Investigadores del MIT han demostrado el primer sistema de comunicaciones y redes submarinas de potencia ultrabaja que puede transmitir señales en un rango de un kilómetro. La tecnología, que los investigadores comenzaron a desarrollar hace varios años, utiliza alrededor de un millón de veces menos energía que los métodos de comunicación submarinos existentes. Al ampliar el alcance de comunicación de los sistemas sin baterías, los investigadores están haciendo que la tecnología sea más factible para aplicaciones como la acuicultura, la predicción de huracanes costeros y la modelización del cambio climático.

"Las comunicaciones submarinas con un millón de veces menos energía eran una idea muy interesante hace apenas unos años, pero ahora son factibles. Si bien todavía hay algunos desafíos técnicos interesantes que deben resolverse, hay un camino claro desde donde estamos ahora hasta la implementación", dijo Fadel Adib, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y director del Grupo de Dinámica de Señales en el Media Lab del MIT.

El dispositivo es un conjunto de sensores piezoeléctricos que permite comunicaciones submarinas sin batería. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.

La retrodispersión submarina permite comunicaciones de baja potencia codificando datos en ondas sonoras que luego se reflejan o dispersan hacia el receptor. Estas innovaciones permiten que las señales reflejadas se dirijan con mayor precisión a la fuente.

Debido a esta "directividad inversa", se dispersa menos señal en la dirección incorrecta, lo que permite comunicaciones más eficientes y de mayor alcance. Cuando se probó en ríos y océanos, el dispositivo de dirección inversa se comunicó a más de 15 veces el alcance de los dispositivos anteriores. Sin embargo, los experimentos estuvieron limitados por la longitud del muelle disponible para los investigadores.

Para comprender mejor los límites de la retrodispersión submarina, el equipo también desarrolló un modelo analítico para predecir el alcance máximo de la tecnología. Validaron el modelo utilizando datos experimentales, demostrando que su sistema de dirección inversa puede comunicarse en un rango de kilómetros.

Los investigadores compartieron estos hallazgos en dos artículos que se presentarán en las conferencias ACMSIGCOMM y MobiCom de este año. Adib es el autor principal de estos dos artículos. Fue coautor del artículo SIGCOMM con la ex becaria postdoctoral Aline Eid, ahora profesora asistente en la Universidad de Michigan, y el asistente de investigación Jack Rademacher, así como con los asistentes de investigación Waleed Akbar, Purui Wang y el becario postdoctoral Ahmed Allam. Los coautores del artículo de MobiCom también son Akbar y Allam.

Tres miembros del equipo realizan experimentos en el Instituto de Investigación Woods Hole. Fuente de la imagen: proporcionada por investigadores.

Comunicarse mediante ondas sonoras.

Los dispositivos de comunicaciones de retrodispersión submarina utilizan conjuntos de nodos hechos de materiales "piezoeléctricos" para recibir y reflejar ondas sonoras. Estos materiales producen señales eléctricas cuando actúan sobre ellos fuerzas mecánicas.

Cuando las ondas sonoras golpean los nodos, vibran y convierten la energía mecánica en cargas eléctricas. El nodo utiliza cargas eléctricas para dispersar parte de la energía acústica hacia la fuente, transmitiendo datos, y el receptor decodifica los datos basándose en la secuencia de reflexiones. Sin embargo, debido a que las señales retrodispersadas se propagan en todas direcciones, sólo una pequeña porción llega a la fuente de sonido, lo que reduce la intensidad de la señal y limita el alcance de la comunicación.

Para superar este problema, los investigadores aprovecharon un dispositivo de radio de 70 años llamado conjunto Van Atta, en el que un par simétrico de antenas están conectadas de tal manera que el conjunto refleja la energía en la dirección de la fuente de la señal.

Sin embargo, conectar nodos piezoeléctricos para formar una matriz de Van Atta reduce su eficiencia. Los investigadores evitaron este problema colocando un transformador entre pares de nodos conectados. Los transformadores transfieren energía eléctrica de un circuito a otro, lo que permite que los nodos reflejen la máxima energía de regreso a la fuente.

"Ambos nodos reciben y reflejan, por lo que es un sistema muy interesante", explica Ed. "A medida que aumenta la cantidad de elementos en el sistema, se puede construir una matriz que permita distancias de comunicación más largas".

