posiciones de anclaje, naufragios sumergidos y realizar perfiles de batimetría.

Distribuir tácticas de vigilancia: loa AUVs y los sensores submarinos fijos, pueden colaborar monitoreando áreas de vigilancia, reconocimiento y detección de intrusos.

Reconocimiento de minas: la operación simultánea de múltiples AUVs con sensores acústicos y ópticos pueden ser usados para realizar una rápida evaluación del medio ambiente y detectar objetos similares a minas.

El enfoque tradicional del trabajo en el océano es desplegar los sensores que registran datos durante seguimientos. Este enfoque tiene severas desventajas: i) se puede acceder a los datos grabados hasta que los instrumentos se recuperan, lo que puede ser varios meses después del monitoreo. ii) No es posible la interacción entre los sistemas de control, y los instrumentos de monitoreo lo que impide cualquier ajuste adaptativo o reconfiguración del sistema; iii) si ocurren fallas o configuraciones incorrectas no es posible detectarlo antes de que se recuperen los instrumentos; y iv) La cantidad de datos que pueden ser registrados por cada sensor durante la misión de vigilancia se encuentra limitado a la capacidad del almacenamiento a bordo del dispositivo.

Estas desventajas pueden superarse conectando instrumentos autoinstalables por medio de conexiones inalámbricas que se basen en la comunicación acústica.

Aunque existen muchos protocolos recientemente desarrollados para las redes inalámbricas de sensores, la única característica del canal acústico de comunicación submarino, como capacidad limitada y un alto y variable retardo en la propagación, requiere mucha eficiencia y un nuevo protocolo de comunicación de datos.

Los mayores cambios en el diseño de redes acústicas submarinas son:   

La disponibilidad de ancho de banda es muy limitada El canal submarino se ve deteriorado a causa de los multicaminos y el desvanecimiento; El retardo en la propagación es 5 veces mayor en magnitud que en canales de radio frecuencia terrestre (RF) y variable;

   

Se puede experimentar un alto error en la tasa de bit y pérdidas temporales de conectividad (zonas oscuras); Los sensores submarinos se caracterizan por su alto costo a causa del pequeño número de proveedores ( es decir no es economía de escala); La potencia de la batería es limitada y usualmente las baterías no se pueden recargar; Los sensores submarinos están propensos a fallas debido a la suciedad y la corrosión.

B. Problemas de diseño

1) Diferencias con las redes de sensores terrestres La principal diferencia entre las redes de sensores terrestres y submarinos se muestra a continuación: 

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Costo: Mientras se espera que los nodos de sensores terrestres sean cada vez más baratos, los dispositivos submarinos son caros. Esto es especialmente porque los transductores submarinos son más complejos y el hardware necesita una protección mayor, debido las condiciones ambientales submarinas. También, porque se trata de una economía de pequeña escala, esto es causado por una pequeña cantidad de proveedores, lo que caracteriza a los sensores submarinos con un alto costo.

Despliegue: Mientras los sensores de redes terrestres son desarrollados densamente, en los submarinos, el despliegue es generalmente más escaso.

Potencia: La potencia necesaria para las comunicaciones submarinas es mayor que las radio comunicaciones terrestres porque existe una diferencia física en la tecnología (acústica versus ondas de radiofrecuencia), las mayores distancias, y más complejas técnicas de procesamiento de señal aplicadas en los receptores para compensar las deficiencias del canal.

Memoria: Mientras los nodos sensores terrestres tienen muy limitada capacidad de almacenamiento, los sensores submarinos deberán ser capaces de almacenar algunos datos en la memoria caché debido a que el canal acuático es intermitente.

Correlación espacial: Mientras las lecturas de los sensores terrestres a menudo están correlacionadas, esto es más probable que ocurra en las redes submarinas de sensores debido a la mayor distancia entre éstos.

2) Factores que influyen en el diseño de protocolos submarinos

Las comunicaciones acústicas en el medio submarino son principalmente influenciadas por pérdidas en la transmisión, ruido, multicaminos, propagación Doppler, y un alto y variable retardo en la propagación. Todos éstos factores determinan la variabilidad temporal y espacial del canal acústico, y hacen que el ancho de banda disponible del canal

10 acústico submarino sea limitado y dependiente tanto del alcance como la frecuencia. Los sistemas de largo alcance operan sobre decenas de kilómetros y tienen un ancho de banda de algunos pocos kHz, mientras los sistemas de corto alcance operan sobre decenas de metros y tienen un ancho de banda de cientos de kHz. En ambos casos, estos factores llevan a bajar la tasa de bit, en el orden de decenas de Kbps para los dispositivos existentes.

