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Ejemplo de propagación por múltiples rutas

La comunicación acústica submarina es una técnica para enviar y recibir mensajes bajo 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 múltiples rutas , las variaciones de tiempo del canal, el pequeño ancho de banda disponible y la fuerte atenuación de la señal , especialmente en rangos largos. 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 por campanas submarinas además de utilizar el sistema de navegación. Las señales submarinas competían en ese momento con el primitivo servicio de radionavegación marítima . [2] El último oscilador de Fessenden permitió la comunicación con los submarinos.

Tipos de modulación utilizados para las comunicaciones acústicas subacuáticas [ editar ]

En general, los métodos de modulación desarrollados para las comunicaciones por radio pueden adaptarse a las comunicaciones acústicas subacuáticas (UAC). Sin embargo, algunos de los esquemas de modulación son más adecuados que otros para el canal de comunicación acústico subacuático único. Algunos de los métodos de modulación utilizados para UAC son los siguientes:

La siguiente es una discusión sobre los diferentes tipos de modulación y su utilidad para UAC.

Modificación por desplazamiento de frecuencia [ editar ]

FSK es la forma más antigua de modulación utilizada para módems acústicos. La UAC antes de los módems era por percusión de diferentes objetos bajo el agua. Este método también se utilizó para medir la velocidad del sonido en el agua.

FSK generalmente 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 lo tanto, se puede transmitir una cadena binaria alternando estas dos frecuencias dependiendo de si es un 0 o 1. El receptor puede ser tan simple como tener filtros emparejados analógicos a las dos frecuencias y un detector de nivel para decidir si se recibió un 1 o un 0. Esta es una forma de modulación relativamente fácil y, por lo tanto, se utiliza en los primeros módems acústicos. Sin embargo, en la actualidad se puede utilizar un demodulador más sofisticado que utiliza procesadores de señales digitales (DSP).

El mayor desafío al que se enfrenta FSK en la UAC son los reflejos de múltiples rutas. Con multi-ruta (particularmente en UAC) pueden estar presentes varias reflexiones fuertes en el hidrófono receptor y los detectores de umbral se confunden, limitando así severamente el uso de este tipo de UAC a canales verticales. Los métodos de ecualización adaptativos se han probado 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 rápidamente cambiantes y la dificultad para adaptarse a tiempo.

Modulación por desplazamiento de fase [ editar ]

La codificación 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 de seno y coseno en un momento preciso. Es ampliamente utilizado para comunicaciones LAN inalámbricas, RFID y Bluetooth.

Cualquier esquema de modulación digital utiliza un número finito de señales distintas para representar datos digitales. PSK utiliza un número finito de fases, a cada una de las cuales se le asigna un patrón único de dígitos binarios. Por lo general, cada fase codifica un número igual de bits. Cada patrón de bits forma el símbolo que está representado por la fase particular. El demodulador, que está diseñado específicamente para el conjunto de símbolos utilizado por el modulador, determina la fase de la señal recibida y la mapea de nuevo al símbolo que representa, recuperando así los datos originales. Esto requiere que el receptor pueda comparar la fase de la señal recibida con una señal de referencia; dicho sistema se denomina coherente (y se denomina CPSK).

Alternativamente, en lugar de operar con respecto a una onda de referencia constante, la transmisión puede operar con respecto a sí misma. Los cambios en la fase de una única forma de onda de transmisión pueden considerarse elementos importantes. En este sistema, el demodulador determina los cambios en la fase de la señal recibida en lugar de la fase (relativa a una onda de referencia) en sí. Dado que este esquema depende de la diferencia entre fases sucesivas, se denomina modulación por desplazamiento de fase diferencial (DPSK). La DPSK puede ser significativamente más sencilla de implementar que la PSK ordinaria, ya que no es necesario que el demodulador tenga una copia de la señal de referencia para determinar la fase exacta de la señal recibida (es un esquema no coherente). A cambio, produce una demodulación más errónea.

Multiplexación por división de frecuencia ortogonal [ editar ]

La multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) es un esquema de modulación de múltiples portadoras digital. OFDM transmite datos en varios canales de datos paralelos incorporando señales de subportadora ortogonales poco espaciadas.

OFDM es un esquema de comunicación favorable en comunicaciones acústicas subacuáticas gracias a su resiliencia frente a canales selectivos de frecuencia con grandes retardos. [3] [4] [5]

Uso de sensores vectoriales [ editar ]

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 se han investigado ampliamente durante las últimas décadas. [7] [8] Se han diseñado muchos algoritmos de procesamiento de señales de sensores vectoriales. [9]

Las aplicaciones de sensores vectoriales subacuáticos se han centrado en la detección de objetivos y sonar. [8] También se ha propuesto su uso como receptores y ecualizadores de comunicaciones multicanal subacuáticos. [10] Otros investigadores han utilizado matrices de sensores escalares como ecualizadores y receptores multicanal. [11] [12]

Aplicaciones [ editar ]

Teléfono submarino [ editar ]

El teléfono submarino, también conocido como UQC, AN / WQC-2 o Gertrude, fue desarrollado por la Marina de los Estados Unidos en 1945. [13] El teléfono submarino UQC se utiliza en todos los sumergibles tripulados y en muchos buques de superficie navales en funcionamiento. La voz o un tono de audio (código morse) que se comunica a través del UQC están heterodinados a un tono alto para la transmisión acústica a través del agua. [14]

JANUS [ editar ]

En abril de 2017, el Centro de Investigación y Experimentación Marítima de la OTAN anunció [15] 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). [16] Documentado en STANAG 4748, utiliza frecuencias de 900 Hz a 60 kHz a distancias de hasta 28 kilómetros (17 millas). [17] [18] Está disponible para su uso con dispositivos militares y civiles, de la OTAN y no pertenecientes a la OTAN; recibió su nombre del dios romano de las puertas de entrada, las aberturas, etc.

