Autor: Paolo Casari, Research Assistant Professor, IMDEA Networks Institute
Las actividades de investigación en redes y futuras comunicaciones inalámbricas no se restringen meramente a la superficie terrestre. El de las redes acústicas submarinas es un campo de investigación emergente que atrae cada vez más atención. Dr. Paolo Casari, Assistant Research Professor y responsable del Grupo Ubiquitous Wireless Networks Group (grupo de investigación sobre redes inalámbricas ubicuas) en IMDEA Networks nos ofrece una sucinta introducción a algunos de los aspectos de este fascinante campo de investigación.
La búsqueda de comunicaciones inalámbricas ubicuas en todos los entornos posibles se enfrenta a un reto considerable al trasladarse bajo la superficie de mares y océanos. De hecho, y dado que las ondas de radio se atenúan fuertemente, las tecnologías inalámbricas de radio comunicación que empleamos en tierra son de escasa aplicación bajo el agua, y solo permiten comunicaciones para distancias de unos pocos metros. Aun así, las comunicaciones inalámbricas en los océanos despiertan un gran interés tanto por motivos sociales (unas comunicaciones y redes subacuáticas eficaces permitirían vigilar grandes superficies, así como la prevención de desastres naturales y riesgos, etc.) como por motivos económicos (las redes submarinas omnipresentes a través de cable no son viables debido al elevadísimo coste de los cables subacuáticos impermeables).
Por eso, en los últimos 10-15 años, las comunicaciones inalámbricas submarinas se han desarrollado mediante el uso de sonido en comunicaciones a larga distancia. No obstante, las comunicaciones basadas en el sonido tienen recursos limitados y, a la vez, son muy lentas en comparación con las comunicaciones terrestres. Las bajas velocidades de transmisión (del orden de unos pocos kilobits por segundo), la velocidad de propagación, de solo unos 1.500 m/s, mucho más baja que la velocidad de propagación de las ondas de radio por el aire (unos 300.000 km/s), y su elevado consumo energético en relación con la difusión terrestre hacen que organizar de forma adecuada y eficaz las comunicaciones resulte de gran importante. Entre otras cosas, esto supone que la recepción de las transmisiones en sus supuestos destinos deberá ser correcta y no causar interferencias destructivas entre sí. Cuando eso sucede, hablamos de «colisión», en el sentido de que dos o más señales superpuestas que se reciben simultáneamente no podrían distinguirse una de otra, por lo que algunas, o todas, se perderían.
Una de las causas de colisiones más frecuentes en las redes subacuáticas es el denominado efecto cerca-lejos (near-far effect). Este fenómeno se da cuando dos emisores envían una señal a un mismo receptor desde distancias muy diferentes: la señal desde el emisor más cercano será mucho menos atenuada y, por tanto eclipsará (o bloqueará) la señal típicamente más débil procedente del emisor más alejado. Esta situación es muy frecuente en las redes submarinas. De hecho, la atenuación por unidad de distancia recorrida por una señal acústica es bastante grande y, por tanto, casi todos los despliegues típicos de red se ven probablemente afectados por, al menos, una instancia del efecto cerca-lejos. El método consiste en mitigar o evitar eventos cerca-lejos completamente mediante el diseño de protocolos de control de acceso al medio (protocolos MAC (medium access control)) para asegurar poder evitar o limitar la colisión de una señal por parte de un nodo cercano en la transmisión por un nodo lejano.
La finalidad de la investigación llevada a cabo por el Grupo de Investigación sobre redes inalámbricas ubicuas en colaboración con el grupo SIGNET Group de la Universidad de Padua, Italia es revertir este paradigma convirtiendo el efecto cerca-lejos en un recurso en vez de un inconveniente. La colaboración entre los dos grupos se ha orientado hacia el diseño de dos protocolos MAC, uno basado en el programa de transmisión (es decir, en la decisión relativa a qué transceptores deberán enviar sus señales en un momento dado), y otro basado en intercambios preliminares de mensajes para establecer conexiones punto a punto (procedimiento al que se también se denomina handshaking).
Después de llevar a cabo un ensayo húmedo de los protocolos con un equipo de comunicaciones subacuático en un depósito (imagen 1), se procedió a desplegar las cinco unidades (o nodos) con capacidad de comunicación que figuran en la imagen en el interior del Lago de Garda, en Italia, en las proximidades de la localidad de Lazise, a mediados de diciembre de 2015. De este modo, se organizó una red de cinco nodos: dos de los nodos se instalaron junto a la orilla aprovechando el muelle (imagen 2), mientras que otros tres nodos se introdujeron en el lago desde dos barcas de pesca de pequeño tamaño, (en la imagen 3 puede verse una de las barcas con el investigador Filippo Campagnaro, de la Universidad de Padua, supervisando el tráfico submarino). Se ensayaron algunas otras topologías de las redes durante todo un día de experimentos. En particular, los nodos a bordo de las barcas de pesca se trasladaron para poder reproducir distintos casos del efecto cerca-lejos, por ejemplo, acercándolos a algunos de los nodos y alejándolos de los demás nodos, y obteniendo así datos relativos al rendimiento del protocolo diseñado en diversas situaciones. El tiempo les bendijo a los investigadores con un maravilloso día soleado.
Los experimentos demostraron la eficacia de los protocolos MAC diseñados para aprovechar el efecto cerca-lejos para mejorar el rendimiento en redes subacuáticas. Los datos obtenidos siguen procesándose para publicarse en trabajos científicos.
Fig. 1: Realización de un ensayo húmedo de los protocolos con un equipo de comunicaciones subacuático en un depósito.
Fig. 2: Nodos instalados junto a la orilla aprovechando el muelle.
Fig. 3: Filippo Campagnaro, de la Universidad de Padua, supervisa el tráfico subacuático acústico.