TABLA I ANCHO DE BANDA DEL CANAL ACÚSTICO SUBMARINO PARA DIFERENTES

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RANGOS DE FRECUENCIA

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Los enlaces de comunicación acústica submarina pueden ser clasificados de acuerdo a los siguientes rangos que son: muy largo, largo, medio, corto y enlaces muy cortos. La tabla 1 muestra los típicos anchos de banda del canal acústico submarino para diferentes rangos. Los enlaces acústicos también son clasificados generalmente como vertical y horizontal, de acuerdo a la dirección del rayo de sonido con respecto al fondo del océano. Éstas características de propagación difieren considerablemente, especialmente con respecto al tiempo de dispersión, propagación multicamino y la variación en el retardo. En lo que sigue, esto está usualmente en la literatura oceánica, las aguas superficiales se refieren a las aguas con menos de 100 metros de profundidad, mientras que el término aguas profundas es usado para las profundidades del océano. A continuación se analizará brevemente los factores que influyen las comunicaciones acústicas:

Multicaminos: La propagación multicamino es responsable de la degradación de la señal acústica de comunicación, desde la generación de interferencia intersimbólica (ISI), la geometría multicamino depende de la configuración del enlace. Los canales verticales se caracterizan por el pequeño tiempo de dispersión, mientras que los canales horizontales tienen larga propagación multicamino. El alcance de propagación es importante en función de la profundidad y la distancia entre transmisor y receptor.

Alto retardo y variación de retardo: La velocidad de propagación en un canal acústico submarino es del orden de 5 veces más baja en magnitud que la del canal de radio. Este largo retardo en la propagación (0.67s/km) y esta variación puede reducir el rendimiento (throughput) del sistema.

Propagación Doppler: La propagación de la frecuencia Doppler puede ser importante en los canales acústicos submarinos, causando degradación en la presentación de la comunicación digital: las transmisiones a una alta tasa de transferencia causa muchos símbolos adyacentes que interfieren al receptor.La propagación Doppler genera dos efectos: una simple traslación en la frecuencia y una propagación continua de frecuencias, que constituye una señal no codificada. Mientras que el primero es fácilmente compensado en el receptor, el efecto de esto último es más difícil de ser compensado.

Más factores que causan esto último por sus propiedades químicas y físicas del medio acuático por ejemplo la temperatura, la salinidad y densidad, y por variación espacio tiempo. Estas variaciones son causadas en el canal acústico por variables temporales y de espacio. En particular, el canal horizontal es lejos más rápido en variación que el canal vertical, especialmente en aguas superficiales.

C. Arquitecturas de comunicación 

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Pérdida en la transmisión: Esto consiste en la atenuación y propagación geométrica. La atenuación es principalmente provocada por la absorción por la conversión de la energía acústica en calor, y el incremento con distancia y frecuencia.

La propagación geométrica se refiere a la pérdida de energía del sonido que resulta de la expansión del frente de ondas. Estos se incrementan con la distancia de propagación y es independiente de la frecuencia.

Ruido: Este puede ser clasificado como en ruido producido por el hombre y el ruido ambiental. La anterior es principalmente causado por el ruido de maquinas (bombas, engranajes reductores, plantas de energía) y actividades de transporte marítimo, mientras que el segundo está relacionado con la hidrodinámica (movimiento de aguas incluyendo las mareas, corrientes, tormentas, viento y lluvia), y fenómenos sísmicos y biológicos.

1) Redes de sensores submarinos 2D Una arquitectura de referencia para una red submarina de dos dimensiones es mostrada en la figura N°15. Un grupo de nodos sensores están anclados más abajo en el océano. Los nodos sensores están interconectados para uno o más compuertas submarinas (gateways) por medio de enlaces inalámbricos acústicos. Las compuertas submarinas son dispositivos de red a cargo de la retransmisión de datos desde el fondo de los océanos a una estación en la superficie. Para conseguir este objetivo, está equipado con dos transmisoresreceptores acústicos, particularmente un transmisor – receptor vertical y horizontal. El transmisor –receptor horizontal es usado por la compuerta submarina para comunicarse con los nodos sensores en orden para: i) enviar comandos y configurar datos de los sensores (de la compuerta submarina a los sensores); ii) recolectar los datos del monitoreo (de los

11 sensores a la compuerta submarina). El enlace vertical es usado por la compuerta submarina para transmitir datos a la estación en superficie. En aplicaciones de aguas profundas el transmisor –receptor debe tener un rango más largo. La estación de superficie está equipada con un transmisorreceptor acústico que es capaz de manejar múltiple comunicación paralela con las compuertas submarinas desplegadas. Esto es también proveer con un largo rango de radio frecuencia y/o transmisor satelital para comunicarse con la estación en tierra y/o con la estación en la superficie. En aguas superficiales, los sensores-módems desplegados abajo se comunican directamente con la superficie flotante, con un nodo bajo no especializado.

2) Redes de sensores submarinos 3D Las redes tridimensionales son usadas para detectar y observar fenómenos que no pueden ser observados adecuadamente por medio de nodos sensores bajo el océano, es decir para actuar cooperando en el muestreo del ambiente oceánico en 3D. En esta arquitectura, que se muestra en la figura N°16, cada sensor es anclado al océano y es equipado con una mantención flotante que se puede inflar y bombear.

Los soportes empujan la torre del sensor hacia la superficie.

