Hace mucho que el océano soporta la carga del impacto del ser humano sobre el calentamiento global, afirma el Plan de Acción Contra el Cambio Climático de la ONU [1]. Los cambios drásticos sufridos por el océano como el incremento de temperatura, y, por consiguiente, el deshielo de los polos, el aumento del nivel del mar, olas de calor en el mar, entre otros, generan cambios sin precedentes que afectan nuestra diaria relación con el planeta con posibles consecuencias catastróficas como la extinción de la mitad de las especies marinas mundiales para el año 2100 [2].
La necesidad de monitoreo constante de indicadores vinculados al cambio climático como: temperatura de la superficie marina, cantidad de calor del agua de océano, pH del océano, concentración de oxígeno disuelto, extensión del hielo marino ártico, espesor y volumen entre otros, es imperativa [3].
La presencia de eventos dañinos para el ecosistema submarino no es algo reciente. Los registros de la década de los 80 revelan señales de que la propagación geográfica y la frecuencia de proliferación de algas en áreas costeras estaban en aumento. Este crecimiento es insostenible sobre todo en sitios donde no se cuenta con monitoreo ni sistemas específicos de alerta temprana. El seguimiento constante a largo plazo, el intercambio de datos, información y conocimientos, así como la mejora de las predicciones específicas para cada contexto, incluyendo sistemas de alerta temprana para prever fenómenos extremos como El Niño y La Niña, ciclones tropicales y olas de calor marinas, son fundamentales para gestionar los impactos negativos de los cambios en los océanos. Esto incluye la pérdida de recursos pesqueros y efectos adversos en la salud humana, la seguridad alimentaria, la agricultura, los arrecifes de coral, la acuicultura, los incendios forestales, el turismo, la conservación, las sequías y las inundaciones [4].
Varias instituciones y organismos científicos y de supervisión han trabajado de manera colaborativa para impulsar el desarrollo de tecnologías innovadoras, focalizándose especialmente en la ingeniería de comunicación. Además, se han dedicado esfuerzos adicionales para fortalecer las tecnologías tradicionales existentes, las cuales han desempeñado un papel fundamental en la preservación de los océanos a lo largo de las décadas.
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Cuando nos referimos a tecnologías tradicionales, en este caso, debemos mencionar las relacionadas a tecnologías acústicas y de radio frecuencia (RF). La tecnología actual utiliza ondas acústicas para la comunicación, cuyo desempeño es limitado por su bajo ancho de banda, altas pérdidas de transmisión, propagación multitrayecto variante en el tiempo, alta latencia y dispersión Doppler. Los actuales sistemas acústicos disponibles pueden soportar tasas de transmisión de hasta decenas de kbps para distancias largas (en Km) [5]. En cuanto a la tecnología RF, las tasas de transmisión suelen estar en el rango de Mbps, llegando hasta 100 Mbps en enlaces de corta distancia, aproximadamente hasta 10 metros. Sin embargo, esta tecnología presenta limitaciones en términos del tamaño de los nodos, consumo energético y costos asociados. Además, se ha observado que la atenuación de las ondas de RF aumenta a medida que incrementa la frecuencia y se ven significativamente afectadas por el agua de mar, lo cual representa un desafío adicional [5], [6].
Recientemente se pudo evidenciar las limitaciones que las comunicaciones acústicas submarinas presentan, cuando en 2023 el sumergible tripulado “Titan” de la empresa estadounidense OceanGate, implosionó en una excursión al fondo marino. Entre los problemas técnicos que se reportaron se incluían desperfectos en los sistemas de comunicación.
Como vemos, la creciente demanda de tasas de transferencia de datos más elevadas, presente en diversos ámbitos del mundo moderno, ha alcanzado incluso las profundidades del océano. Una vez mencionadas las tecnologías tradicionales, una alternativa viable la constituyen las Comunicaciones Ópticas Inalámbricas Submarinas (Underwater Optical Wireless Communication - UOWC), mismas que han surgido como una opción emergente y en constante evolución para satisfacer de manera efectiva esta creciente necesidad. Las UOWC, son capaces de soportar tasas de transferencia en el orden de Gbps, a distancias de unos cientos de metros, debido principalmente a las altas frecuencias de la señal portadora.
