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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 1

II.INTRODUCCIÓN 1

III.DESCRIPCIÓN DEL CANAL SUBMARINO 2

A. Conductividad del agua 2

B. Atenuación 2

C. Ruido 2

D. Relación señal sobre ruido (SNR) 3

E. Propagación multicamino 3

F. Respuestas del canal acústico submarino 4

G. Velocidad de Propagación 5

IV.COMUNICACIÓN CON SUBMARINOS 5

A. La tierra como antena 6

B. Descripción del sistema

ELF y SLF Ruso ZEVS 6

C. La Ubicación de ZEVS 7

D. Modo de Transmisión 7

V.COMUNICACIÓN DIGITAL BAJO EL MAR 8

A. Redes de sensores submarinos 8

B. Problemas de Diseño 9

1) Diferencias con las redes

de sensores terrestres 9

2) Factores que influyen en el diseño

de protocolos submarinos 9

C. Arquitecturas de comunicación 10

1) Redes de sensores submarinos 2D 10

2) Redes de sensores submarinos 3D 11

3) Redes de sensores con vehículos

submarinos autónomos 11

D. Modem acústico y topologías de redes 12

VI. FABRICACION DE TECNOLOGÍA

INALÁMBRICA BAJO EL MAR 14

A. Sonares 14

B. Descripción empresa SAES 14

C. Procesamiento digital de ondas acústicas

según SAES 15

D. Producto MINEA de SAES 16

VII. CONCLUSIONES 16

VIII. BIBLIOGRAFÍA 17

II. INTRODUCCIÓN

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

Juan Pablo Ureta Carmona, Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Tecnológica

Metropolitana

juanpa.ureta@gmail.com

Radio Digital Bajo el Mar (06 Marzo 2012)

M

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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.

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) =

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:

( )

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

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. 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

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

la frecuencia

E. Propagación multicamino

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.

4

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.

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

Fig. 6. Propagación multicamino debido a la flexión en aguas profundas

debido a la mayor velocidad del sonido en la profundidad del agua.

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

5

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.

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.

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 200-

300A 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. 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.

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.

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.

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.

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

usan el canal acústico, se consideran digitales por el tipo de

modulación usada y los datos trasmitidos.

A. Redes de sensores Submarinos

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:

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).

9

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:

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

RANGOS DE FRECUENCIA

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:

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.

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

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 transmisores-

receptores 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 transmisor-

receptor 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:

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.

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. 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

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.

. 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

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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.

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

Milica Stojanovic, Underwater Wireless Communications:

Currents Achievements and Research Challenges, Massachusetts

Institute of Technology, disponible en: http://www.mit.edu/~millitsa/resources/pdfs/newsletter-oes.pdf

Ian F. Akyildiz, State of the Art in Protocol Research for

Underwater Acoustic Sensor Networks, Georgia Institute of

Technology, disponible en: http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/surveys/uw_2007.pdf

Comunicación con submarinos: la Tierra como antena, disponible

en: http://resistencianumantina.blogspot.com/2011/06/comunicacion-

con-submarinos-la-tierra.html

Lloyd Butler, Radio Comunicaciones bajo el agua, disponible en:

https://sites.google.com/site/proyectorovsubacuatico/home/sistema

-de-comunicaciones/comunicaciones-subacuaticas

Trond Jacobsen, ZEVS, The Russian 82 Hz ELF Transmitter,

ALFLAB Noruega, disponible en: http://www.vlf.it/zevs/zevs.htm

Antonio Molina, The Spanish Advanced Multi-Influence Naval

Mine MINEA, Sociedad Anónima de Electrónica Submarina (SAES), disponible en: http://www.electronica-

submarina.com/saes/index.php/es/articulos.html

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.