La profundidad del sensor puede ser regulada ajustando el largo del cable que conecta el sensor con el ancla, de manera controlada electrónicamente por una máquina que está en el sensor. La teleobservación y cobertura de las comunicaciones en un entorno 3D son rigurosamente investigados. El diámetro, el grado mínimo y máximo de alcance gráfico que describe la red están derivados como una función del rango de comunicación, mientras los diferentes grados de cobertura para el ambiente 3D se caracterizan como una función de sensibilidad.

Fig. 15 Red de sensores submarinos 2D

Fig. 16 Redes de sensores submarinos 3D

3) Redes de sensores con vehículos submarinos autónomos Los AUVs pueden funcionar sin correas, cables o control remoto, y por consiguiente estos tienen una multitud de aplicaciones en oceanografía, monitoreo ambiental y estudio de recursos submarinos. Un trabajo experimental previo muestra la factibilidad o relatividad de precio de vehículos submarinos autónomos equipados con múltiples sensores submarinos que pueden llegar a cualquier profundidad en el océano. La integración de las UW-ASNs con los AUVs requieren una nueva red de coordinación de algoritmos como:

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Muestreo adaptativo: Esto incluye estrategias de control para comandar vehículos móviles a lugares donde estos datos sean más útiles. Por ejemplo, la densidad de nodos sensores puede ser adaptativa incrementándose en un área cuando una alta tasa de muestreo sea necesaria para monitorear fenómenos.

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Autoconfiguración: Esto incluye el control de procedimientos para detectar automáticamente agujeros de conectividad por fallas de nodo o canal deteriorado, y requiere la intervención de un AUV. Además, cualquier AUV puede ser usado para la instalación y mantención de la infraestructura de la red de sensores o para desplegar nuevos sensores.

Uno de los objetivos de diseñar con AUVs es hacer las redes dependientes de inteligencia local y ser menos dependientes de la comunicación con la costa. En general, las estrategias de control son necesarias para la coordinación autónoma, evasión de obstáculos, y dirigir estrategias. Los sistemas de energía solar permiten que se incremente el tiempo de vida de los AUVs, es decir no es necesario recoger y recargar los vehículos diariamente.

12 Por lo tanto, la energía solar permite a los AUVs adquirir información de forma continua por periodos de tiempos del orden de meses. Una referencia de ésta arquitectura para UW-ASNs con AUVs se muestra en la figura N°17.

Fig. 18 Un Ecualizador multicanal adaptativo con decisión en la retroalimentación (DFE) es usado para comunicaciones acústicas bajo el agua de alta velocidad. Éste soporta cualquier formato de modulación lineal, como son M-ary PSK o M-ary QAM.

Fig. 17 Red de sensores submarinos con AUVs

D. Modem acústico y topologías de redes La tecnología de modem acústico ofrece hoy en día dos tipos de modulación/detección: Modulación por desplazamiento en frecuencia (frequency shift keying FSK) con detección no coherente y modulación por cambio de fase (phase- shift keying PSK) con detección coherente con una velocidad de hasta 5000 bps. FSK ha sido utilizado tradicionalmente para comunicaciones acústicas robustas a baja tasa de transferencia (comúnmente del orden de 100 bps). Para lograr la eficiencia del ancho de banda, es decir para transmitir a una velocidad mayor que el ancho de banda disponible, la información debe ser codificada en la fase o en la amplitud de la señal, como se hace en PSK o en modulación de amplitud en cuadratura (QAM). Por ejemplo, en un sistema 4-PSK, los bits de información (0 y 1) se asignan en uno de los posibles símbolos, +-1+-j. El flujo de símbolos modula la portadora y se obtiene la señal que es transmitida por el canal. Para detectar éste tipo de señal en un canal acústico con distorsión multicamino, un receptor debe emplear un ecualizador cuya tarea consiste en descomponer la interferencia intersimbólica.

Ya que la respuesta del canal no es conocida a-priori (además es variable en el tiempo) el ecualizador debe aprender el canal para así invertir éste efecto. Un diagrama de bloques de un ecualizador de decisión retroalimentada (DFE) es mostrada en la figura N° 18. Ésta configuración, con múltiples señales de entrada, obtenidas desde el espacio con diversos hidrófonos receptores, puede ser usado para mejorar el rendimiento del sistema. Los parámetros del receptor han sido optimizados para minimizar el error cuadrático medio del flujo de datos detectados

. Después del período inicial de entrenamiento, durante el cual una secuencia de símbolos conocidos se transmite, el ecualizador se ajusta adaptativamente, con los símbolos de decisión en la salida. Un algoritmo integrado de seguimiento Doppler permite al ecualizador operar en un escenario móvil.

Esta estructura de receptor es usada en varios tipos de canales acústicos. Los logros actuales incluyen la transmisión a velocidades del orden de un Kbps a largas distancias (10 -100 millas marinas) y varias decenas de Kbps en distancias cortas (pocos kilómetros), como las tasas más altas obtenidas hasta la fecha. En una nota más inusual una operación exitosa se demostró en una cuenca (3000km) a 10 bps, así como más de un canal vertical corta a una velocidad de más de 100 Kbps.

