Sumérjase profundamente en las comunicaciones ópticas submarinas: una descripción completa
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¡Un descubrimiento innovador que allana el camino para la transmisión de datos de alta velocidad bajo las olas y elimina las limitaciones de los métodos acústicos!
A menudo se hace referencia a los océanos, que cubren más del 70% de la superficie de la Tierra, como la última frontera de la exploración. El mundo submarino es un reino de impresionante belleza, maravilla y misterio. Es un mundo lleno de vibrante vida marina, antiguos naufragios y profundidades inexploradas. Ya sea en las profundidades de la Fosa de las Marianas o en los coloridos arrecifes de coral de la Gran Barrera de Coral, nuestra fascinación por el mundo submarino no tiene límites. Pero debajo de la tranquila superficie se esconde un entorno desafiante para la comunicación.
Desde aplicaciones militares estratégicas hasta la exploración de petróleo y gas utilizando vehículos operados remotamente (ROV) y vehículos submarinos autónomos (AUV), el turismo submarino y la vida marina requieren sistemas de comunicación confiables y eficientes. Los métodos tradicionales, como la comunicación acústica, tienen sus limitaciones, especialmente en lo que respecta a las velocidades de transferencia de datos y el ancho de banda.
Aquí es donde entran en juego las comunicaciones ópticas submarinas (UWOC), que ofrecen altas velocidades de datos, baja latencia, seguridad y confiabilidad. En esencia, la comunicación óptica submarina utiliza los principios de propagación y modulación de la luz para codificar y transmitir información.
La arquitectura del sistema UWOC
Los componentes principales de un sistema de comunicación submarino incluyen un transmisor, un canal submarino como medio para la propagación de la luz y un receptor, como se muestra en la Fig. 1.
Canal
El módulo transmisor consta de un modulador, según el tipo de aplicación utilizada y la complejidad del diseño, para modular las características de la señal óptica de entrada, así como un controlador óptico que amplifica, da forma y controla las señales eléctricas a componentes ópticos como diodos láser. para datos eficientes Para impulsar la transmisión en sistemas de comunicación óptica, una fuente de luz (LED/láser dependiendo de la profundidad de transmisión) y una lente para enfocar la señal óptica modulada en el receptor.
canal
Los canales submarinos se pueden dividir en cuatro categorías diferentes según las diferentes concentraciones de partículas disueltas: agua de mar pura, agua de mar clara, agua de mar costera y agua de puerto turbia.
Recipiente
El módulo receptor consta de una lente para recoger señales ópticas incidentes del transmisor, un fotodiodo de avalancha para capturar las señales ópticas y convertirlas en fotocorriente, un amplificador de transimpedancia para convertir la fotocorriente en valores de voltaje y un convertidor analógico a digital para convierte voltaje analógico en señales digitales para la detección de datos y un módulo de detección de datos para recuperar los datos transmitidos corrompidos por el ruido del canal y las deficiencias del detector.
Factores que afectan la comunicación óptica submarina.
Algunos factores importantes que afectan la propagación óptica bajo el agua son:
Tipo de agua
Nos encontramos con diferentes tipos de agua, cada una con sus propiedades únicas. Estos tipos de agua incluyen agua de mar pura, agua de mar transparente, agua de mar costera y agua de puerto turbia. Cada uno de estos tipos de agua tiene diferentes propiedades físicas, incluidas diferencias de temperatura, nivel de contaminación y salinidad.
Absorción y dispersión
La atenuación de la señal óptica en el canal submarino se debe principalmente a la absorción y dispersión en el agua. El coeficiente de extinción del haz c para atenuación viene dado como c(λ)=a(λ)+b(λ).
Donde a es el coeficiente de absorción y b es el coeficiente de dispersión. Ambos coeficientes dependen de la longitud de onda utilizada para la comunicación.
Partículas en el agua.
