La comunicación acústica subacuática es una técnica de envío y recepción de mensajes en el agua. [1] Existen varias formas de emplear dicha comunicación, pero la más común es mediante el uso de hidrófonos . La comunicación subacuática es difícil debido a factores como la propagación por trayectos múltiples , las variaciones temporales del canal, el pequeño ancho de banda disponible y la fuerte atenuación de la señal , especialmente en distancias largas. En comparación con la comunicación terrestre, la comunicación subacuática tiene velocidades de datos bajas porque utiliza ondas acústicas en lugar de ondas electromagnéticas .
A principios del siglo XX, algunos barcos se comunicaban mediante campanas submarinas, además de utilizar el sistema para la navegación. Las señales submarinas competían en aquella época con la primitiva radionavegación marítima . [2] El posterior oscilador de Fessenden permitió la comunicación con submarinos.
En general, los métodos de modulación desarrollados para las comunicaciones por radio se pueden adaptar a las comunicaciones acústicas submarinas (UAC). Sin embargo, algunos esquemas de modulación son más adecuados que otros para el canal de comunicación acústica submarina. Algunos de los métodos de modulación utilizados para UAC son los siguientes:
A continuación se presenta una discusión sobre los diferentes tipos de modulación y su utilidad para UAC.
FSK es la primera forma de modulación utilizada en los módems acústicos. Normalmente, FSK emplea dos frecuencias distintas para modular los datos; por ejemplo, la frecuencia F1 para indicar el bit 0 y la frecuencia F2 para indicar el bit 1. Por tanto, se puede transmitir una cadena binaria alternando estas dos frecuencias según se trate de un 0 o de un 1. El receptor puede ser tan sencillo como disponer de filtros analógicos adaptados a las dos frecuencias y un detector de nivel para decidir si se ha recibido un 1 o un 0. Se trata de una forma de modulación relativamente sencilla y, por tanto, se utilizaba en los primeros módems acústicos. Sin embargo, en la actualidad se pueden utilizar demoduladores más sofisticados que utilizan procesadores de señales digitales (DSP).
El mayor desafío que enfrenta FSK en el UAC son las reflexiones por trayectos múltiples. Con trayectos múltiples (particularmente en UAC) pueden estar presentes varias reflexiones fuertes en el hidrófono receptor y los detectores de umbral se confunden, lo que limita severamente el uso de este tipo de UAC a canales verticales. Se han probado métodos de ecualización adaptativa con un éxito limitado. La ecualización adaptativa intenta modelar el canal UAC altamente reflectante y restar los efectos de la señal recibida. El éxito ha sido limitado debido a las condiciones que varían rápidamente y la dificultad de adaptarse a tiempo.
La modulación por desplazamiento de fase (PSK) es un esquema de modulación digital que transmite datos modificando (modulando) la fase de una señal de referencia (la onda portadora). La señal se imprime en el área x,y del campo magnético variando las entradas de seno y coseno en un momento preciso. Se utiliza ampliamente para redes LAN inalámbricas, RFID y comunicación Bluetooth.
La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) es un esquema de modulación digital multiportadora. OFDM transmite datos en varios canales de datos paralelos incorporando señales subportadoras ortogonales muy espaciadas.
