Los investigadores del MIT han dado un paso hacia la resolución de un desafío de larga data con la comunicación inalámbrica:la transmisión directa de datos entre dispositivos submarinos y aéreos.

Hoy dia, los sensores subacuáticos no pueden compartir datos con los que están en tierra, ya que ambos usan diferentes señales inalámbricas que solo funcionan en sus respectivos medios. Las señales de radio que viajan por el aire mueren muy rápidamente en el agua. Señales acústicas, o sonar, enviados por dispositivos submarinos en su mayoría se reflejan en la superficie sin ni siquiera abrirse paso. Esto causa ineficiencias y otros problemas para una variedad de aplicaciones, como la exploración del océano y la comunicación de submarino a avión.

En un artículo presentado en la conferencia SIGCOMM de esta semana, Los investigadores del MIT Media Lab han diseñado un sistema que aborda este problema de una manera novedosa. Un transmisor submarino dirige una señal de sonda a la superficie del agua, provocando pequeñas vibraciones que corresponden a los 1 y 0 transmitidos. Sobre la superficie un receptor de alta sensibilidad lee estas pequeñas perturbaciones y decodifica la señal del sonar.

"Tratar de cruzar la frontera aire-agua con señales inalámbricas ha sido un obstáculo. Nuestra idea es transformar el obstáculo en sí mismo en un medio a través del cual comunicarnos, "dice Fadel Adib, un profesor asistente en el Media Lab, quién dirige esta investigación. Fue coautor del artículo con su estudiante graduado Francesco Tonolini.

El sistema, denominada "comunicación traslacional acústica-RF" (TARF), aún se encuentra en sus primeras etapas, Dice Adib. Pero representa un "hito, " él dice, que podría abrir nuevas capacidades en las comunicaciones agua-aire. Usando el sistema, submarinos militares, por ejemplo, no necesitaría salir a la superficie para comunicarse con los aviones, comprometiendo su ubicación. Y los drones submarinos que monitorean la vida marina no necesitarían resurgir constantemente de inmersiones profundas para enviar datos a los investigadores.

Otra aplicación prometedora es ayudar en la búsqueda de aviones que se pierden bajo el agua. "Las balizas de transmisión acústica se pueden implementar en, decir, la caja negra de un avión, "Dice Adib." Si transmite una señal de vez en cuando, podría utilizar el sistema para captar esa señal ".

Decodificación de vibraciones

Las soluciones tecnológicas actuales para este problema de comunicación inalámbrica adolecen de varios inconvenientes. Boyas, por ejemplo, han sido diseñados para captar ondas de sonar, procesar los datos, y enviar señales de radio a receptores aéreos. Pero estos pueden alejarse y perderse. También se requieren muchos para cubrir grandes áreas, haciéndolos impracticables para, decir, comunicaciones de submarino a superficie.

TARF incluye un transmisor acústico subacuático que envía señales de sonda mediante un altavoz acústico estándar. Las señales viajan como ondas de presión de diferentes frecuencias correspondientes a diferentes bits de datos. Por ejemplo, cuando el transmisor quiere enviar un 0, puede transmitir una onda que viaja a 100 hercios; por un 1, puede transmitir una onda de 200 hercios. Cuando la señal golpea la superficie, provoca pequeñas ondulaciones en el agua, solo unos pocos micrómetros de altura, correspondiente a esas frecuencias.

Para lograr altas velocidades de datos, el sistema transmite múltiples frecuencias al mismo tiempo, sobre la base de un esquema de modulación utilizado en la comunicación inalámbrica, llamada multiplexación por división de frecuencia ortogonal. Esto permite a los investigadores transmitir cientos de bits a la vez.

Colocado en el aire sobre el transmisor hay un nuevo tipo de radar de frecuencia extremadamente alta que procesa señales en el espectro de ondas milimétricas de la transmisión inalámbrica. entre 30 y 300 gigahercios. (Esa es la banda donde operará la próxima red inalámbrica 5G de alta frecuencia).

