Estructura Del Proyecto

Contenido INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 2 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 3 Objetivo General ................................................................................................................................. 3 Objetivo Específico ............................................................................................................................. 3 JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1 REDES WI-FI ............................................................................................................. 5 1.1 ¿Qué es? ........................................................................................................................................ 5 1.2 Estándares ..................................................................................................................................... 5 1.3 Seguridad....................................................................................................................................... 6 1.4 Como funciona .............................................................................................................................. 7 CAPÍTULO 2 TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN DE DATOS BAJO EL AGUA ........................... 10 2.1 Técnicas de transmisión .............................................................................................................. 10 2.1.1 Comunicaciones subacuáticas basadas en ondas electromagnéticas ........................................ 11 2.1.3 Ondas electromagnéticas en agua dulce ................................................................................... 12 CAPÍTULO 3 TIPOS DE MÓDEMS ACÚSTICOS INALÁMBRICOS SUBMARINOS............. 18 3.1 Módem acústico submarino AquaComm .................................................................................... 18 3.2 Módem acústico submarino AquaNetwork ................................................................................. 19 3.3 Módem Acústico Submarino S2CR 12/24 .................................................................................. 19 3.4 Módem Acústico Submarino S2CR 18/34 .................................................................................. 20 3.5 Módem Acústico Submarino S2CR 40/80 .................................................................................. 21 3.6 Módem Acústico Submarino S2CR 42/65 .................................................................................. 22 3.7 Módem Acústico Submarino S2C R 48/78 ................................................................................. 23 3.8 Módem Acústico Submarino S2CR 7/17 .................................................................................... 24 3.9 Módem Acústico Submarino S2CR 7/17 .................................................................................... 25 Conclusiones .........................................................................................Error! Bookmark not defined. Referencias: .................................................................................................................................... 28

1

INTRODUCCIÓN Desde los inicio de la humanidad, un tema fundamental con respecto al desarrollo y progreso, ha sido la necesidad de comunicación entre unos y otros, presente a lo largo de la historia. En los últimos años los nuevos logros de la tecnología han sido la aparición de la computadora, líneas telefónicas, celulares, redes alámbricas e inalámbricas, así como las satelitales. El principio de la comunicación se establece mediante el habla en la relación entre emisor, mensaje y receptor. Pero la tecnología de hoy en día no solo debe hacer referencia a la transmisión de voz, sino debe intentar abarcar una mayor gama de aplicaciones, llámese la transmisión de datos Al presentarse esta necesidad se hizo estudio de mayor envergadura, desde las redes inalámbricas, la transferencia de datos vía infrarrojo, así como en la aplicación de redes satelitales. Las mismas que han logrado satisfacer esta necesidad logrando la conexión de usuarios existentes en distintos lugares del mundo. La aplicación de la tecnología inalámbrica, viene teniendo un gran auge en velocidades de transmisión, aunque sin competir con la utilización de redes alámbricas o el uso de la fibra óptica, sin embargo cubren satisfactoriamente la necesidad del movimiento de los usuarios. Para la realización de este trabajo, necesitábamos un punto de partida. Para ello, se realizó una investigación en la que se ha buscado y analizado diferente documentación relacionada con las comunicaciones inalámbricas subacuáticas. La realización de este trabajo se ha dividido en diversas fases. En cada capítulo explicaremos las tareas realizadas en cada fase. En el primer capítulo, hablaremos sobre que es una red, como se clasifican, los protocolos que utiliza. Nos enfocaremos a una red WI-FI, ya que esta tecnología es la que ocupamos para comunicarnos en un medio terrestre. Posteriormente se hará hincapié en algunas técnicas acústicas para comunicación bajo el agua explicando cómo llevar a cabo una conexión de comunicación bajo el agua. El segundo capítulo, analiza la transmisión de datos, velocidad de transmisión así como las diferentes técnicas de transmisión de datos bajo el agua. Llegado al capítulo tres, se mencionaran diferentes tipos de módems submarinos dando una breve descripción del dispositivo como sus principales características de él.

2

OBJETIVOS Objetivo General Dar a conocer dispositivos de comunicación inalámbrica bajo el agua, desde cómo funciona la tecnología inalámbrica subacuática y sus alcances.

Objetivo Específico Hablaremos de la evolución de esta nueva tecnología y sus aplicaciones en la actualidad. Compararemos diferentes tipos de dispositivos de comunicación submarina que cuentan con esta tecnología. Mencionaremos sus principales características y especificaciones de cada dispositivo.

3

JUSTIFICACIÓN Es importante conocer las diversas tecnologías que existen para transmitir datos y videos vía terrestre, pero trasmitir información bajo el agua lo convierte en un tema innovador e interesante, es por ello el motivo principal de la investigación. Con esta investigación se pretende dar a conocer los diferentes dispositivos que tiene como función principal la trasmitimos datos por medio subacuático; una de las principales aplicaciones que se ha dado a conocer es para redes de información con fines militares. Aunque es un tema bastante complejo no se cuentan con tecnologías muy avanzadas para proporcionar la correcta estabilidad y funcionamiento de ello. La idea principal es dar a conocer como se llevar a cabo este proceso de transmisión y saber que dispositivos son los que podemos utilizar. Dado a los pocos recursos que tenemos a nuestro alcance no podemos hacer experimentos o una práctica sobre ello es por eso que solamente los daremos a conocer y daremos un punto de vista de cuál es el mejor dispositivos de acuerdo a su funcionamiento y alcance que tenga.