La DFE multicanal es la base de un módem acústico de alta velocidad implementadas en la Institución Oceanográfica Woods Hole. El módem mostrado en la figura N° 19, es implementado en un DSP de punto fijo, con un punto flotante de co-procesador de alta velocidad en modo de operación.

Cuando se encuentra estático, consume alrededor de 3W en modo receptor, y entre 10 y 50W en modo de transmisor. La placa mide entre 1.75 a 5 pulgadas, y tiene capacidad para cuatro canales de entrada. El módem ha sido desplegado con éxito en una serie de ensayos, incluyendo los vehículos submarinos autónomos (AUV), con comunicaciones a 5 Kbps.

Figura N°19 Micro-Modem 5416 DSP Board TI 6713 Co-processor Daughter Card El micro-modem WHOI tiene dos modos de operación: baja tasa FSK (100bps) y alta tasa PSK (5000bps).

13 Con los avances en la tecnología de módem acústico, tecnología de sensor y tecnología vehicular, la ingeniería apunta a la integración de éstos componentes en redes autónomas bajo el agua. Mientras que las aplicaciones actuales incluyen la supervisión del control individual de los AUVs y la telemetría de datos oceanográficos de instrumentos montados en el fondo, la visión de futuro es la de un "océano digital" en el que las redes integradas de instrumentos, sensores, robots y vehículos operarán en conjunto en la variedad del medio ambiente submarino. Ejemplos de las aplicaciones emergentes incluyen las flotas de vehículos autónomos submarinos desplegados en misiones de colaboración de búsqueda y las redes ad hoc de despliegue de sensores para el monitoreo ambiental.

Fig. 20 Topología de red centralizada

Dependiendo de la aplicación, las futuras redes submarinas evolucionarán probablemente en dos direcciones: redes centralizadas y redes descentralizadas. Estos dos tipos de topologías están ilustradas en la figura N° 20 y en la figura N° 21. En la red centralizada, los nodos se comunican a través de una estación base que cubre una celda. Una gran área está cubierta por más celdas cuyas estaciones base están conectados a través de una infraestructura de comunicaciones por separado.

Fig. 21 Topología de red descentralizada

Éstas estaciones bases pueden estar en la superficie y comunicarse enlaces de radio, como se muestra en la figura, o pueden estar en el fondo conectados por un cable.

Alternativamente, la estación base puede ser también móvil en la superficie. En una red descentralizada los nodos se comunican vía peer to peer, con multisaltos en la transmisión de los paquetes de datos. Los paquetes deben ser trasmitidos para llegar al destino, y puede haber un nodo final designado a la entrada en la superficie. Los nodos también pueden formar grupos para una utilización más eficiente del canal de comunicación.

Para acomodar los múltiples usuarios entre la topología de red seleccionada, el canal de comunicación debe ser

compartido, es decir el canal debe ser regulado. Los métodos para compartir el canal están basados en la programación o en la contención. Programación, o determinista de acceso múltiple, incluye frecuencias, tiempos y división de código por acceso múltiple (FDMA, TDMA, CDMA) así como una técnica más elaborada de acceso múltiple por división de espacio (SDMA). Este argumento basado en el intercambio de canal no se basa en una división a priori de los recursos del canal, en cambio todos los nodos compiten por el uso del canal, es decir se les permite transmitir aleatoriamente en la misma banda de frecuencia y al mismo tiempo, pero al hacerlo deben seguir un protocolo para el control de acceso medio (MAC) para asegurar que sus paquetes de información no colisionen. Todos los tipos de acceso múltiple están siendo considerados para los sistemas acústicos submarinos. Los sistemas experimentales de hoy en día votan a favor de los dos, TDMA, o acceso múltiple evitando la colisión (MACA) basado en una interacción cuto procedimiento requiere un intercambio de solicitudes y autorizaciones para enviar (RTS/CTS). La prevención inteligente de colisiones es necesaria en un canal submarino, donde el simple principio de acceso múltiple por detección de portadora (CSMA) se ve gravemente comprometida debido a la demora de propagación- el hecho de que el canal se perciba como inactivo en algún lugar, no garantiza que un paquete de datos no está en la transmisión en una ubicación remota.

Uno de los mayores aspectos de la evolución de las redes submarinas es el requerimiento para escalabilidad. Un método para compartir canales es escalable si es igualmente aplicable a cualquier número de nodos en una red de densidad dada. Por ejemplo, un esquema TDMA puro no es escalable, ya que rápidamente pierde eficiencia en un canal submarino debido al aumento en el retardo de máxima propagación en el área de cobertura. Con el fin de hacer este esquema de otro modo escalable, es que puede ser utilizado a nivel local, y en combinación con otra técnica para la reutilización espacial de los recursos del canal. El esquema resultante es escalable y eficiente, sin embargo, puede requerir una red dinámica con gestión sofisticada. Por el contrario, el argumento basado en la asignación de canal ofrece la simplicidad de implementación, pero su eficiencia es limitada por la latencia en el canal. Por lo tanto, ésta no es la única forma de despliegue de una red submarina. En su lugar, la selección de algoritmos y protocolos de comunicación de la red es controlado por los requerimientos y rendimiento particular del sistema.