El radar que parece un par de conos, transmite una señal de radio que se refleja en la superficie vibrante y rebota en el radar. Debido a la forma en que la señal choca con las vibraciones de la superficie, la señal regresa con un ángulo ligeramente modulado que corresponde exactamente al bit de datos enviado por la señal del sonar. Una vibración en la superficie del agua que representa un bit 0, por ejemplo, hará que el ángulo de la señal reflejada vibre a 100 hercios.

"La reflexión del radar variará un poco cada vez que tenga algún tipo de desplazamiento, como en la superficie del agua, "Dice Adib." Al detectar estos pequeños cambios de ángulo, podemos captar estas variaciones que corresponden a la señal del sonar ".

Escuchando "el susurro"

Un desafío clave fue ayudar al radar a detectar la superficie del agua. Para hacerlo los investigadores emplearon una tecnología que detecta reflejos en un entorno y los organiza por distancia y potencia. Como el agua tiene el reflejo más poderoso en el entorno del nuevo sistema, el radar conoce la distancia a la superficie. Una vez que esté establecido, se acerca a las vibraciones a esa distancia, ignorando todos los demás disturbios cercanos.

El siguiente gran desafío fue capturar ondas micrométricas rodeadas de ondas mucho más grandes, ondas naturales. Las ondas más pequeñas del océano en días tranquilos, llamadas ondas capilares, miden solo unos 2 centímetros de altura, pero eso es 100, 000 veces mayor que las vibraciones. Los mares más agitados pueden crear olas un millón de veces más grandes. "Esto interfiere con las pequeñas vibraciones acústicas en la superficie del agua, "Dice Adib." Es como si alguien estuviera gritando y estuvieras tratando de escuchar a alguien susurrar al mismo tiempo ".

Para solucionar esto, los investigadores desarrollaron sofisticados algoritmos de procesamiento de señales. Las ondas naturales se producen a aproximadamente 1 o 2 hercios, o una ola o dos moviéndose sobre el área de la señal cada segundo. Las vibraciones del sonar de 100 a 200 hercios, sin embargo, son cien veces más rápidos. Debido a este diferencial de frecuencia, el algoritmo se concentra en las ondas de movimiento rápido e ignora las más lentas.

Probando las aguas

Los investigadores llevaron a cabo TARF a través de 500 pruebas en un tanque de agua y en dos piscinas diferentes en el campus del MIT.

En el tanque, el radar se colocó en rangos de 20 centímetros a 40 centímetros por encima de la superficie, y el transmisor del sonar se colocó de 5 a 70 centímetros por debajo de la superficie. En las piscinas el radar estaba colocado a unos 30 centímetros sobre la superficie, mientras que el transmisor estaba sumergido a unos 3,5 metros por debajo. En estos experimentos, los investigadores también hicieron que los nadadores crearan olas que se elevaban a unos 16 centímetros.

En ambos entornos, TARF pudo decodificar con precisión varios datos, como la oración, "¡Hola! Desde el agua", a cientos de bits por segundo, similar a las velocidades de datos estándar para comunicaciones submarinas. "Incluso cuando había nadadores nadando alrededor y causando disturbios y corrientes de agua, pudimos decodificar estas señales de forma rápida y precisa, "Dice Adib.

En olas de más de 16 centímetros, sin embargo, el sistema no puede decodificar señales. Los siguientes pasos son, entre otras cosas, refinando el sistema para trabajar en aguas más turbulentas. "Puede lidiar con días tranquilos y lidiar con ciertas alteraciones del agua. Pero [para que sea práctico] necesitamos que esto funcione todos los días y todos los climas, "Dice Adib.

Los investigadores también esperan que su sistema eventualmente permita que un avión no tripulado o un avión que vuela sobre la superficie del agua capte y decodifique constantemente las señales del sonar a medida que pasa.