4

CAPÍTULO 1 REDES WI-FI 1.1 ¿Qué es? La tecnología WiFi permite crear redes informáticas inalámbricas (Wireless). Es una norma de la IEEE llamada 802.11. Su alcance varía de una máquina a otra de algunas decenas de metros a varias centenas de metros, lo que la convierte en una tecnología primordial para las redes domésticas con conexión a Internet. Esta tecnología es cada vez más utilizada por diversos equipos informáticos, PCs, organizadores (PDA), consola de videojuegos e incluso las impresoras también utilizan la tecnología WiFi para facilitar su conexión. Una red inalámbrica WiFi puede funcionar de dos modos:

El modo Ad-Hoc: con este modo no necesitamos un punto de acceso que se encargue de la gestión de la red, aquí cada miembro de la red retransmite la información que recibe a los otros miembros. El problema con este tipo de red es que, de una parte, el ancho de banda de la red está basado en la velocidad del host más lento y de otra parte, el ancho de banda de la red es dividido entre el número de host de la red, lo que puede convertirse rápidamente en una dificultad. No obstante, este modo puede ser utilizado en el hogar en el caso de una red simple, además tiene la ventaja de no ser caro.

El modo Infraestructura: con este modo, la gestión está centralizada en un punto de acceso, así los datos que un host emite llegan al punto de acceso y éste los transfiere a los otros miembros de la red. De este modo se economiza el ancho de banda. Además, se pueden conectar puntos de acceso entre sí (por cable o WiFi) para aumentar el alcance de la red WiFi. Este modo es el más utilizado porque además es más seguro.

1.2 Estándares

Existen diversos tipos de Wi-Fi, basado estándar IEEE 802.11 aprobado. Son los siguientes:

5

cada

uno

de

ellos

en

un

Los estándares IEEE 802.11b, IEEE 802.11g e IEEE 802.11n disfrutan de una aceptación internacional debido a que la banda de 2.4 GHz está disponible casi universalmente, con una velocidad de hasta 11 Mbit/s, 54 Mbit/s y 300 Mbit/s, respectivamente. En la actualidad ya se maneja también el estándar IEEE 802.11a, conocido como WIFI 5, que opera en la banda de 5 GHz y que disfruta de una operatividad con canales relativamente limpios. La banda de 5 GHz ha sido recientemente habilitada y, además, no existen otras tecnologías (Bluetooth, microondas, ZigBee, WUSB) que la estén utilizando, por lo tanto existen muy pocas interferencias. Su alcance es algo menor que el de los estándares que trabajan a 2.4 GHz (aproximadamente un 10%), debido a que la frecuencia es mayor (a mayor frecuencia, menor alcance). Existe un primer borrador del estándar IEEE 802.11n que trabaja a 2.4 GHz y a una velocidad de 108 Mbit/s. Sin embargo, el estándar 802.11g es capaz de alcanzar ya transferencias a 108 Mbit/s, gracias a diversas técnicas de aceleramiento. Actualmente existen ciertos dispositivos que permiten utilizar esta tecnología, denominados Pre-N. Existen otras tecnologías inalámbricas como Bluetooth que también funcionan a una frecuencia de 2.4 GHz, por lo que puede presentar interferencias con Wi-Fi. Debido a esto, en la versión 1.2 del estándar Bluetooth por ejemplo se actualizó su especificación para que no existieran interferencias con la utilización simultánea de ambas tecnologías, además se necesita tener 40 000 k de velocidad.

1.3 Seguridad Este es el punto más importante, frecuentemente olvidado y la causa de muchos problemas. Es fácil montar una red, pero no hay que olvidar cerrar la puerta, estés o no en tu apartamento. Varias posibilidades: WEP, WPA, MAC, etc. El SSID o “nombre de la red” identifica a la red, es un nombre para diferenciarla de las otras redes. Si no lo difundes, entonces solo tú lo sabrás y será más difícil conectarse a tu red. La WEP/WPA, son dos posibilidades de encriptar los datos que circulan en la red. El problema de las redes inalámbricas WiFi es que uno no tiene ningún control sobre el medio donde circulan los datos contrariamente a las redes con cables. Encriptar los datos permite garantizar la confidencialidad de estos. Esto se hace con la ayuda de una clave. Esta clave permite también proteger el acceso a la red ya que si no la conocemos, no podemos 6

comunicarnos y por lo tanto no podremos leer las tramas y/o enviarlas con el formato correcto. WEP consume más recursos y es fácilmente crackeable (especialmente bajo Linux) WPA es mucho mejor y mucho menos crackeable. Para mayor seguridad, se recomienda cambiar los códigos todos los meses. El filtrado de direcciones MAC, cada tarjeta de red posee una dirección MAC única, para conocerla (bajo Windows): Menú Inicio > Ejecutar > escribir cmd luego en el prompt escribir ipconfig /all. El router WiFi por lo general permite crear una lista de direcciones MAC de las tarjetas de red que están autorizadas a conectarse a nuestra red. Es un filtro eficaz pero que también puede ser vulnerado pero con mayor dificultad. El DHCP (Dynamic Host Configuration Protocole) es un mecanismo que permite asignar automáticamente los valores necesarios para la comunicación en la red (dirección IP, mascara de subred, puerto de enlace, DNS). Es práctico pero también para un hacker, que no tendrá que adivinar la configuración de tu subred.