Hoy en día la investigación está activa en todos los temas de las redes de comunicación submarinas: a partir de análisis de la capacidad fundamental para el diseño de protocolos de red práctica es todas las capas de la arquitectura de red (incluido el acceso al medio y el control de enlace de datos, ruteo, transporte control y en la capa de aplicación) así como la optimización de redes en la capa cruzada.

Además de servir como sistemas independientes, las redes acústicas submarinas tienen aplicación en situaciones más complejas como sistemas heterogéneos para la observación en el océano.

14 VI. FABRICACIÓN DE TECNOLOGÍA INALÁMBRICA BAJO EL MAR A. Sonares De las distintas formas de radiación conocidas, la que mejor se propaga a través del mar es el sonido como se ha mencionado anteriormente. La radiación electromagnética no es eficaz para la transmisión de información submarina, debido a las características de buen conductor eléctrico del agua del mar lo que conlleva una elevada atenuación con la distancia por la conversión de la energía del campo eléctrico en calor. La propagación del sonido en el mar depende fuertemente de las características del medio submarino. La velocidad de propagación del sonido en el mar (en torno a 1500 m/s) es claramente superior a la velocidad en el aire (en torno a 340 m/s) y se incrementa a medida que disminuye la compresibilidad del medio, que depende principalmente de la temperatura, la presión y la salinidad.

En general se trata de una propagación compleja en la que, además del perfil de velocidad del sonido, influyen de forma significativa las características del fondo y la superficie del mar y la presencia de vida marina y partículas en suspensión en el entorno marino.

La denominación SONAR (acrónimo de Sound Navigation and Ranging) referencia en la actualidad todas las actividades en las que el agua es el medio de propagación del sonido, se puede considerar como el equivalente en el medio marino al RADAR en el medio aéreo.

Una de las primeras referencias históricas a la propagación del sonido en el mar y su detección se debe a Leonardo Da Vinci, quien en 1590 escribía: “Si detienes tu barco e introduces el extremo de un tubo largo en el agua y aplicas tu oído al extremo exterior, oirás barcos que se encuentran a una gran distancia de ti”.

Definición que contiene los principios básicos de un sistema SONAR actual: producción de sonido por parte de una fuente sonora, propagación del sonido a través del mar y detección del sonido. Los sonares se clasifican genéricamente en activos, que se basan en el análisis de los ecos producidos por la reflexión en los objetos de la energía acústica emitida y en pasivos que se limitan a recibir y analizar los sonidos emitidos por las fuentes sonoras.

El sonido consiste en un movimiento regular de las moléculas de un medio elástico, en nuestro caso el agua del mar, que se transmite en forma de onda. Cuando la onda alcanza un área determinada hace que se perturbe el equilibrio de sus partículas moleculares. Esta perturbación se denomina presión y es medible mediante un hidrófono sensible a la presión.

En un sistema SONAR genérico, los niveles de presión captados por los hidrófonos son convertidos a niveles de tensión eléctrica y generalmente discretizados (convertidos de niveles analógicos a valores digitales) para permitir su tratamiento en procesadores digitales. Las siguientes etapas son el procesado de la señal y la generación de los resultados en forma de audio y de vídeo, específicamente diseñados para permitir al operador distinguir la presencia de contactos de la forma más sencilla posible.

La empresa cartagenera SAES está a la vanguardia del desarrollo de sistemas SONAR en España, y dispone de una tecnología que le permite competir en los mercados internacionales con los sistemas procedentes de otros países.

Entre los sistemas SONAR ya desarrollados cabe resaltar el SOLARSUB (Sonar remolcado de Largo alcance para Submarinos), primer sonar remolcado desarrollado en España, actualmente operativo en los submarinos de la Serie-70 (clase Galerna), el SOCILSUB (Sonar Cilíndrico para Submarinos), primer sonar de casco para submarinos desarrollado en España, actualmente en fase de evaluación por la Armada española- cuya interfaz de software se puede observar en la figura N° 22- y el SONAR para la detección activa de buceadores (DAB), del que se dispone de un primer prototipo, validado con la detección de buceadores, y que también es el primero de sus características desarrollado íntegramente en España.

Fig. 22 Presentación de Software BA de SOCILSUB

B. Descripción empresa SAES La Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES) es la única empresa española especializada en acústica submarina y electrónica. SAES tiene su sede social en Cartagena (Murcia), donde la Marina española dispone de sus principales centros y escuelas ligadas a la guerra submarina. SAES es líder internacional del segmento ASW en los programas españoles de construcción de nuevas fragatas y submarinos, así como en la modernización de los aviones de patrulla marítima.

La situación y evolución tecnológica de una empresa como la Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES) le permite ser considerada la única empresa de ingeniería de electrónica submarina en España.