Diversas sales disueltas, cuarzo molido, minerales arcillosos, óxidos metálicos, sustancias orgánicas disueltas coloreadas y otras materias orgánicas como virus, coloides, bacterias, fitoplancton, zooplancton y detritos orgánicos también influyen en la propagación de señales ópticas en el agua.
turbulencia
Puede causar atenuación de la señal, propagación del haz, distorsión de la señal, ruido modal e interferencia de la señal en las comunicaciones ópticas submarinas.
Apuntar y alinear
El agua de mar pura requiere requisitos de alineación estrictos porque es probable que el haz óptico siga una trayectoria colimada. Por otro lado, en puertos nublados, la dispersión es el factor esencial que hace que el haz óptico se propague en diferentes direcciones. Una desalineación de tres grados reduce la respuesta del detector en un factor de cien.
Ruido de fondo
La luz dispersa recogida por el receptor, el ruido de fondo solar y el ruido de fondo extendido difuso afectan al UWOC.
Longitud de onda utilizada en el sistema UWOC
La Figura 2 muestra la absorción y dispersión de diferentes longitudes de onda en agua de mar pura. El ancho de banda utilizado en UWOC suele ser de 400 a 500 nm debido a su atenuación mínima (baja absorción y baja dispersión), que es un factor esencial para altas velocidades de datos y distancias más largas. La mayoría de los proyectos en curso en este volumen funcionan para el sistema UWOC.
Ventajas de la UWOC
El UWOC ofrece varias ventajas sobre los sistemas tradicionales de comunicación acústica y por radio. Algunos beneficios clave son:
Altas velocidades de datos
Una de las principales ventajas de la comunicación óptica submarina son las altas tasas de transferencia de datos. Puede transmitir datos a velocidades muchas veces más rápidas que las comunicaciones acústicas tradicionales (velocidades de datos de hasta Gbit/s en una distancia de decenas de metros).
Bajo tiempo de espera
Las señales ópticas viajan a la velocidad de la luz, lo que da como resultado una latencia más baja en comparación con las señales acústicas.
Baja interferencia
A diferencia de la comunicación acústica, la comunicación óptica no se ve afectada por el ruido submarino procedente de la vida marina u otras fuentes.
seguro
Las señales láser son altamente direccionales, lo que dificulta que los espías intercepten las comunicaciones.
Menos impacto ambiental
Las comunicaciones ópticas no causan el mismo nivel de contaminación acústica que las comunicaciones acústicas, que pueden resultar perjudiciales para la vida marina. En este sentido, es una opción más respetuosa con el medio ambiente.
Aplicaciones
Las posibles aplicaciones de las comunicaciones ópticas submarinas son diversas e incluyen:
Exploración submarina
Los oceanógrafos, biólogos marinos y otros científicos suelen utilizar comunicaciones ópticas submarinas para transmitir datos desde sensores, cámaras y otros instrumentos en vehículos submarinos, vehículos operados a distancia y vehículos submarinos autónomos. Esto permite el seguimiento en tiempo real y la recopilación de datos de entornos de aguas profundas.
Monitoreo ambiental
La comunicación óptica submarina se utiliza para el seguimiento ambiental, incluida la medición de la calidad del agua, la temperatura y otros parámetros en océanos, lagos y ríos. Transmitir estos datos en tiempo real es importante para evaluar las condiciones ambientales.
Militar y Defensa
Los militares utilizan las comunicaciones ópticas submarinas para comunicaciones seguras y de gran ancho de banda entre submarinos, buzos y embarcaciones de superficie. Ayuda a mantener el conocimiento de la situación y apoya diversas operaciones navales.
Infraestructura submarina
En la industria del petróleo y el gas, las comunicaciones ópticas submarinas se utilizan para tareas como controlar vehículos operados de forma remota y transmitir datos entre sensores submarinos y activos de superficie. Esto es crucial para el mantenimiento y operación de la infraestructura submarina.
Imágenes y vigilancia submarinas
Las comunicaciones ópticas se utilizan en sistemas de vigilancia e imágenes submarinas para transmitir vídeos e imágenes de alta resolución en tiempo real. Esto es valioso para la seguridad submarina, las operaciones de búsqueda y rescate y la arqueología subacuática.