Una vez que la red esté instalada y operativa, mejor usar una IP fija (uno decide la IP y la conserva), y además esto permitirá compartir archivos e impresoras.

Es importante entender que cada uno de estos puntos puede ser vulnerado. En realidad, es la combinación de todos estos puntos que va a hacer de tu red una red más segura. No debemos basar la seguridad de nuestra red en uno solo de estos elementos. Lo mínimo que se recomienda es la WEP y un filtrado de direcciones MAC.

1.4 Como funciona WiFi significa Fidelidad Inalámbrica (del inglés Wireless Fidelity). Una conexión WiFi utiliza señales de radio, al igual que los teléfonos celulares y otros dispositivos similares. La tarjeta adaptadora inalámbrica de un equipo convierte los datos en señales de radio, que se transmiten por una antena. Después, el router recibe y decodifica estas señales de códigos binarios, para luego enviar la información a Internet, mediante una red LAN (Local Área Network, Red de área local) o Ethernet por cable. Un servicio de la red Ethernet por cable puede ser una conexión de red por cable o por DSL.

7

Las radios que se utilizan para la comunicación WiFi convierten las ondas de radios en código binario, para luego convertir el código binario nuevamente en ondas de radio. Son muy similares a las radios que utilizan los teléfonos celulares y los walkie-talkies. Sin embargo las radios WiFi pueden realizar transmisiones a una frecuencia más alta de 2,4 o 5 GHz. Debido a esta frecuencia alta, las radios pueden entregar más datos. Una radio WiFi utiliza normas 802.11 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos). Las normas 802.11 tiene diferentes tipos; sin embargo, la norma 802.11a y la 802.11b son las más utilizadas.

Un dispositivo móvil, como un equipo portátil, debe contar con una tarjeta o un adaptador inalámbrico, para poder aprovechar la tecnología WiFi. Los equipos portátiles más recientes cuentan con tarjetas inalámbricas incorporadas; sin embargo, en los modelos más antiguos se puede utilizar un adaptador inalámbrico para conectarlo a un puerto USB o una tarjeta inalámbrica que se conecta a una ranura para tarjetas PCI. Las impresoras y los equipos de escritorio que no cuentan con tarjetas inalámbricas también pueden utilizar adaptadores inalámbricos USB para conectarlos a puertos USB (Universal Series Bus, Bus Serie Universal). Al igual que un equipo portátil, los equipos de escritorio también cuentan con una ranura PCI donde se puede conectar una tarjeta inalámbrica. Un router inalámbrico actúa como una puerta de enlace al punto de acceso principal.

Este router inalámbrico se conecta a un una red Ethernet conectada por cable que proporciona la conexión a Internet; por lo tanto, el router debe contar con un puerto para poder conectarse a un modem por cable o DSL. Configure el router inalámbrico con la configuración básica o predeterminada requerida. El SSID (Service Set IDentifier, Identificador del conjunto de servicio) es el nombre de la red. Este cuenta con una configuración predeterminada con el nombre del fabricante. Puede mantener ese nombre o puede cambiarlo por el que desee. También debe configurar el router con el canal que, de manera predeterminada, es el canal 6. Puede cambiar esta configuración para evitar interferencias si vive en una construcción de varias viviendas. Además, es posible que deba configurar la opción de seguridad del router. Puede utilizar la configuración de conexión estándar o disponible públicamente. Sin embargo, esto conlleva la posibilidad de recibir un ataque cibernético o una intrusión a través de la red. Por lo tanto, se recomienda que utilice una contraseña y un nombre de usuario para proteger su red inalámbrica.

La industria de la informática móvil es cada día más popular, gracias a las zonas de cobertura WiFi públicas que la gente puede usar. Cuando enciende el equipo, aparecen las conexiones de red disponibles. Puede elegir la que cuenta con la señal más fuerte y 8

conectarse. A menudo, en una zona de cobertura pública puede conectarse directamente, sin necesidad de usar una contraseña. Sin embargo, algunas zonas de cobertura le exigen al usuario que ingrese una contraseña para conectarse Por lo general, esto sucede cuando el servicio es pago.

9

CAPÍTULO 2 TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN DE DATOS BAJO EL AGUA Las redes subacuáticas de comunicación se han convertido, en los últimos años, en un importante campo de investigación para muchos grupos de investigación. Este tipo de redes prevén que sean utilizadas, para posibilitar el desarrollo de aplicaciones para la recolección de datos oceanográficos, toma de muestras el océano, la monitorización de contaminación ambiental, entre otros. Para poder comunicarnos a través de las redes subacuáticas, podemos utilizar enlaces acústicos, enlaces, basados en ondas electromagnéticas y señales ópticas. Actualmente, las aplicaciones se basan en sistemas acústicos debido a que las ondas acústicas se adaptan mejor al medio acuático, aunque por las características de este tipo de ondas, presenta limitaciones importantes. El principal problema al utilizar las frecuencias bajas es la falta de ancho de banda para transmitir datos a alta velocidad. Pero, existen casos, donde los sensores inalámbricos ser colocado muy cerca con el fin de obtener medidas exactas del agua, por lo que se podría utilizar las bandas de frecuencia más alta, en casos especiales.