Todo ello se ha forjado gracias al esfuerzo y capacidad técnica de su personal, del que más del 90% son titulados, con una media de edad inferior a 35 años. Entre éstos hay un alto porcentaje de técnicos superiores (telecomunicación, informática e industriales) y licenciados (físicas y matemáticas).

15 Aunque la máxima capacidad de la empresa está enfocada al tratamiento de señales acústicas no sólo se limita a ello, sino que además se trabaja en otros campos, novedosos para cualquier técnico, como son la propagación submarina de campos eléctrico y magnético, las ondas de presión y sísmicas.

En particular se ha desarrollado, en estrecha colaboración con la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Murcia, un sensor de campo eléctrico submarino (UEP) que se ha exportado hasta la fecha a países como Australia, Francia y Noruega.

Como anteriormente se ha comentado el desarrollo de sistemas de procesamiento acústico ha sido el motivo de la creación de la empresa en el año 1989. En este campo se han diseñado, desarrollado y fabricado los siguientes sistemas:  Sistemas de Predicción de Prestaciones Sonar (SPPS y PCS)  Simulación del entorno acústico y de los sonares integrados en el Simulador Táctico de Submarinos (SATS)  Sistema Interactivo de Clasificación (SICLA)  Sonar Remolcado para submarinos (SOLARSUB)  Procesador del Sonar Cilíndrico para submarinos (SOCILSUB)  Familia de Procesadores Acústicos de Sonoboyas (SPAS)  Simulador Sonar de los Cazaminas (SIMSON) La variedad de los sistemas antes relacionados precisa de diversas disciplinas de ingeniería dentro de la empresa, como son la ingeniería de Sistemas, la ingeniería Electrónica, la ingeniería Software y el tratamiento de Señal. Todas ellas, disciplinas que se imparten en la UPCT. La sociedad de electrónica submarina SAES expuso sus productos en el stand de Navantia-SAES, Pabellón N-164, durante la feria EXPONAVAL, que se llevó a cabo del 30 al 3 de Diciembre del 2010 en Valparaíso, Chile.

En aquella oportunidad SAES presentó en la feria, la Mina de Ejercicio Avanzada Multi-Influencia MINEA, y una unidad de Mina Lapa de combate (MILA), ambas de tamaño real, así como otros novedosos desarrollos, entre los que destacan el Sistema ACINT FTAS (Fast Time Analizar System) como apoyo a las operaciones de los aviones ASW, y el Sonar Remolcado Digital para submarinos DTAS SOLARSUB, junto al sistema de despliegue y recogida TAHS C. Procesamiento digital de ondas acústicas según SAES Los sistemas sonares se consideran activos o pasivos en función de que exista una emisión de señal y se trate el eco recibido, o se limite a recibir el ruido emitido por un contacto.

Para la emisión o adquisición se utilizan transductores piezoeléctricos, magnetostrictivos y electrostrictivos que transforman la energía eléctrica en acústica y viceversa.

Las bandas de frecuencias utilizadas son muy variadas; mientras en los sonares pasivos no suelen exceder la gama de frecuencias audibles, típicamente por debajo de los 20 KHz,

en los sonares activos se alcanzan frecuencias superiores a 1 MHz. El comportamiento con la frecuencia de las ondas acústicas es semejante a la transmisión de campos electromagnéticos en lo que se refiere a atenuación (mayor atenuación a mayor frecuencia), reflexión, etc. Sin embargo existe una gran diferencia en lo que se refiere a su propagación a través del medio debido a la gran dependencia de las inhomogeneidades del medio que afectan a su impedancia característica y a la velocidad de propagación, ambas función de la densidad y de la elasticidad. Estas características del medio, determinantes entre otros fenómenos de la trayectoria de la onda sonora, se ven afectadas por la profundidad, la salinidad y la temperatura, lo que provoca la curvatura de los rayos sonoros, variando este comportamiento con la estación del año, la hora del día, la profundidad de la zona, existencia de estuarios de ríos, etc.

Ciñéndonos a una cadena de recepción sonar sea ésta activa o pasiva se dispondrá de una antena o arreglo de hidrófonos físicamente alineados (lineal o circularmente) para favorecer la recepción en una determinada dirección y en una banda de frecuencia, obteniendo así una ventaja respecto al ruido isotrópico de fondo. La señal detectada se aplica a un preamplificador próximo al sensor, pudiendo este amplificador estar controlado en ganancia para ajustar el margen dinámico.

En los sonares activos esta ganancia se varía incluso temporalmente para contrarrestar las pérdidas de propagación, a la entrada a la unidad de adquisición y digitalización. Una vez digitalizadas, con una resolución de 16 bits, las señales procedentes de cada uno de los hidrófonos o columnas que componen la antena, se procede a la generación de vías mediante una integración espacial y temporal de las señales procedentes de diversas columnas mejorando así la resolución angular y la relación señal ruido. Tras este proceso se realiza un análisis espectral mediante FFT’s (transformadas rápidas de Fourier) superiores a 1024 puntos, la normalización frecuencial (banda estrecha, banda ancha) y su comparación con un determinado umbral, este último asociado a unas probabilidades de detección y de falsa alarma.

