Proyecto sobre comunicación submarina de la UNAL captó el interés de la Armada de Estados Unidos

En telecomunicaciones, las señales de información viajan a través de canales como el inalámbrico y el óptico, y en este estudio el acuático. El canal inalámbrico, que abarca el espacio libre (el aire), genera distorsiones predecibles y corregibles con técnicas lineales, lo que significa que los efectos experimentados por la señal durante su transmisión son reversibles y permiten una reconstrucción relativamente sencilla.

Por otro lado, en algunos casos el canal óptico –como la fibra óptica– genera distorsiones irreversibles y requeriría procesamientos más avanzados de restauración de la señal.

En la actualidad se investiga el comportamiento de los canales acuáticos –en este caso submarinos–, un ambiente que contiene minerales que podrían afectar la transmisión de las señales.

A diferencia de los canales inalámbricos y ópticos, el acuático presenta desafíos únicos debido a su composición y a las variaciones en su entorno, lo que demanda la incorporación de análisis complejos para caracterizar y procesar las señales que viajan a través de este.

Para optimizar la transmisión de datos por canales submarinos, los investigadores de la UNAL Sede Manizales proponen incorporar técnicas basadas en IA para entender mejor las propiedades físicas del agua y sus componentes como la sal, permitiendo transmisiones más limpias mediante fuentes acústicas y ópticas.

Esta tecnología avanzada de ecualización de canal permite aumentar así la cantidad de datos transmitidos bajo el agua y la adaptación de los sistemas de comunicaciones submarinos a los cambios abruptos del medio marino.

“En el proyecto que presentamos, aprobado para su financiación por la Armada de Estados Unidos, proponemos estimar las condiciones del canal submarino, y a partir de ahí poder tomar decisiones relacionadas con la potencia, modulación y dirección de las señales que contienen información”, explica el profesor Neil Guerrero González, de la UNAL Sede Manizales, líder del proyecto en el que también participa el investigador David Márquez Viloria, candidato a Doctor en Ingeniería – Automática.

Comunicarse bajo el agua

Los sistemas de comunicación submarina utilizan señales de información acústicas y ópticas. Las fuentes acústicas son comunes por su capacidad para viajar largas distancias sin perder potencia, pero sufren de dispersión e interferencias que afectan la calidad de la transmisión. En contraste, las fuentes ópticas pueden transmitir mayor cantidad de datos debido al ancho de banda superior, pero son afectadas por las condiciones del agua que alteran la propagación de la luz por fenómenos refractivos, entre otros.

La necesidad de la Armada estadounidense es aumentar la cantidad de datos que se pueden transmitir bajo el agua; para lograrlo es crucial conocer a fondo el canal de agua y desarrollar algoritmos capaces de descifrar las señales. La caracterización detallada del canal y la recuperación eficiente de la información son fundamentales.

“En los últimos 10 años se ha empezado a aplicar la IA a la reconstrucción de señales ópticas y de luz, un avance significativo en este campo. Nuestra contribución se centra en las fortalezas que hemos adquirido en la caracterización y ecualización de canales, así como en el procesamiento de señales para mejorar la modulación de la información”, explica el docente Guerrero.

El concepto de canal en telecomunicaciones se refiere al medio a través del cual una señal viaja desde el transmisor hasta el receptor. En el caso del canal submarino, este está constituido por agua, la cual puede contener minerales y otros compuestos típicos de los ambientes marítimos, como sodio y cloro, que forman el cloruro de sodio (sal común), responsable de su sabor salado.

Otros minerales importantes incluyen magnesio, calcio y potasio. Además, el agua de mar contiene sulfato, que contribuye al equilibrio químico del océano, así como bicarbonato, que ayuda a mantener la proporción ácido-base. También se encuentran trazas de elementos como boro, hierro, manganeso, zinc y cobre.

El propósito de un canal es permitir que la señal transmitida llegue al receptor con la menor alteración posible, asegurando que a pesar de las modificaciones inevitables durante el viaje la señal recibida sea lo más similar posible a la original.

¿Los minerales afectan las ondas de luz?

Por su naturaleza, todos los canales modifican la información transmitida al absorber parte de la señal, alterar su frecuencia (proceso no lineal) o dispersar sus componentes frecuenciales (proceso lineal). A medida que la señal viaja a través del canal puede experimentar cambios debido a las características inherentes del medio. “En relación con el agua, queremos caracterizar su grado de linealidad o no linealidad, que es un primer ejercicio investigativo”, puntualiza el docente.

El segundo aspecto que se abordará es la señal que se transmitirá en el agua, la cual puede estar influenciada por los minerales presentes en el canal, cuyo grado de linealidad o no linealidad no se ha determinado. Esta señal es una onda electromagnética con frecuencias en el rango de los terahercios, es decir frecuencias de por lo menos 3 órdenes de magnitud superiores a las señales wifi.

Debido a su alta frecuencia, estas ondas de luz son susceptibles a las alteraciones causadas por el canal. El objetivo es caracterizar cómo los minerales en el agua pueden afectar estas ondas de luz. Una ventaja de utilizar luz es que permite codificar una mayor cantidad de información frente a otros tipos de ondas. Aunque las ondas acústicas –ampliamente estudiadas en el contexto de la tecnología de radares submarinos– también pueden viajar por el canal, este estudio se enfoca en las ventajas de la óptica.

“Esperamos dispersiones altas, desviaciones en los ángulos de lanzamiento de la luz cuando estén viajando por el agua, lo cual nos permitiría establecer cómo anticipar las distorsiones para mejorar la comunicación”, precisa el investigador Márquez.

Lo que se ha propuesto a la U. S. Navy es plantear datos plenamente conocidos por la transmisión y la recepción que tendrán inmersas condiciones conocidas de codificación. Esos se incorporarán en señales de luz que se lanzarán debajo del agua marina para que, en el momento de la recepción, se pueda determinar qué tanto se están afectado esos datos plenamente conocidos, y a partir de esas alteraciones interpolar o intercalar información sobre cómo el canal de agua está afectando las señales.