2.1 Técnicas de transmisión Los sistemas actuales de comunicación subacuática utilizan esencialmente tres métodos de transmisión de información. Estos métodos se basan en ondas sonoras, en ondas electromagnéticas y las señales ópticas. Cada una de estas técnicas tiene ventajas y desventajas, principalmente debido a las limitaciones físicas. Las señales se propagan a través del agua gracias a las propiedades fisicoquímicas del agua y las propiedades físicas de la luz. Los factores físico-químicos que influyen en las propiedades de la luz son la transparencia, es decir, la cantidad de luz transmitida en el agua de mar, la absorción, la cantidad de radiación que se retiene y la turbidez, lo que reduce la claridad del agua por la presencia de materia en suspensión. En cuanto a las propiedades físicas de la luz, distinguimos la reflexión, refracción y extinción, que mide el grado de la luz que puede penetrar en el medio marino. Además, los dos factores más importantes en el mar son la temperatura y la salinidad, que determinan la densidad del agua. En el océano, la densidad tiende a aumentar con la profundidad, por lo que las capas superiores del agua siempre tienen una densidad más alta. Todos estos factores son muy importantes para conocer la forma de difundir la luz y el sonido en el océano.

10

2.1.1 Comunicaciones subacuáticas basadas en ondas electromagnéticas El uso de ondas electromagnéticas en el agua, para transmitir señales entre los nodos de la red, se caracteriza por ser una comunicación rápida y eficiente. Además, las ondas electromagnéticas en la banda de frecuencias de radiofrecuencia (RF) presentan varias ventajas sobre las ondas acústicas, sobre todo porque es más rápido y se puede utilizar en las frecuencias de trabajo más altas (lo que se traduce en un mayor ancho de banda). Sin embargo, hay varios factores que limitan el uso de ondas electromagnéticas en el agua. 2.1.2 Ondas electromagnéticas en agua dulce. El agua dulce es un medio que tiene de baja pérdida. La velocidad de propagación c de las señales puede ser expresada por la siguiente aproximación. (Véase la siguiente ecuación 1). [8] Ecuación (1)

(

Donde ε representa la constante dieléctrica y μ se refiere a la permeabilidad magnética del material (en este caso agua). Su valor no tiene ningún cambio significativo para la mayoría de medios no magnéticos. La constante dieléctrica de un material se expresa generalmente en relación con la permitividad del vacío, que se denomina permitividad relativa (también llamada constante dieléctrica). La permitividad absoluta se calcula multiplicando la permitividad relativa por la permitividad del vacío (ver ecuación 2). [8]

Ecuación (2)

Por otro lado, la permeabilidad magnética de una sustancia es el producto de la permeabilidad magnética relativa y la permeabilidad magnética de los materiales en el espacio libre (ver ecuación 3). [8]

Ecuación (3) La permeabilidad magnética en el espacio libre viene dada por la ecuación 4: Ecuacion (4) A pesar de que la constante dieléctrica del agua es de aproximadamente 81, la velocidad de propagación de las señales se reduce en un factor de 9 con respecto a la velocidad de la luz

11

en el vacío. Sin embargo, esta velocidad es mucho mayor que la velocidad de las ondas acústicas (más de 4 órdenes de magnitud). El coeficiente de absorción α para la propagación de EM en el agua dulce se puede aproximar por la expresión 5. [8] Ecuación (5)

Donde σ es la conductividad eléctrica, ε es, de nuevo, la permitividad material y μ la permitividad magnética del material. Como se puede ver en las expresiones 1 y 5, la velocidad de propagación y coeficiente de absorción de agua dulce son independientes de la frecuencia de trabajo de las señales transmitidas.

2.1.3 Ondas electromagnéticas en agua dulce. A diferencia de agua dulce, agua de mar es un medio muy dispersivo, que presenta grandes pérdidas. La conductividad del agua de mar se debe principalmente a la concentración de sólidos disueltos totales (SDT) en el agua. La concentración de estos sólidos, o salinidad media del agua de mar en los océanos es de 34 partes por mil (ppm). La conductividad eléctrica del agua de mar es aproximadamente dos órdenes de magnitud superior a la del agua dulce, donde la conductividad eléctrica viene marcada en función del contenido de sal (salinidad) y la temperatura. Su valor viene dado por la expresión 6: [8] Ecuación (6)

Donde C es el contenido de sal en partes por mil y T es la temperatura en grados Celsius. A 20 ° C, el agua de mar tiene un valor medio de 5 S/m, mientras que las características de conductividad en agua dulce están en torno al S 0,005 a 0,05 S/m. La constante dieléctrica del agua de mar es también una función de la salinidad y la temperatura. A menudo se utiliza un valor de 80 para la permitividad relativa del agua de mar a 20 ° C, aunque el valor real, trabajando a baja frecuencia es de 70. Sin embargo, en las frecuencias por debajo de 100 MHz, εr es mucho menor que 60. En medios con alta conductividad eléctrica para la transmisión de señales, la velocidad de propagación y las pérdidas por absorción de las ondas electromagnéticas son directamente proporcionales a la frecuencia de la portadora. La velocidad de propagación de ondas electromagnéticas en el agua de mar puede ser expresada por la aproximación 7 [8] 12

Ecuación (7) Donde μ es la permitividad magnética del material, f es la frecuencia de la señal portadora y σ representa la conductividad del material. Por otra parte, las pérdidas por absorción de agua de mar se pueden aproximar por (ver ecuación 8): Ecuacion (8) Donde μ es la permitividad magnética del material, f la frecuencia de la señal portadora y σ representa la conductividad eléctrica del material. Figuras 1 y 2 [8] muestran la evolución de la velocidad de propagación y coeficiente de absorción en el caso de agua dulce y salada, dependiendo de la frecuencia. Como podemos ver en estos gráficos, en las frecuencias altas, hay un mayor coeficiente de absorción, por lo que sería mejor para trabajar a bajas frecuencias, mientras que a las frecuencias más altas muestra una velocidad de propagación más elevada.