El procesamiento de sonoboyas direccionales es similar pero requiere de una etapa adicional de demultiplexación en frecuencia de las señales complejas recibidas. Las señales procedentes de sonoboyas se reciben en la plataforma de tratamiento (buque, avión o helicóptero) mediante un receptor específico en la banda de VHF, que permite la recepción simultánea de hasta 32 sonoboyas. Los procesadores de sonoboyas por tanto requieren realizar el tratamiento simultáneo de un elevado número de señales independientes y la presentación de resultados del análisis al operador de forma secuencial.

Dada la cantidad de procesos distintos (banda estrecha, banda ancha, transitorios, interceptación) y la densidad de información que cualquiera de estos sistemas proporciona, es preciso facilitar una serie de ayudas al operador en lo relativo a la detección (alertas automáticas de líneas espectrales concretas), seguimientos automáticos, localización (DOPCPA, Lloyds Mirror, TMA), clasificación (peines de harmónicos, librerías de firmas acústicas).

La tecnología empleada en este tipo de proyectos está basada generalmente en hardware de desarrollo interno para el acondicionamiento de señal y de procesadores COTS basados

16 en PowerPC o Intel, usando buses VME 64, PCI y Ethernet; sistemas operativos VxWorks, Lynx, Linux y Windows, con lenguajes de programación C y C++. Es asimismo habitual el empleo de otros interfaces más específicos como NTDS, 1553, Arinc 429, etc.

Por último cabe indicar que como en cualquier proceso de ingeniería la fase de diseño requiere de una permanente participación del usuario final, típicamente la Armada o el Ejército del Aire, que permite clarificar los objetivos operativos de los sistemas. De igual manera el usuario final será el responsable de realizar la evaluación operativa que permita depurar la funcionalidad y con ello la calidad del producto final.

D. Producto “MINEA” de SAES MINEA es una moderna mina marina que utiliza varios tipos de sensores de influencia.

El prototipo está equipado con sensores para la detección y procesado de ondas magnéticas, eléctricas, la presión acústica, y las influencias sísmicas. También incluye un Sonar detector.

Esta mina ha sido diseñada y fabricada por SAES. SAES está trabajando en tres grandes líneas de productos: la evolución de sonar, las minas y los sistemas de medición, y la influencia de equipos a bordo. El diseño y el ensayo de las diferentes versiones de MINEA se ha llevado a cabo en estrecha cooperación con la Armada española, que ha contribuido con su amplia experiencia en lo que se trata de minas navales y los sistemas de medición bajo el agua.

El MINEA , mina de ejercicios avanzada, se ha desarrollado como una mina con la máxima capacidad de detección y de procesamiento de señales y con las instalaciones necesarias para la formación que incluyen sistema de grabación, recuperación del sistema y un enlace acústico para enviar datos.

Hay tres tipos de minas se han desarrollado: la mina cilíndrica, la mina de bajo perfil inferior y la mina amarrada.

La Figura N° 23 muestra los tres tipos de minas desarrolladas por SAES.

Fig. 23 Tipos de minas MINEA Avanzada: la mina amarrada (superior izquierda), la mía bajo perfil inferior (superior derecha) y la mina cilíndrica (inferior).

VII. CONCLUSIONES Del trabajo realizado se pueden obtener las siguientes conclusiones:  A pesar del gran desarrollo en comunicaciones inalámbricas en el medio aéreo a través de la radio frecuencia, las comunicaciones inalámbricas subacuáticas, esencialmente bajo el mar siguen siendo complejas, esto se debe a lo complejo del canal submarino, puesto que éste presenta como obstáculo las peores características del canal aéreo, es decir presenta características como alta atenuación, perdidas por propagación, ancho de banda limitado, propagación multicamino, lo que deriva en intermitencias del canal que hacen que las comunicaciones sean mucho más lentas y difíciles de llevar a cabo. 

Debido a la alta atenuación que presenta el medio submarino a la propagación de las ondas electromagnéticas es que se utiliza el canal acústico para las trasmisiones, lo que implica que se ocupen bajas frecuencias de la banda denominada ELF y SLF (extremadamente bajas frecuencias y súper bajas frecuencias) que oscilan entre los 3 y 30 Hz para el primer caso y entre los 30 y 300 Hz para el segundo.



Utilizando el canal acústico, los submarinos pueden comunicarse utilizando la banda de VLF (frecuencias muy bajas) del orden de decenas de kHz para profundidades de menos de 20 metros, pero a profundidades mayores de 100 metros, necesitan utilizar la banda SLF y ELF, puesto que son las únicas frecuencias capaces de penetrar el mara a esas profundidades. Luego el uso de estas frecuencias hace que la comunicación a esas profundidades sea lenta e intermitente.



