La comunicación acústica subacuática es una técnica de envío y recepción de mensajes en el agua. [1] Hay varias formas de emplear dicha comunicación, pero la más común es mediante el uso de hidrófonos . La comunicación submarina es difícil debido a factores como la propagación por trayectos múltiples , las variaciones de tiempo del canal, el pequeño ancho de banda disponible y la fuerte atenuación de la señal , especialmente en largas distancias. En comparación con la comunicación terrestre, la comunicación submarina 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 Fessenden permitió la comunicación con submarinos.
En general, los métodos de modulación desarrollados para las comunicaciones por radio se pueden adaptar para las comunicaciones acústicas submarinas (UAC). Sin embargo, algunos de los esquemas de modulación se adaptan más que otros al exclusivo canal de comunicación acústica subacuática. Algunos de los métodos de modulación utilizados para UAC son los siguientes:
A continuación se analizan los diferentes tipos de modulación y su utilidad para la UAC.
FSK es la primera forma de modulación utilizada para módems acústicos. FSK suele emplear dos frecuencias distintas para modular datos; por ejemplo, la frecuencia F1 para indicar el bit 0 y la frecuencia F2 para indicar el bit 1. Por lo tanto, se puede transmitir una cadena binaria alternando estas dos frecuencias dependiendo de si es 0 o 1. El receptor puede ser tan simple como tener filtros analógicos adaptados. a las dos frecuencias y un detector de nivel para decidir si se recibió un 1 o un 0. Se trata de una forma relativamente sencilla de modulación y, por tanto, se utilizó en los primeros módems acústicos. Sin embargo , hoy en día se pueden utilizar demoduladores más sofisticados que utilizan procesadores de señales digitales (DSP).
El mayor desafío que enfrenta FSK en la UAC son las reflexiones de múltiples rutas. Con trayectorias 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 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 a la dificultad de adaptarse a tiempo.
La manipulación por desplazamiento de fase (PSK) es un esquema de modulación digital que transmite datos cambiando (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 seno y coseno en un momento preciso. Es ampliamente utilizado para comunicaciones LAN inalámbricas, RFID y 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 mediante la incorporación de señales subportadoras ortogonales estrechamente espaciadas.
OFDM es un esquema de comunicación favorable en las comunicaciones acústicas submarinas gracias a su resistencia frente a canales selectivos de frecuencia con grandes retrasos. [3] [4] [5]
En comparación con un sensor de presión escalar, como un hidrófono, que mide el componente del campo acústico escalar, 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. [6]
Los sensores vectoriales han sido ampliamente investigados durante las últimas décadas. [7] [8] Se han diseñado muchos algoritmos de procesamiento de señales de sensores vectoriales. [9]
Las aplicaciones de sensores vectoriales submarinos se han centrado en el sonar y la detección de objetivos. [8] También se ha propuesto su uso como receptores y ecualizadores de comunicaciones multicanal bajo el agua. [10] Otros investigadores han utilizado conjuntos de sensores escalares como ecualizadores y receptores multicanal. [11] [12]
El teléfono submarino, también conocido como UQC, AN/WQC-2 o Gertrude, fue utilizado por la Marina estadounidense en 1945 [13] después de que en 1935 en Kiel, Alemania, se demostraran diferentes realizaciones en el mar. [14] Los términos UQC y AN/WQC-2 siguen la nomenclatura del Joint Electronics Type Designation System . [15] 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 con tripulación y en muchos buques de superficie navales en funcionamiento. La voz o un tono de audio (código morse) comunicado a través del UQC se heterodina a un tono alto para la transmisión acústica a través del agua. [dieciséis]
En abril de 2017, el Centro de Investigación y Experimentación Marítima de la OTAN anunció [17] 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). [18] Documentado en STANAG 4748, utiliza frecuencias de 900 Hz a 60 kHz a distancias de hasta 28 kilómetros (17 millas). [19] [20] Está disponible para su uso con dispositivos militares y civiles, de la OTAN y no pertenecientes a la OTAN; lleva el nombre del dios romano de las puertas, aberturas, etc.
La especificación JANUS (ANEP-87) proporciona un esquema de carga útil basado en complementos flexible. Un paquete JANUS básico consta de 64 bits a los que se pueden añadir más datos arbitrarios (Cargo). [21] Esto permite múltiples aplicaciones diferentes, como ubicación de emergencia, AIS (sistema de identificación automática) submarino y chat. Un ejemplo de un mensaje de estado y posición de emergencia es la siguiente representación JSON : [22] [23]
{ "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" , "MobilityFlag" : "1" , "ForwardingCapability" : "1" , "TxRxFlag" : "0" , "ScheduleFlag" : "0" } Este mensaje de posición y estado de emergencia (complemento de aplicación 3 de ID de clase 0) muestra un submarino portugués en 38.386547 latitud -9.055858 longitud a una profundidad de 16 metros. Se mueve hacia el norte a 1,4 metros por segundo, lleva 43 supervivientes a bordo y muestra las condiciones ambientales.
Se han diseñado productos de hardware comerciales para permitir mensajes submarinos bidireccionales entre buceadores. [24] [25] Estos admiten el envío desde 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 bajo el agua, utilizando hardware de módem acústico como accesorios telefónicos [26], así como el uso de una aplicación de software sin ningún hardware adicional. [27] La aplicación de software para Android , AquaApp, de la Universidad de Washington utiliza micrófonos y altavoces de teléfonos inteligentes y relojes inteligentes existentes para permitir la comunicación acústica bajo el agua. [28] Se había probado para enviar mensajes digitales utilizando teléfonos inteligentes entre buceadores a distancias de hasta 100 m. [27]