Utilizar el sonido para crear redes submarinas

Las tecnologías inalámbricas son más o menos ubicuas en tierra. Consultar el correo electrónico o los mensajes en un teléfono celular inteligente, conectar un portátil a la red Wi-Fi y navegar por internet, o escuchar música a través de auriculares via Bluetooth, se han convertido en actividades muy normales en la rutina diaria de casi todo el mundo.

Sin embargo, este tipo de comunicaciones inalámbricas no serían posibles en las aguas saladas de los océanos y mares. De hecho, un teléfono celular (por supuesto, sellado en una bolsa a prueba de agua) todavía puede ser capaz de operar a unos pocos metros de profundidad, pero una vez que la superficie esté lo suficientemente lejos, la señal se pierde por completo. Lo mismo ocurre con otros equipos de comunicación, como la radio analógica VHF o simplemente el Wi-Fi. Por estas razones, no es factible emplear ondas electromagnéticas para comunicarse bajo el agua como lo hacemos en tierra. No obstante, hay gran interés en torno a las comunicaciones inalámbricas en los océanos. Piénsese, por ejemplo, en la prevención del fraude en la pesca: sensores submarinos desplegados en zonas marinas protegidas pudieran detectar la presencia de embarcaciones no autorizadas, rastrear su movimiento y de forma inalámbrica comunicarlo a las autoridades para su intervención inmediata. En las zonas de perforación submarina de petróleo, sensores inalámbricos podrían detectar accidentes como derrames o fallos de infraestructura, e informar antes de que sea demasiado tarde para intervenir. Algunos sensores de este tipo ya existen hoy en día, pero son operados principalmente por medio de cables submarinos a prueba de agua, que son muy costosos de obtener, implementar y mantener, y por tanto limitan la extensión del sistema. Las comunicaciones inalámbricas submarinas contribuirían a la teledetección y a la telemetría en general, al reducir enormemente los costes de infraestructura e implementación,  logrando así el aumento de la extensión y la flexibilidad de los sistemas de detección submarinos. Este beneficio sería entonces de aplicación en la vigilancia del litoral, la ciencia del agua y la industria marítima.

Las ondas electromagnéticas no pueden ser utilizadas para comunicarse bajo el agua, pero las comunicaciones se pueden lograr a través de señales de luz (que tienen un alcance muy limitado, a lo sumo 20 metros) o a través de otro medio muy natural: las ondas de presión, es decir, el sonido.

En efecto, muchas especies de animales marinos utilizan el sonido para la comunicación y para la localización de presas. Esto proporciona fuertes indicios de que el sonido es un medio físico viable para las comunicaciones submarinas. Además, el sonido tiene muchas propiedades deseables bajo el agua. Se propaga a grandes distancias, hasta varios kilómetros: por ejemplo, esto significaría que los largos oleoductos y gasoductos submarinos, y extensas áreas marinas protegidas pudieran ser cubiertas con sólo unos sensores. Finalmente, el sonido es suficientemente compatible con las comunicaciones digitales como para poder transferir la cantidad de datos típicamente requerida por las aplicaciones submarinas: por lo tanto, se hace posible comunicarse mediante la extensión de técnicas bien desarrolladas de comunicación digital, y que se emplean ya en las redes terrestres de radio. Esto quedó claro a comienzos del siglo XX, cuando apareció el primer sistema de detección de hielo en base al sonido (diseñado a raíz del naufragio del RMS Titanic en 1912), así como el primer SONAR (SOund Navigation And Ranging) activo.

Los ingenieros de acústica submarina pronto se dieron cuenta de que el sonido también tiene varios inconvenientes. Se propaga muy lentamente (aproximadamente 1,5 kms por segundo, mucho más lentamente que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el aire, que es aproximadamente 300,000 kms/s); sus patrones de propagación en el agua son complejos, están sujetos a muchos ecos y a significativa reverberación, cuya intensidad depende en gran medida de la ubicación en el mundo, y que varía a diario e incluso de manera estacional. Esto requiere un procesamiento de señal complejo con el fin de extraer un mensaje descifrable; por último, la velocidad nominal a la pueden ser transferidos los datos por el momento es a lo sumo de unos pocos kilovatios por segundo, aproximadamente 10.000 veces más despacio que los sistemas ADSL, y más lentamente incluso que los módems de línea telefónica utilizados en los años 90.

En estas condiciones, donde la calidad de las comunicaciones muda considerablemente con el tiempo, el diseño de una red submarina autónoma y auto-organizada requiere resolver muchos problemas estructurales. En primer lugar, la heterogeneidad: una red típica, como se muestra en la Fig. 1, puede contener nodos fijos (montados debajo, o amarrados a diferentes profundidades) y nodos móviles (llamados vehículos submarinos autónomos o AUV – Autonomous Underwater Vehicles), hacia la parte superior derecha de la figura), que pueden estar densamente desplegados (por ejemplo, cerca de los dos pozos en la parte inferior) o escasamente desplegados (por ejemplo, a lo largo de la tubería). Además, los componentes de la red deben ser suficientemente autónomos como para ser capaces de descubrir a sus vecinos y buscar su colaboración cuando detecten datos que han de ser transferidos a un destino lejano que no esté dentro del alcance del remitente inicial. La red debe estar preparada también para reaccionar ante circunstancias específicas (por ejemplo, la detección de una intrusión, o un evento peligroso para el medio ambiente) y dar prioridad a la transmisión de los datos relacionados con las mismas. Los nodos móviles, si están presentes, deben optimizar su trayectoria no sólo para llevar a cabo su propia misión, sino también para favorecer el flujo de las comunicaciones en la red; finalmente, todos los nodos deben ser capaces de adaptarse a una calidad de comunicación propensa a errores y muy variable en el tiempo.

Debido a estos desafíos, la comunidad científica que trabaja en este campo percibe aquellos experimentos exitosos en el mar como la única prueba de que una solución ideada realmente funciona en la práctica. Esto conduce a grupos de investigación a unirse y colaborar en experimentos complejos, a veces en fríos comienzos de primavera en el norte de Europa, (Den Helder, Países Bajos, abril de 2013, Fig. 2), y, otras en los más cálidos fiordos noruegos (Trondheim, Noruega, mayo de 2013, La Fig. 3).

El siguiente paso en la comunicación y las redes submarinas es la capacidad de utilizar las comunicaciones para coordinar en tiempo real un grupo de AUV (denominado «enjambre»), haciendo que se mantengan en formación, que se desbanden para colaborar en una misión común, o simplemente que ayuden a la navegación y eviten, por ejemplo, los obstáculos y las colisiones. Otro avance tecnológico muy importante hace referencia a los «hermanos mayores» de los AUVs, los vehículos operados a distancia o ROVs (Remotely Operated Vehicles). Éstos son sistemas complejos, con capacidades avanzadas de navegación, y con muchas herramientas adjuntas, como alicates, manos robóticas, sensores y también cámaras que permiten a un operador ver «con los ojos» del ROV. Estos sistemas son muy versátiles, pero también muy costosos. Por consiguiente, se controlan de forma remota a través de un cable que proporciona tanto un enlace de datos como una fuente de alimentación. El cable puede limitar en gran medida la maniobrabilidad del vehículo: así que una solución fiable para poder conducir un ROV de forma inalámbrica a una distancia de hasta 100 metros, posiblemente aprovechando tanto las comunicaciones acústicas como las ópticas, sería un gran avance para la industria y autoridades marítimas (Fig 4.). Esperamos resultados muy significativos en este sentido durante los próximos años.

(IMDEA Networks Institute)