Tesis doctoral 

Las redes inalámbricas submarinas de sensores (UWSN) se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones relacionadas con la monitorización del ecosistema, la búsqueda de pecios, el mantenimiento de infraestructuras, la seguridad y la defensa, entre otras. Debido a la absorción de las ondas electromagnéticas en el agua y a la necesidad de visibilidad directa de las comunicaciones ópticas, las ondas acústicas son el medio de comunicación más adecuado en los entornos submarinos. El módem acústico submarino (UAM) es un componente esencial de una red de comunicaciones submarinas que se encarga de la transmisión y recepción de señales acústicas en un canal acuático. Se han diseñado muchos módems comerciales y de investigación para diferentes aplicaciones. Los módems comerciales pueden comunicarse a mayores distancias con fiabilidad, pero son caros y de menor rendimiento energético. Por otra parte, los módems para investigación tienen características diversas y se diseñan utilizando un procesador de señales digitales (DSP) y una matriz de puertas lógicas programables en campo (FPGA). Además del empleo de un DSP (que tiene un costo elevado) y de una FPGA (que requiere mucha energía), el uso de un microcontrolador es también una práctica común, de menor costo, pero proporciona una potencia de cálculo limitada. Por lo tanto, hay una necesidad práctica de un módem acústico subacuático de bajos consumo y coste.

En esta tesis se plantean distintos objetivos, que se han plasmado en las correspondientes contribuciones científicas. En primer lugar, identificar las limitaciones de los módems acústicos submarinos comerciales y de investigación de última generación a través de un estudio exhaustivo. El resultado del estudio realizado es un análisis/comparación minucioso en términos de características y prestaciones (como el rango operativo, la velocidad de datos, la frecuencia central, el ancho de banda, la tasa de bits erróneos, el consumo de energía, etc.).

Sobre la base de los resultados del estudio realizado, la segunda contribución ha consistido en el diseño un módem acústico de bajo costo para las comunicaciones submarinas de corto alcance utilizando un enfoque modular que puede configurarse para diversas aplicaciones. El módem propuesto se basa en una tarjeta electrónica con capacidad de computación (Raspberry-Pi), mientras que la funcionalidad de bajo nivel se controla mediante un microcontrolador (Atmega328P). El resto de elementos del módem y los amplificadores están diseñados con componentes discretos. Los transductores electroacústicos se han fabricado con elementos piezoeléctricos, lo que ha reducido el costo total. Además de la reducción del costo del diseño, el costo de verificación/prueba del diseño es igualmente importante.

Con el fin de reducir ese costo, la tercera contribución de esta tesis ha consistido en la creación un banco de pruebas de comunicaciones acústicas submarinas basado en la web y una plataforma de simulación. El banco de pruebas funciona como un emulador para probar diferentes tipos de módems en una instalación de laboratorio controlada y simula el canal submarino así como modelos de propagación de sonido. La accesibilidad remota al banco de pruebas mediante un navegador web reduce aún más el costo total de las pruebas. La eficiencia energética desempeña un papel importante en entornos de difícil acceso como es el caso submarino, ya que estos sistemas funcionan con acumuladores eléctricos (batería) y a menor consumo, mayor autonomía. El amplificador de potencia es el módulo que más energía requiere y suele estar compuesto por un amplificador de clase D (que es el más eficiente en términos de energía). En la práctica común se utilizan dos módulos diferentes, para la modulación (como la modulación por desplazamiento de fase o por desplazamiento de frecuencia, etc.) y la amplificación (como el amplificador de clase D) en un módem de acústica submarina. Por consiguiente, se realizan dos modulaciones; una en el modulador propiamente dicho y otra en un amplificador de clase D, que está basado en un modulador de anchura de impulsos (PWM).

La cuarta contribución de esta tesis está basada en la idea de aprovechar la modulación de fase residual propia de la PWM para integrar modulador y amplificador de potencia. De esta manera se consigue la modulación PSK y la amplificación en solo módulo, lo que simplifica considerablemente el esquema de bloques del transmisor y mejora su eficiencia energética. A fin de validar el módem de bajo costo propuesto, se han realizado pruebas a nivel de componentes y a nivel de sistema. Para las pruebas de nivel de componentes, cada módulo, como el módulo analógico (modulador, demodulador y amplificador), el controlador digital (Raspberry-Pi y microcontrolador) y los transductores subacuáticos, se han probado individualmente en una instalación de laboratorio controlada. A continuación, los módulos individuales se integran para realizar pruebas de nivel de sistema en un entorno acuático a diferentes velocidades de datos con un alcance fijo de 1 metro y una frecuencia central de 31,5 ������. Las velocidades de transmisión utilizadas para las pruebas a nivel de sistema son de 100, 300, 600 y 1200 bits por segundo (bps). Los resultados obtenidos muestran que el módem propuesto podría comunicarse a mayores velocidades con menos errores de transmisión que otros módems de investigación de última generación. Para demostrar la funcionalidad del banco de pruebas propuesto (entorno de pruebas de bajo costo) como emulador, hemos utilizado dos módems acústicos UW de bajo costo (Módem-A y Módem-B). Los transductores electroacústicos y dos sensores (temperatura y salinidad) se sumergen en agua para emular el entorno submarino. El Modem-A recoge los datos y los transmite. El módem-B actúa de receptor y transfiere los datos recibidos a un ordenador personal que funciona como servidor LabVIEW.

Por último, los valores de temperatura y salinidad en tiempo real se supervisan en una interfaz gráfica de usuario. Los resultados de la validación muestran que el entorno del banco de pruebas propuesto requiere menos tiempo de desarrollo y es de bajo costo. Es importante señalar que la funcionalidad del banco de pruebas se ha validado utilizando los módems de bajo costo propuestos. Sin embargo, el entorno del banco de pruebas propuesto también puede utilizarse para probar diversos tipos de módems. Por último, la validación del modulador/amplificador integrado propuesto se ha realizado en varios pasos. Inicialmente, la hipótesis se ha verifica utilizando MATLAB (prueba de nivel algorítmico). A continuación, se ha diseñado un modelo en Simulink que ha permitido, mediante simulación, realizar pruebas funcionales. Finalmente, se ha diseñado un circuito electrónico y se ha probado experimentalmente en Multisim para validar la viabilidad del concepto (prueba de nivel de circuito). Los resultados obtenidos por las simulaciones (tanto a nivel algorítmico como funcional) y la implementación del circuito muestran que el sistema integrado propuesto es una solución energéticamente eficiente y de menor costo que las soluciones existentes.