Sin embargo, debido a la alta absorción de agua de mar, no se puede propagar ondas electromagnéticas en el agua de mar. Esta es la principal motivación para trabajar una menor frecuencia en los medios de alta conductividad. El agua de mar es un buen ejemplo de este tipo de medio. Por lo tanto, la comunicación en agua de mar es poco práctica utilizando métodos clásicos basados en la propagación de ondas.

13

2.2 Comunicaciones subacuáticas basadas en señales ópticas La luz es una mezcla de radiación de diferentes frecuencias. Las señales ópticas utilizadas para las comunicaciones inalámbricas se limitan generalmente a distancias cortas, porque el agua tiene un factor de absorción muy alta en la banda de frecuencias ópticas. No todas las frecuencias dentro del espectro de la luz se ven afectadas de la misma manera. Cada color es una radiación de frecuencia particular. Por esta razón, los colores rojos son los primeros en desaparecer, mientras que los últimos son los colores azul y verde. Las longitudes de onda de colores azul-verde, ofrece un buen rendimiento para comunicaciones de banda ancha (10 Mbps a 150 Mbps) a distancias moderadas entre 10 y 100 metros. En teoría, mediante el uso de señales ópticas para la comunicación bajo el agua, puede alcanzar velocidades de 1 Gbps. Sin embargo, las señales ópticas tienen dos desventajas principales. Por una parte, las partículas en suspensión causan la dispersión de la luz y por otra, debido a las propiedades físicas del agua, las señales ópticas se absorben rápidamente. La propagación de la luz depende del medio atravesado. Por esta razón, la luz no viaja a la misma velocidad en el aire que en el agua. Cuando la luz se propaga en un medio acuoso, su intensidad disminuye exponencialmente, debido principalmente a la atenuación que se produce por dos causas principales: Absorción: la energía lumínica se convierte en otro tipo de energía, generalmente el calor o energía química. Esta absorción se produce por:    

Algas, que utilizan la luz como fuente de energía. Partículas y materia orgánicas e inorgánicas en suspensión. Compuestos inorgánicos disueltos. La propia agua.

Dispersión: Este fenómeno es el resultado de la colisión del haz de luz, con las partículas en suspensión, produciendo múltiples reflexiones. A mayor grado de turbidez en el agua, mayor efecto de dispersión se genera, lo que dificulta la penetración de la luz. La Figura 3 muestra un diagrama sobre el efecto de dispersión de un rayo, cuando el rayo de luz incidente choca contra las partículas en suspensión.

En la figura 3 se muestra un diagrama del efecto de dispersión de la luz en el agua, que contiene partículas en suspensión. Como podemos ver, la luz no siempre sigue el camino más corto para iluminar un objeto y muchos rayos llegan a su destino, reflejados en las distintas partículas, siendo desviados de su ruta original. La cantidad de materia orgánica en suspensión contenida en el agua de mar, causa que la intensidad de luz disminuya en la dirección de propagación, ya que es absorbida por estas partículas. Este parámetro se llama 14

coeficiente de absorción o el factor de extinción de la luz, y proporciona el valor de la transparencia del agua.

Figura 3.- Efecto de dispersión de la luz Es posible calcular la energía total dispersada por una partícula a través de cálculos muy complicados, y el uso de las expresiones de la teoría de la dispersión de Mie, que es válido para todas las relaciones posibles del diámetro de las partículas y la longitud de onda de la señal. De acuerdo con la teoría de Mie, cuando la longitud de onda de la luz es similar al diámetro de la partícula, la luz interactúa con las partículas en un área transversal mayor que la sección transversal geométrica de la partícula. Esto nos permite expresar el total de energía dispersada por una partícula en todas las direcciones. 2.1.4 Comunicaciones subacuáticas basadas en señales acústicas El sonido se produce por la vibración de las moléculas en una sustancia elástica. La propagación de la energía mecánica del sonido es absorbida por el medio a través del cual se propaga. En el agua, el sonido se propaga más rápido y tiene menores pérdidas de energía que en el aire. Los sonidos y las ondas sonoras ultrasónicas se transmiten en el mar a una velocidad entre 1400 y 1600 m/s, mientras que en el aire la velocidad de propagación es de 340 m/s. Esto es porque el agua de mar no está comprimida, es decir, no se puede reducir a un menor volumen, por lo que la absorción de las ondas de sonido es mínima, al contrario de que ocurre en la atmósfera, donde los sonidos son absorbidos a distancias muy cortas. Hay varios factores que influyen en la distancia que el sonido puede viajar bajo el agua. Por un lado, las partículas de agua de mar puede reflejar, dispersar y absorber ciertas frecuencias de sonido, de la misma manera que ciertas partículas en la atmósfera puede reflejar, dispersar y absorber ciertas longitudes de onda de la luz. El agua de mar absorbe