Si bien es cierto, las ondas ópticas se enfrentan a grandes adversidades en el medio en el que se propagan, se han logrado resultados importantes de implementación de esta tecnología. Entre las limitaciones presentes en el medio, se encuentran principalmente la absorción, dispersión, turbulencia y el ruido de fondo producido por la luz del sol. Sin embargo, algunos de estos estudios evidencian resultados interesantes como, por ejemplo, ya en 1992 con trabajos experimentales considerando como fuente óptica al argón-ion, operando en los 514nm y logrando tasas de transferencia de 50 Mbps en distancias de 9m [7]. Se han realizado varios estudios considerando varias técnicas de modulación en sistemas de comunicación ópticas submarinas, una de ellas, en [8] utilizando modulación FM, logrando tasas de transferencia de 10Mbps en enlaces de corto alcance (5m). En ambientes experimentales, se han logrado alcanzar tasas de transferencia de 1Gbps usando como fuente óptica el láser [9].
En resumen, las tecnologías de comunicaciones ópticas inalámbricas submarinas ofrecen ventajas notables, como la capacidad de alcanzar tasas de transferencia del orden de Gbps, inmunidad a la latencia en la transmisión, implementación económica y nodos de comunicación compactos. No obstante, como se mencionó anteriormente, enfrentan desafíos significativos debido a las propiedades ópticas inherentes del medio.
Esta tecnología presenta una oportunidad valiosa para abordar preocupaciones como el cambio climático y la monitorización de recursos. Para maximizar su potencial, se requiere una atención dedicada a la investigación y desarrollo, centrándose en mejorar el canal de comunicación mediante estudios de rendimiento, exploración de diversas técnicas de modulación y la aplicación de estrategias para mitigar los inconvenientes técnicos, especialmente durante las etapas de diseño de sistemas de comunicación.
Referencias:
[1] United Nations, “Cómo afecta el cambio climático a los océanos del planeta.” Accessed: Jan. 24, 2024. [Online]. Available: https://www.un.org/es/climatechange/science/climate-issues/ocean-impacts
[2] S. F. Heron, “Impacts of climate change on World Heritage coral reefs: update to the first global scientific assessment,” 2018. Accessed: Jan. 24, 2024. [Online]. Available: https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000265625.locale=en
[3] C. Garcia-Soto et al., “An Overview of Ocean Climate Change Indicators: Sea Surface Temperature, Ocean Heat Content, Ocean pH, Dissolved Oxygen Concentration, Arctic Sea Ice Extent, Thickness and Volume, Sea Level and Strength of the AMOC (Atlantic Meridional Overturning Circulation),” Front Mar Sci, vol. 8, Sep. 2021, doi: 10.3389/fmars.2021.642372.
[4] IPCC, El océano y la criosfera en un clima cambiante. OMM-PNUMA.
[5] H. Kaushal and G. Kaddoum, “Underwater optical wireless communication,” IEEE access, vol. 4, pp. 1518–1547, 2016.
[6] Saveetha Engineering College. Department of Electronics and Communication Engineering, Saveetha Engineering College. IEEE Student Branch, Institution of Electronics and Telecommunication Engineers (India), and Institute of Electrical and Electronics Engineers, 7th International Conference on “Smart Structures and Systems” : 23rd & 24th July, 2020.
[7] J. B. Snow et al., “Underwater propagation of high-data-rate laser communications pulses,” in Ocean Optics XI, SPIE, 1992, pp. 419–427.
[8] M. A. Chancey, “Short range underwater optical communication links,” 2005.
[9] F. Hanson and S. Radic, “High bandwidth underwater optical communication,” Appl Opt, vol. 47, no. 2, pp. 277–283, 2008.
