Towards sustainable IoUT networksenhancing self-powered and camera-based underwater optical wireless communication systems

Resumen

La Internet de las cosas en entornos submarinos (IoUT por sus siglas en inglés, Internet of Underwater Things) ha evolucionado hasta convertirse en una tecnología robusta capaz de facilitar la exploración en una amplia gama de aplicaciones vitales. Estas aplicaciones abarcan la vigilancia submarina para la gestión de desastres naturales, el seguimiento de la contaminación del agua, el estudio de cambios dinámicos en entornos submarinos y la observación de la vida marina. IoUT prevé desarrollar futuros sistemas que pueden aportar enormes mejoras en las velocidades de datos, la conectividad y la eficiencia energética. El marco IoUT integra diversas tecnologías de comunicación submarina, incluidas señales ópticas, de radio y acústicas. Este enfoque integral contribuye a ampliar las capacidades de los sistemas de comunicación subacuáticos, permitiendo una infraestructura de comunicación versátil y robusta. La comunicación inalámbrica óptica submarina (UOWC por sus siglas en inglés, underwater optical wireless communication) posee varios atributos clave que la diferencia de los sistemas de radiofrecuencia y de las tecnologías acústicas, que incluye una amplia cobertura, altas velocidades de datos, latencia mínima, seguridad, coste y bajo consumo de energía. Sin embargo, el canal acuático presenta una serie de desafíos importantes para UOWC. Estos desafíos incluyen absorción, dispersión, turbulencia, alineación, desvanecimiento de la señal y dispersión temporal, lo que limita los rangos de comunicación alcanzables. Además, los nodos sensores IoUT se enfrentan al desafío de depender de la energía de la batería y carecer de la capacidad de utilizar energía solar para recolección de energía. Además, el duro y exigente entorno del océano presenta una barrera formidable para el mantenimiento de las baterías, lo que lo convierte en una tarea compleja y costosa. La comunicación entre los nodos sensores se complica aún más por la interacción de la señal luminosa con las partículas en entornos submarinos y las turbulencias. Los efectos de la dispersión y la turbulencia dan como resultado la degradación de la señal y un mayor consumo de energía, lo que plantea desafíos para establecer enlaces de comunicación fiables y eficientes. Abordar las limitaciones energéticas de los dispositivos IoUT es de suma importancia, y una solución prometedora implica la recolección de energía del entorno circundante. La comunicación por luz visible (VLC por sus siglas en inglés, visible light communication) ha mostrado una oportunidad única de utilizar señales de luz visible para la recolección de energía en situaciones que involucran dispositivos IoUT con energía limitada. Esta tecnología también permite el establecimiento de enlaces de datos de alta velocidad al tiempo que satisface los requisitos de iluminación. VLC es una tecnología emergente en sistemas comunicación inalámbrica óptica (OWC por sus siglas en inglés, optical wireless communication) que operan en la banda visible (400-700 nm). La utilización de haces de luz visible tanto para la transferencia de información como para la entrega de energía representa un enfoque revolucionario y transformador para abordar las limitaciones energéticas a las que se enfrentarán las generaciones futuras de dispositivos IoUT. Los sistemas de transferencia simultánea de información y energía mediante ondas óptias (SLIPT por sus siglas en inglés, simultaneous lightwave information and power transfer) presentan un método eficiente para recolección de energía y decodificación de información utilizando células solares como receptores, lo que proporciona una solución práctica a los desafíos energéticos encontrados en los sistemas UOWC. Los paneles solares ya se utilizan con fines de recolección de energía en vehículos submarinos autónomos y redes de sensores submarinas, lo que ofrece una motivación práctica para SLIPT. Este enfoque permite aprovechar la infraestructura existente en los escenarios submarinos. Además, se ha demostrado que las células solares con áreas de detección amplias y funcionamiento sin lentes solucionan problemas de alineación de enlaces en entornos submarinos hostiles. Esta integración allana el camino para implementar sistemas IoUT autoalimentados, presentando soluciones prometedoras para abordar la escasez de energía predominante en los sistemas submarinos. Sin embargo, el importante efecto de atenuación de la luz y la limitada energía solar en entornos submarinos provocan un aumento de los tiempos de carga cuando se utilizan fuentes de luz artificiales. Otra tecnología asociada con VLC que emplea una cámara como receptor óptico es la comunicación óptica por cámara (OCC por sus siglas en inglés, optical camera communication), cubierta por el estándar IEEE 802.15.7. Esta inclusión respalda la perfecta integración y despliegue de OCC dentro de los estándares de comunicación establecidos, mejorando la interoperabilidad y promoviendo una adopción más amplia. Además, OCC introduce una tecnología novedosa y rentable, que utiliza sistemas de iluminación existentes, como LEDs como transmisores. La implementación eficaz de LEDs y cámaras en dispositivos submarinos mejora significativamente las capacidades de comunicaciones con cámara óptica submarina (UOCC por sus siglas en inglés, underwater optical camera communication), ampliando aún más su potencial. Por lo tanto, se ha demostrado que UOCC es una técnica prometedora para aplicaciones de baja velocidad de datos. La baja directividad de UOCC tiene una ventaja significativa en ambientes submarinos, donde las señales son propensas a dispersarse. La amplia área de cobertura resultante del gran campo de visión (FOV por sus siglas en inglés, field of view) de la cámara le permite capturar una amplia región de la luz dispersa, mejorando en consecuencia el rendimiento general del sistema. Además, la robustez de transmisión, la diversidad y el rendimiento general del sistema UOCC se pueden mejorar significativamente empleando técnicas de multiplexación espacial de cámaras. Aparte de la aplicación en enlaces submarinos, establecer conectividad directa en el enlace óptico agua al aire (W2A) es muy deseable para permitir la transmisión de información en tiempo real entre vehículo submarino autónomo o vehículo operado remotamente y dispositivos aéreos, como drones o aviones. Posteriormente, los datos pueden transmitirse desde estos dispositivos aéreos a estaciones terrestres utilizando tecnologías de transmisión RF. Además de los desafíos inherentes que plantea UOWC, la naturaleza dinámica y ondulada de la superficie del agua juega un papel fundamental en la determinación del rendimiento de la transmisión en los enlaces de comunicación vertical. El comportamiento de la superficie ondulada afecta significativamente el rendimiento de las comunicaciones y la solidez general del sistema en este escenario de comunicación agua-aire.