Una iniciativa reciente de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales propone utilizar la inteligencia artificial (IA) para estudiar cómo se transmiten las señales bajo el agua, entender las distorsiones y anticiparlas para mejorar la comunicación submarina. Su avanzado enfoque captó el interés de la Armada de los Estados Unidos, que financia esta investigación.
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.
“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.