Además, utilizaron una técnica llamada conmutación de polaridad cruzada para codificar datos binarios en la señal reflejada. Cada nodo tiene un terminal positivo y uno negativo (como la batería de un automóvil), por lo que cuando los terminales positivos de dos nodos están conectados y los terminales negativos de dos nodos están conectados, la señal reflejada es "1 bit".

Pero si los investigadores invierten la polaridad y conectan los polos positivo y negativo entre sí, la señal reflejada es "cero".

"No basta con conectar nodos piezoeléctricos entre sí. Al alternar la polaridad de los dos nodos, podemos transmitir datos al receptor remoto", explica Rademacher.

Al construir la matriz VanAtta, los investigadores descubrieron que si los nodos conectados estuvieran demasiado cerca, bloquearían las señales de los demás. Idearon un nuevo diseño en el que los nodos están entrelazados para que las señales puedan llegar al conjunto desde cualquier dirección. Con este diseño escalable, cuantos más nodos haya en el conjunto, mayor será el alcance de comunicación.

Trabajando con la Institución Oceanográfica Woods Hole, llevaron a cabo más de 1.500 pruebas experimentales del conjunto en el río Charles en Cambridge, Massachusetts, y en el Océano Atlántico frente a la costa de Falmouth, Massachusetts. El dispositivo tiene un alcance de comunicación de 300 metros, más de 15 veces más de lo que habían demostrado anteriormente.

Sin embargo, debido a la falta de espacio en el muelle, tuvieron que acortar el experimento.

Máximo de simulación

Esto inspiró a los investigadores a construir un modelo analítico para determinar los límites de comunicación teóricos y prácticos de esta nueva tecnología de retrodispersión submarina. Sobre la base de la investigación de su grupo sobre identificación por radiofrecuencia (RFID), el equipo de investigación creó un modelo para capturar el impacto de los parámetros del sistema, como el tamaño de los nodos piezoeléctricos y la potencia de entrada de la señal, en el rango operativo submarino del dispositivo.

"Esta no es una tecnología de comunicación tradicional, por lo que es necesario comprender cómo cuantificar los reflejos. ¿Cuáles son las funciones de los diferentes componentes en este proceso?" Dijo Akbar. Por ejemplo, los investigadores necesitaban derivar una función que capturara la cantidad de señal reflejada por un nodo piezoeléctrico submarino de un tamaño específico, lo cual fue uno de los mayores desafíos en el desarrollo del modelo.

Utilizaron estos conocimientos para crear un modelo plug-and-play donde los usuarios pueden ingresar información como la potencia de entrada y el tamaño del nodo piezoeléctrico y obtener una salida que muestra el alcance esperado del sistema.

Evaluaron el modelo comparándolo con datos experimentales y descubrieron que el modelo podía predecir con precisión el rango de señales acústicas inversas con un error promedio de menos de 1 dB. Utilizando este modelo, descubrieron que los conjuntos de retrodispersión submarina tienen el potencial de alcanzar distancias de comunicación de kilómetros de longitud.

"Estamos creando una nueva tecnología oceánica y llevándola al ámbito de las redes celulares 6G que hemos estado haciendo", dijo Adib. "Es algo muy significativo para nosotros porque ahora estamos empezando a ver esta tecnología muy cerca de la realidad".

Los investigadores planean continuar estudiando el conjunto VanAtta de retrodispersión submarina, tal vez utilizando barcos, para poder evaluar rangos de comunicación más largos. Al mismo tiempo, también planean lanzar herramientas y conjuntos de datos para que otros investigadores puedan aprovecharlos. Al mismo tiempo, también están comenzando a avanzar hacia la comercialización de la tecnología.

"El alcance limitado ha sido un problema abierto para las redes de retrodispersión submarina, lo que dificulta su uso en aplicaciones del mundo real". Omid Abari, profesor asistente de informática en UCLA, dijo: "Este artículo permite que las comunicaciones submarinas logren una transmisión a larga distancia mientras funcionan con una energía mínima, lo que permitirá futuras comunicaciones submarinas". Este artículo supone un importante paso adelante en el campo de la comunicación. Este artículo presenta por primera vez la tecnología de matriz VanAttaReflector en un entorno de retrodispersión submarina y demuestra las ventajas de esta tecnología para aumentar el rango de comunicación en varios órdenes de magnitud. Esto puede acercar la comunicación submarina sin baterías a la realidad, permitiendo aplicaciones como el monitoreo del cambio climático submarino y el monitoreo costero".