OFDM es un esquema de comunicación favorable en comunicaciones acústicas submarinas gracias a su resiliencia frente a canales selectivos de frecuencia con grandes retardos de propagación. [3] [4] [5]
La modulación de fase continua (CPM) es una técnica de modulación que consiste en un desplazamiento de fase continuo, en el que la fase de la señal portadora varía con el tiempo y evita cambios abruptos entre símbolos sucesivos. Esta trayectoria de fase suave reduce los lóbulos laterales espectrales. [6]
La reducción de los lóbulos laterales espectrales aumenta la eficiencia espectral del CPM y le permite transmitir datos dentro de un ancho de banda más estrecho . Las variantes notables del CPM incluyen la modulación por desplazamiento mínimo (MSK) y la modulación por desplazamiento mínimo gaussiano (GMSK), que utiliza un filtro gaussiano para suavizar los cambios de fase . [7] [8]
Dado que el entorno submarino es muy disperso, puede provocar propagación por trayectos múltiples y degradación de la señal. La función de fase continua del CPM mitiga estos efectos y mantiene la integridad de la señal. Además, su alta eficiencia espectral ayuda a hacer un uso óptimo del ancho de banda limitado bajo el agua. [6]
En comparación con un sensor de presión escalar, como un hidrófono, que mide el componente escalar del campo acústico, un sensor vectorial mide los componentes del campo vectorial, como las velocidades de las partículas acústicas. Los sensores vectoriales se pueden clasificar en sensores inerciales y de gradiente. [9]
Los sensores vectoriales han sido ampliamente investigados en las últimas décadas. [10] [11] Se han diseñado muchos algoritmos de procesamiento de señales de sensores vectoriales. [12]
Las aplicaciones de los sensores vectoriales submarinos se han centrado en la detección de objetivos y sonares. [11] También se ha propuesto su uso como receptores y ecualizadores de comunicación multicanal submarinos. [13] Otros investigadores han utilizado conjuntos de sensores escalares como ecualizadores y receptores multicanal. [14] [15]
El teléfono submarino, también conocido como UQC, AN/WQC-2 o Gertrude, fue utilizado por la Marina de los EE. UU. en 1945 [16] después de que en Kiel, Alemania, en 1935 se demostraran diferentes realizaciones en el mar. [17] Los términos UQC y AN/WQC-2 siguen la nomenclatura del Sistema de Designación de Tipo de Electrónica Conjunta . [18] La designación de tipo "UQC" significa General Utility (multi use), Sonar and Underwater Soundy Communications (Receiving/Transmitting, two way). La "W" en WQC significa Water Surface and Underwater combined. El teléfono submarino se utiliza en todos los sumergibles tripulados y en muchos buques de superficie navales en operación. La voz o un tono de audio (código morse) comunicados a través del UQC se heterodinan a un tono alto para la transmisión acústica a través del agua. [19]
En abril de 2017, el Centro de Investigación y Experimentación Marítima de la OTAN anunció [20] la aprobación de JANUS, un protocolo estandarizado para transmitir información digital bajo el agua utilizando sonido acústico (como lo hacen los módems y las máquinas de fax a través de líneas telefónicas). [21] Documentado en STANAG 4748, utiliza frecuencias de 900 Hz a 60 kHz a distancias de hasta 28 kilómetros (17 millas). [22] [23] Está disponible para su uso con dispositivos militares y civiles, de la OTAN y no pertenecientes a la OTAN; recibió su nombre en honor al dios romano de las puertas, aberturas, etc.
La especificación JANUS (ANEP-87) proporciona un esquema de carga útil flexible basado en complementos. Un paquete JANUS de referencia consta de 64 bits a los que se pueden añadir otros datos arbitrarios (carga). [24] Esto permite múltiples aplicaciones diferentes, como ubicación de emergencia, AIS (sistema de identificación automática) submarino y chat. Un ejemplo de un mensaje de posición y estado de emergencia es la siguiente representación JSON : [25] [26]
{ "ClassUserID" : 0 , "ApplicationType" : 3 , "Nacionalidad" : "PT" , "Latitud" : "38.386547" , "Longitud" : "-9.055858" , "Profundidad" : "16" , "Velocidad" : "1.400000" , "Rumbo" : "0.000000" , "O2" : "17.799999" , "CO2" : "5.000000" , "CO" : "76.000000" , "H2" : "3.500000" , "Presión" : "45.000000" , "Temperatura" : "21.000000" , "Supervivientes" : "43" , "Bandera de movilidad" : "1" , "Capacidad de reenvío" : "1" , "Bandera de transmisión" : "0" , "Bandera de programación" : "0" } Este mensaje de estado y posición de emergencia (ID de clase 0, complemento de aplicación 3) muestra un submarino portugués a 38.386547 de latitud -9.055858 de longitud a una profundidad de 16 metros. Se desplaza hacia el norte a 1,4 metros por segundo y tiene 43 supervivientes a bordo, y muestra las condiciones ambientales.
Se han diseñado productos de hardware comerciales para permitir la mensajería submarina bidireccional entre buceadores. [27] [28] Estos admiten el envío de una lista de mensajes predefinidos desde una computadora de buceo mediante comunicación acústica.
Los esfuerzos de investigación también han explorado el uso de teléfonos inteligentes en estuches impermeables para la comunicación submarina, utilizando hardware de módem acústico como accesorios de teléfono [29], así como utilizando una aplicación de software sin ningún hardware adicional. [30] La aplicación de software Android , AquaApp, de la Universidad de Washington utiliza los micrófonos y altavoces de los teléfonos inteligentes y relojes inteligentes existentes para permitir la comunicación acústica submarina. [31] Se ha probado para enviar mensajes digitales utilizando teléfonos inteligentes entre buceadores a distancias de hasta 100 m. [30]