La especificación JANUS (ANEP-87) proporciona un esquema flexible de carga útil basado en plug-in. Esto permite múltiples aplicaciones diferentes, como ubicación de emergencia, AIS subacuático y chat. Un ejemplo de un mensaje de estado y posición de emergencia es.

 {"ClassUserID": 0, "ApplicationType": 3, "Nacionalidad": "PT", "Latitud": "38.386547", "Longitud": "- 9.055858", "Profundidad": "16", "Velocidad": "1.400000", "Título": "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"}. [19]

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, tiene 43 supervivientes a bordo y muestra las condiciones ambientales.

Ver también [ editar ]

  • Liberación acústica  : un dispositivo oceanográfico para el despliegue y posterior recuperación de instrumentación del fondo del mar, en el que la recuperación se activa de forma remota mediante una señal de comando acústica.
  • Acústica subacuática  : el estudio de la propagación del sonido en el agua y la interacción de las ondas sonoras con el agua y sus límites.

Referencias [ editar ]

  1. ^ IF Akyildiz, D. Pompili y T. Melodia, "Redes de sensores acústicos subacuáticos: desafíos de investigación", Ad Hoc Networks (Elsevier), vol. 3, no. 3, págs. 257-279, marzo de 2005.
  2. ^ "Señalización submarina en barcos de vapor" . www.gjenvick.com . Consultado el 18 de enero de 2016 .
  3. ^ E. Demirors, G. Sklivanitis, T. Melodia, SN Batalama y DA Pados, "Redes acústicas subacuáticas definidas por software: hacia un módem reconfigurable en tiempo real de alta velocidad", IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 11, págs.64 - 71, noviembre de 2015.
  4. ^ S. Zhou y Z.-H. Wang, OFDM para comunicaciones acústicas subacuáticas. John Wiley and Sons, Inc., 2014.
  5. ^ E. Demirors, G. Sklivanitis, GE Santagati, T. Melodia y SN Batalama, "Diseño de un módem acústico subacuático definido por software con capacidades de adaptación de capa física en tiempo real", en Proc. de ACM Intl. Conf. on Underwater Networks & Systems (WUWNet), Roma, Italia, noviembre de 2014.
  6. ^ TB Gabrielson, "Problemas de diseño y limitaciones en sensores vectoriales", en Proc. taller de Sensores Acústicos Direccionales (CD-ROM), Puerto Nuevo, RI, 2001.
  7. ^ Proc. Conf. AIP Sensores acústicos de velocidad de partículas: diseño, rendimiento y aplicaciones, Mystic, CT, 1995.
  8. ^ a b A. Nehorai y E. Paldi, "Procesamiento de matriz de sensores vectoriales acústicos", IEEE Trans. Proceso de señal., Vol. 42, págs. 2481–2491, 1994.
  9. ^ KT Wong & H. Chi, "Patrones de haz de un hidrófono de vector acústico subacuático ubicado lejos de cualquier límite reflectante", IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 27, no. 3, págs.628-637, julio de 2002.
  10. ^ A. Abdi y H. Guo, "Un nuevo receptor multicanal compacto para redes de comunicación inalámbricas submarinas", IEEE Trans. Comunicaciones inalámbricas, vol. 8, págs. 3326‐3329, 2009.
  11. ^ TC Yang, “Resoluciones temporales de conjugación de fase pasiva y reversión del tiempo para comunicaciones acústicas submarinas”, IEEE J. Oceanic Eng., Vol. 28, págs. 229–245, 2003.
  12. ^ M. Stojanovic, JA Catipovic y JG Proakis, "Procesamiento espacial y temporal de complejidad reducida de señales de comunicación acústica bajo el agua", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 98, págs. 961–972, 1995.
  13. ^ Quazi, A .; Konrad, W. (marzo de 1982). "Comunicaciones acústicas subacuáticas". Revista IEEE Comm . págs. 24-29.
  14. ^ "Descubrimiento del sonido en el mar" . dosits.org .
  15. ^ "Una nueva era de comunicaciones submarinas digitales" . OTAN. 2017-04-27.
  16. ^ "Wiki de la comunidad JANUS" .
  17. ↑ Brown, Eric (15 de agosto de 2017). "Internet de las cosas submarinas: estándar JANUS de código abierto para comunicaciones submarinas" . Linux.com . La Fundación Linux.
  18. ↑ Nacini, Francesca (4 de mayo de 2017). "JANUS crea una nueva era para las comunicaciones submarinas digitales" . Robohub .
  19. ^ "Ejemplo de mensaje del complemento Janus" .

Enlaces externos [ editar ]

  • Un documento sobre la eliminación de ruido de las señales submarinas
  • DSPComm - fabricante de módems acústicos subacuáticos
  • uWAVE: el módem acústico subacuático más pequeño