Actividades de estandarización
Organizaciones de desarrollo de estándares como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) trabajan en varios aspectos de UWOC.
CEI 62628
Este estándar proporciona pautas y requisitos para los sistemas de comunicaciones ópticas inalámbricas utilizados en aplicaciones submarinas, incluidas las comunicaciones entre vehículos submarinos, sensores y otros dispositivos. Cubre aspectos como esquemas de modulación, protocolos de transmisión y rendimiento del sistema.
IEEE 802.15.7
Este estándar se centra en sistemas de comunicación de luz visible que pueden adaptarse para la comunicación óptica subacuática. Define las especificaciones de la capa física y de la capa de control de acceso a los medios para comunicaciones inalámbricas ópticas de corto alcance.
UIT-T G.6980
Aunque este estándar de la UIT no está diseñado específicamente para comunicaciones submarinas, define la red para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda. Algunos sistemas de comunicaciones ópticas submarinas pueden utilizar tecnología de multiplexación por división de longitud de onda para velocidades de datos y capacidad de canal más altas.
Desafíos en la UWOC
UWOC es una tecnología en crecimiento con un potencial ilimitado. Pero este crecimiento conlleva una serie de desafíos:
Las restricciones del área.
El agua, el medio a través del cual buscamos comunicarnos, presenta un desafío enorme: su tendencia a absorber y dispersar la luz limita el alcance de los sistemas de comunicación óptica subacuática. Los investigadores están trabajando incansablemente para ampliar estos límites mediante avances en el procesamiento de señales y técnicas innovadoras de formación de haces.
agua turbia
La claridad del agua varía significativamente y las impurezas y la turbidez pueden nublar las señales ópticas. Para combatir estos factores ambientales, son cruciales algoritmos de procesamiento de señales robustos y adaptativos.
La danza de la precisión
Mantener una alineación cuidadosa entre los dispositivos transmisores y receptores en entornos submarinos dinámicos es como un ballet. El movimiento constante del agua requiere sofisticados sistemas de seguimiento y conformación del haz.
El costo de la exploración.
La implementación de comunicaciones ópticas submarinas puede resultar costosa, especialmente para aplicaciones en aguas profundas. Equilibrar los costos y al mismo tiempo ampliar los límites de la tecnología requiere inversiones prudentes.
Bioluminiscencia y luz ambiental.
La bioluminiscencia y la luz ambiental presentan obstáculos importantes para los sistemas UWOC en sus esfuerzos por mejorar la transmisión de datos. La bioluminiscencia es la capacidad de ciertos organismos de producir luz mediante un proceso químico. La luz ambiental se crea mediante la dispersión y curvatura de la luz solar a medida que atraviesa las capas del océano.
Las comunicaciones ópticas submarinas representan una tecnología transformadora para explorar y explotar las profundidades de nuestros océanos. Sus altas velocidades de datos, baja latencia y transmisión segura abren nuevas posibilidades para la investigación, exploración y aplicaciones submarinas. A medida que los investigadores continúen superando los desafíos asociados con esta tecnología, podemos esperar aplicaciones aún más innovadoras en el futuro que arrojen luz sobre los misterios de las profundidades.
Suryansh Pratap Singh Trabaja como ingeniero de investigación en el Centro para el Desarrollo de la Telemática (C-DOT), el centro de investigación y desarrollo de telecomunicaciones del Gobierno de la India. Tiene una licenciatura en ingeniería electrónica y de comunicaciones de MNNIT Allahabad.
Arka Mukherjee trabaja como líder de equipo en el Centro para el Desarrollo de la Telemática (C-DOT), el centro de investigación y desarrollo de telecomunicaciones del Gobierno de la India. Tiene más de once años de experiencia en diseño de sistemas integrados para redes de acceso óptico y sistemas de distribución de claves cuánticas.
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