15

30 veces la cantidad de sonido absorbido por el agua destilada, atenuando ciertas frecuencias. Los sonidos de baja frecuencia son capaces de pasar a través de pequeñas partículas que pueden viajar a mayores distancias sin sufrir ninguna pérdida por absorción o dispersión. Los estudios han demostrado que factores como los cambios de salinidad, temperatura y presión pueden causar cambios bastante acusados en la velocidad de propagación del sonido bajo el agua. En general podemos decir que el océano se divide en capas horizontales en las que la velocidad del sonido depende en gran medida de la temperatura en las regiones altas y la presión en las regiones más bajas. La capa superior del agua se calienta por el efecto del sol, cuya temperatura varía dependiendo de la temporada. En latitudes medias, el agua se mezcla perfectamente por la acción de las olas y las corrientes. Pero también podemos distinguir capas de transición llamada termoclina, donde las temperaturas caen continuamente con la profundidad. A medida que baja la temperatura, la velocidad del sonido disminuye. Sin embargo, hay un punto, que va desde 600 metros hasta el Km. por debajo de la superficie, donde los cambios de temperatura son mínimas. En este caso, la presión, es el factor que más influye en la velocidad del sonido, que a medida que aumenta, también lo hace la velocidad del sonido. Las comunicaciones acústicas, bajo el agua, son afectadas principalmente por las propiedades físicas y el comportamiento de las ondas, cuando viajan dentro del medio. Los principales efectos que podemos ver presentes son la absorción, atenuación, expansión geométrica, el ruido, variaciones de retardo y efecto multicamino, entre otros. 



16

Atenuación. Es causada principalmente por la absorción, cuando la energía acústica se convierte en energía térmica. La atenuación es causada por la dispersión y la reverberación (en la profundidad), la refracción y la dispersión (en las zonas superficiales). La atenuación también se incrementa con la distancia y la frecuencia. Expansión geométrica. La expansión geométrica es la pérdida de energía de la onda acústica se está propagando, debido a la conservación de la energía. Esto se refiere a la difusión de la energía del sonido como resultado de la expansión de los frentes de onda, es decir, cuando un pulso de una onda acústica se propaga, como el frente de onda se aleja del origen, cubre un área mayor, por tanto, la energía de las olas por unidad de superficie se hace más pequeño. Este fenómeno es independiente de la frecuencia, se pueden distinguir dos expansión geométrica: o Esférica: donde la fuente se extiende de modo omnidireccional y es característico en comunicaciones en aguas profundas. Las pérdidas de energía, causado por la expansión geométrica, son proporcionales al cuadrado de la distancia.

o Cilíndrica. Tiene en cuenta la radiación horizontal y sólo se presentan en las comunicaciones en aguas poco profundas. Las pérdidas de energía en este efecto, son proporcionales a la distancia. Otros factores como el ruido ambiente, la dispersión o el efecto multicamino también pueden dificultar la comunicación bajo el agua. 







17

Ruido. Ruido acústico de comunicación se define como cualquier sonido no deseado que interfiere con la comunicación entre los sistemas de comunicación. Básicamente se pueden distinguir dos tipos de ruido. o El ruido generado. Es el ruido causado por maquinaria, como motores y la actividad natural del medio, como la vida animal. o El ruido ambiental. Se relaciona con los movimientos del agua, mareas y corrientes, tormentas, burbujas de agua cuando las olas chocan con la costa, etc., que pueden generar pérdidas de hasta 26 dB/m. También los fenómenos sísmicos y biológicos pueden considerarse dentro de este grupo. Todos estos fenómenos se conocen como hidrodinámica. Retardo y variación de retardo. Debido a la naturaleza del medio, la variación de retardo de la señal puede ser muy alto y puede llegar a ser muy perjudicial para el diseño eficiente de un protocolo, ya que se complica la estimación del tiempo de ida y vuelta (RTT), un parámetro importante para muchos protocolos de comunicación comunes. Propagación y dispersión Doppler. La dispersión es el fenómeno por el cual un conjunto de partículas que se mueven en una dirección puede rebotar con las partículas en el medio, y su trayectoria puede desviarse la una línea recta de movimientos predefinidos [28]. Por otra parte, si el mar está en calma, las señales cerca de la superficie, se reflejan casi a la perfección, pudiendo generar diferencias de fase. Sin embargo, cuando el mar está agitado, las olas pueden mover el punto de reflexión de la onda acústica causando pérdidas de energía por dispersión. Estos dos fenómenos pueden provocar la pérdida de intensidad de la señal debido al efecto de trayectoria múltiple. Efecto multicamino. El efecto multicamino puede causar la degradación de las señales acústica, debido principalmente a la generación de la interferencia entre símbolos (ISI) y la destrucción de la información. La generación de múltiples caminos entre el transmisor y el receptor depende de la configuración del enlace. Si la comunicación se realiza a través de canales verticales, no se registra una pérdida por dispersión muy alta, debido principalmente a que las señales no encuentran obstáculos para reflexionar, mientras que los canales horizontales, debido al efecto de la superficie, pueden sufrir mayores pérdidas. El nivel de dispersión y deterioro de la señal es función de la profundidad y la distancia entre el transmisor y el receptor.