Para generar ondas de frecuencia ELF y SLF se utiliza la tierra como antena, puesto que es imposible hasta el momento construir una antena que sea capaz de generar señales con la longitud de onda necesaria para dichas frecuencias (largo de 10 km). Los ejemplos de generadores ELF y SLF más representativos son los desarrollados en la guerra fría por Estados Unidos con su generador de 76Hz y Rusia con su generador ZEVS de 82Hz. La transmisión de datos entre el generador y un submarino se realiza mediante modulación MSK (mínimo desplazamiento en frecuencia), lo que hace que el sistema demodulador sea lo suficientemente complejo para detectar estos cambios de frecuencia.

Cabe decir que por la distancia entre el generador y la profundidad en la que se encuentre el submarino, la comunicación es lenta, puntual y en un solo sentido, es decir el submarino solo recibe órdenes en las profundidades, y estas órdenes son simples. Por ejemplo emerger a la superficie para establecer un contacto más rápido vía radiofrecuencia.

17 

Además de la comunicación entre submarinos es posible el desarrollo de otras actividades de comunicación inalámbrica bajo el mar, tales como las redes de sensores submarinos, útiles en vigilancia e investigaciones científicas ya sea para observar el medio ambiente marino, como para predecir porque no es un futuro los maremotos.



Las redes de sensores submarinos se presentan de tres formas, configuración 2D, 3D y redes de sensores con vehículos submarinos autónomos (AUVs).

Además las redes submarinas pueden agruparse en topologías, ya sean centralizadas y no centralizadas según el tipo de interacción que exista entre ellas. El canal de comunicación dentro de estas topologías es compartido, luego el canal debe ser regulado para evitar las colisiones. Para lograr esto último se utilizan métodos de programación o determinista de acceso múltiple tales como FDMA, TDMA, CDMA, así como una técnica más elaborada de acceso múltiple por división de espacio (SDMA).



Con el fin de aumentar la velocidad de transmisión de datos en redes submarinas es que se desarrollan módems acústicos (el micromodem WHOI) por ejemplo, que utilizan modulaciones del tipo FSK y PSK. Con FSK se logran velocidades de transmisión del orden de los 100 bps y con la modulación PSK se alcanzan velocidades de hasta 5000 bps. Para lograr eficiencia en el ancho de banda, es decir transmitir a una velocidad mayor que el ancho de banda disponible, se utiliza modulación PSK o QAM. Para detectar la señal transmitida afectada por los multicaminos que provocan interferencia intersimbolica, es necesario utilizar en el receptor un ecualizador multicanal adaptativo con decisión en la retroalimentación DFE que soporta cualquier formato de modulación lineal, ya sea M-ary PSK o M-ary QAM.

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Dentro de las empresas que llevan a cabo el desarrollo de comunicación submarina, se destaca la Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), empresa española que lleva a cabo el desarrollo de sistemas para la armada Española y para otras armadas Europeas entre las que se encuentran Australia, Francia y Noruega. Además SAES expone sus productos a lo largo del mundo, incluso en Chile donde expusieron en la feria Exponaval de Valparaíso en diciembre del 2010. Esta empresa lleva acabo el desarrollo de sistemas acústicos como lo son Sonares, Procesadores acústicos de Sonoboyas, Sistemas MINEA y muchos otros más.



Cabe decir finalmente que si bien las comunicaciones digitales submarinas son complicadas debido a la complejidad del canal, el desarrollo tecnológico y la adaptación de las tecnologías inalámbricas al medio submarino nos permiten ver con buenos ojos el

desarrollo de las comunicaciones bajo el mar, no tan solo en el ámbito militar, sino también en el ámbito de la investigación científica donde la gran meta de estas investigaciones es poder entender el entorno submarino, y porque no poder predecir movimientos sísmicos.

VIII. BIBLIOGRAFÍA 

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Comunicación con submarinos: la Tierra como antena, disponible en: http://resistencianumantina.blogspot.com/2011/06/comunicacioncon-submarinos-la-tierra.html

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Lloyd Butler, Radio Comunicaciones bajo el agua, disponible en: https://sites.google.com/site/proyectorovsubacuatico/home/sistema -de-comunicaciones/comunicaciones-subacuaticas

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Trond Jacobsen, ZEVS, The Russian 82 Hz ELF Transmitter, ALFLAB Noruega, disponible en: http://www.vlf.it/zevs/zevs.htm

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Antonio Molina, The Spanish Advanced Multi-Influence Naval Mine MINEA, Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), disponible en: http://www.electronicasubmarina.com/saes/index.php/es/articulos.html

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Ficha Técnica Micro-modem Acústico WHOI, disponible en: http://acomms.whoi.edu/umodem/

COMENTARIOS Ante el requerimiento de precios del servicio, alcance, número de usuarios por servicio y valores de los equipos, cabe mencionar que no fue posible obtener estos datos, debido a que el servicio de comunicación entre submarinos es de uso militar y científico, y con la referencia a precios de equipos, fue solicitada esta información a la empresa española SAES vía correo electrónico no obteniendo una respuesta, y en el caso del módem acústico WHOI corresponde a un módem usado en investigaciones y para ser solicitado debía llenarse un formulario en el cual se exigía cuenta corriente internacional, además de pertenecer a alguna organización dedicada a la investigación.