CAPÍTULO 3 TIPOS DE MÓDEMS ACÚSTICOS INALÁMBRICOS SUBMARINOS 3.1 Módem acústico submarino AquaComm El módem acústico submarino Aquacomm es la solución perfecta para comunicaciones bajo el agua cuando la fiabilidad, la integración y un diseño flexible son factores clave para el éxito de la aplicación. Las comunicaciones en tiempo real son muy seguras con una alta tasa de transferencia de datos, incluso en las condiciones más severas. El consumo total de energía para la transmisión es muy bajo debido a que los paquetes de datos son correctamente transferidos en la primera transmisión. Características:        

18

Peso ligero y tamaño pequeño Fácil de integrar en instrumentos oceanográficos Bajo consumo de energía Modos de comando transparentes Estructura de comando fácil de entender Estándar conexión RS-232 para DC-DTE AUV/UUV control y comandos AquaComm está disponible en versiones 100 bit/seg y 480 bit/seg y en dos formas: o OEM: Módem AquaComm para integrar en una caja OEM o Encapsulado: Modem AquaComm encapsulado en AquaCase

3.2 Módem acústico submarino AquaNetwork El módem AquaNetwork es un módem acústico submarino AquaComm estándar con la capacidad añadida de operar en red para el fondeo de múltiples sensores submarinos con esta configuración. Entre sus aplicaciones está la monitorización de conducciones submarinas de fluidos (como el petróleo y gas), red de sensores oceanográficos, monitorización ambiental y comunicaciones de Vehículos Autónomos Sumergibles (AUV). Características:      

Capacidad de enlaces paralelos: el módem posee un código de división para múltiples accesos (CDMA) Pueden coexistir enlaces simultáneos entre nodos debido al CDMA Las direcciones pueden ser configuradas dinámicamente Transmisión de datos y comandos a diferentes nodos simultáneamente Comando para despertar nodos dormidos simultáneamente Comando de red API para permite a terceros la implementación fácilmente

3.3 Módem Acústico Submarino S2CR 12/24 El módem acústico S2CR 12/24 es un instrumento de alta profundidad diseñado para transmisiones de largo alcance, enviando datos con una tasa hasta de 9,2 kbit/s en un rango de 6000m. Su bajo consumo lo hace ideal para fondeos de larga duración. Su patrón de emisión direccional (70º) es útil en canales de comunicación verticales e inclinados, o para estaciones fijas. 19

Aplicaciones    

Operaciones de largo y medio alcance Transmisiones en canales verticales o inclinados Observatorios submarinos Redes acústicas de sensores submarinos

Características:        

Profundidad de operación: 200m (Delrin), 1000 (aleación de Aluminio-Mg), 2000 (Inox), 6000m (Ti) Alcance: 6000 m (8000m en condiciones ideales) Banda de frecuencias: 13-24 KHz Patrón de transmisión: direccional, 70º Tasa de transferencia: hasta 9.2 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off)

3.4 Módem Acústico Submarino S2CR 18/34 El módem acústico S2CR 18/34 tiene un patrón de emisión horizontalmente omnidireccional. Es un herramienta versátil para comunicaciones universales en aguas someras, ofreciendo tasas de transferencia hasta de 13.9 Kbits/s, en un rango de 3500 m. Aplicaciones 

20

Operaciones de medio alcance en aguas someras

 

Comunicaciones inalámbricas en AUV y ROV's Redes acústicas de sensores submarinos

Características:        

Profundidad de operación: 200m (Delrin), 1000 (aleación de Aluminio-Mg), 2000 (Inox) Alcance: 3500 m Banda de frecuencias: 18-34 KHz Patrón de transmisión: Horizontalmente omnidireccional Tasa de transferencia: hasta 13,9 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables. Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off).

3.5 Módem Acústico Submarino S2CR 40/80 El módem acústico S2CR 40/80 es un instrumento de alta velocidad que envía datos con una tasa de hasta 6,9 Kbit/s, en un rango de 2000m. Su patrón de emisión direccional (70 º) lo hace aplicable en canales verticales y oblicuos. La alta frecuencia de emisión asegura un gran rendimiento en ambientes ruidosos. Aplicaciones 

21

Operaciones de corto y medio alcance

  

Transmisión de datos a lo largo de canales verticales u oblicuos Observatorios submarinos Redes acústicas de sensores submarinos

Características:        

Profundidad de operación: 500m (Delrin), 1000m (aleación de Aluminio-Mg), y 2000m (Inox) Alcance: 8.000 m (10.000m en condiciones ideales) Banda de frecuencias: 38-64 KHz Patrón de transmisión: direccional, 70º Tasa de transferencia: hasta 27.7 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables. Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off)

3.6 Módem Acústico Submarino S2CR 42/65 El módem acústico S2CR 42/65 es un instrumento de alta velocidad con un patrón de transmisión hemisférico. Apto para comunicación en canales verticales, oblicuos y horizontales, con transferencias de hasta 31.2 Kbits/s en un rango de 2000 m (en condiciones óptimas). Las altas frecuencias de operación aseguran un gran rendimiento incluso en ambientes ruidosos. Aplicaciones   

22

Operaciones de corto y medio alcance en canal vertical, oblicuo y horizontal Comunicaciones a alta velocidad Enlace de datos acústico para AUV's y ROV's



Redes de sensores submarinas

Características:        

Profundidad de operación: 500m (Delrin), 1000 (aleación de Aluminio-Mg), 2000 (Inox) Alcance: 1000 m (2000 en condiciones óptimas) Banda de frecuencias: 42-65 KHz Patrón de transmisión: hemisférico Tasa de transferencia: hasta 31,2 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables. Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off)

3.7 Módem Acústico Submarino S2C R 48/78 El módem acústico S2CR 48/78, con un patrón de emisión omnidireccional horizontal, es un módem de alta velocidad indicado para aguas someras reverberantes, ofreciendo tasas de hasta 31.2 kbit/s en un rango de hasta 1000m. Las altas frecuencias de operación aseguran unas altas tasas de transferencia incluso en ambientes ruidosos. Aplicaciones    

23

Operaciones de corto alcance en aguas someras Comunicaciones rápidas, con transferencia de datos Comunicaciones inalámbricas en AUV y ROV's Redes acústicas de sensores submarinos

Características:        

Profundidad de operación: 200m (Delrin), 1000 (aleación de Aluminio-Mg), 2000 (Inox) Alcance: 1000 m Banda de frecuencias: 48-78 KHz Patrón de transmisión: Horizontalmente omnidireccional Tasa de trasferencia: hasta 31,2 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off)

3.8 Módem Acústico Submarino S2CR 7/17 El módem acústico S2CR 7/17 es un instrumento de alta profundidad diseñado para transmisiones de largo alcance, enviando datos con una tasa de hasta 6,9 kbit/s en un rango de 8000m. Su bajo consumo lo hace ideal para fondeos de larga duración. Aplicaciones    

Operaciones de largo alcance Enlace acústico para AUV's y ROV's de alta profundidad Observatorios submarinos Redes acústicas de sensores submarinos

Características:  

24

Profundidad de operación: 200m (Delrin), 1000m (aleación de Aluminio-Mg), 2000m (Inox), 6000m (Ti) Alcance: 8.000 m (10.000m en condiciones ideales)

     

Banda de frecuencias: 7-17 KHz Patrón de transmisión: hemisférico Tasa de transferencia: hasta 6.9 kbit/s Interfaz de conexión: Ethernet, RS-232 (RS-485/422 opcional) Alimentación: Externa 24 VDC (12 VDC opcional), o baterías internas recargables. Módulo wake-up que despierta el dispositivo en reposo (on) cuando detecta señales acústicas o datos, y una vez se completa se apaga (off)

3.9 Módem Acústico Submarino S2CR 7/17

25

El primer módem de Internet inalámbrico especialmente diseñado para funcionar bajo el agua. Cada uno de estos módems pesa 18 kilogramos (un poco pesado) pero representa en el primer paso para el desarrollo de otros más pequeños y eficientes en un futuro cercano. Los módems Bentos Teledyne, como los han denominado, se comunican bajo el agua a través de un chirrido agudo que puede recogerse en el rango de un kilómetro de distancia y normalmente utilizan su propio protocolo de red que puede dificultar la comunicación con dispositivos comunes. Estos nuevos dispositivos son muy lentos aún y habrá que esperar próximos avances en la materia para mejorar su desempeño.

26

Conclusión El presente proyecto de investigación nos resultó útil ya que gracias a ello adquirimos nuevos conocimientos acerca de esta innovadora tecnología de transmisión de datos bajo el agua, como lo fue su funcionamiento y algunas de sus principales características de algunos dispositivos que tiene un futuro prometedor. Por medio de la información recopilada se analizó que estos dispositivos funcionan mejor en agua dulce que en agua salada, tomando en cuenta el medio el medio en el que se utilicen tienen un mejor funcionamiento. Aunque es una tecnología está en desarrollo hemos podido concluir que tendrá mucho futuro en aplicaciones para cuidar pozos petroleros, cuidar mantos acuíferos, es decir tiene áreas de oportunidades donde ésta puede ser implementada, a pesar de ser relativamente nueva.

27

REFERENCIAS: [1] L. Liu, S. Zhou, J-H Cui. “Prospects and problems of wireless communications for underwater sensor networks”. Wireless Communications and Mobile Computing [2] Special Issue on Underwater Sensor Networks. Vol. 8, no. 8, pp. 977–994, 2008. [3] M. Stojanovic, “Underwater acoustic communication,” Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, John Wiley & Sons, pp. 688–698, 1998. [4] J. S. Chitode, “Digital Communications”, Technical Publications Pune. First edition: 2007-2008. [5] C. Andren and M. Webster, "CCK Modulation Delivers 11Mbps for High Rate 802.1 [6] Extension," in Wireless Symposium/Portable By Design Conference Proceedings, Spring 1999. [7] V. Raghunathan, C.Schurgers, S. Park and M.B. Srivastava, "Energy-aware wireless microsensor. [8] C. A. Balanis, “Advanced Engineering Electromagnetics”. John Wiley & Sons, New York, NY, 1989. Networks," Journal of IEEE Signal Processing Magazine, vol.19, no.2, pp.40-50, Mar 2002 [6] M.A.M. Vieira, C.N. Coelho, D.C. da Silva, J.M. da Mata, "Survey on wireless sensor network Devices,” Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA '03).Vol.1, no., pp. 537544, 16-19 Sept. 2003. [7]Miguel Garcia, Sandra Sendra, Gines Lloret y Jaime Lloret, “Monitoring and Control Sensor System for Fish Feeding in Marine Fish Farms”, IET Communications, The Institution of Engineering and Technology. 2011. Pp1751-8636. En edición http://noticias.tudiscovery.com/tech-5-un-mdem-submarino-y-drones-que-reparten-libros/ http://www.sidmar.es/es/instrumentacion/Productos/COMUNICACIONCONTROL/MODEMS-ACUSTICOS.html

28