Nuestro proyecto, se basa en comunicaciones de HF o de onda corta (3-30 MHz), que tradicionalmente se han utilizado para transmisiones de muy larga distancia, que permiten comunicar con cualquier parte del globo bajo determinadas condiciones. En este caso la onda de radio debe salir en una dirección prácticamente paralela al horizonte. La incidencia vertical se ha venido utilizando para el estudio de la densidad electrónica de las diferentes capas de la ionosfera, proporcionando una información importante tanto desde el punto de vista de la geofísica, como para aquellos sistemas de comunicaciones altamente influenciados por la ionosfera, como las comunicaciones por satélite y los sistemas de radionavegación, como GPS y Galileo. En los últimos años, ha crecido el interés por las comunicaciones por reflexión ionosférica de incidencia casi vertical (Near Vertical Incidence Skywave – NVIS). En esta técnica, se incide de forma casi vertical en la ionosfera con una frecuencia por debajo de la frecuencia crítica de la capa F2, obteniendo alcances de hasta 250 Km, que son mucho mayores de los obtenidos en la banda de VHF y UHF. Además, como la señal viene de arriba, no se requiere visión directa entre transmisor y receptor. Las comunicaciones NVIS son una alternativa excelente para aplicaciones civiles, tanto en situaciones de desastre natural como en países en vías de desarrollo. Cuando acontece un desastre natural, acostumbran a fallar todos los sistemas de comunicación que requieren infraestructuras de operador, mientras que con NVIS la comunicación siempre es posible. Esta situación también es extrapolable a casos de violencia terrorista. En los países en vías de desarrollo, muchas personas viven aisladas en aldeas muy alejadas de la ciudad más cercana en zonas de orografía complicada. En este entorno, las comunicaciones NVIS son una alternativa que abre la puerta a la mensajería, sistemas de alerta, así como proyectos formativos y de e-health. El punto más crítico de las comunicaciones en la banda de HF es el tamaño voluminoso de las antenas. En los últimos años han aparecido antenas compactas que presentan unas pérdidas moderadas y que pueden ser utilizadas si en el otro extremo de la comunicación se instala una antena grande con ganancia positiva. Con una antena de menor tamaño, y un consumo eléctrico muy moderado debido a que la potencia necesaria es mucho menor que en los enlaces de larga distancia, la idea de diseñar sensores muy remotos que se comunican mediante tecnología NVIS cobra sentido.

El proyecto “Transmisión optimizada en HF para enlaces NVIS para sensores remotos en la Antártida” (ENVISERA) investiga el despliegue de una red de sensores de baja potencia que se comunican con la Base Antártica Española Juan Carlos I mediante la técnica NVIS. Esto amplia enormemente el área de influencia de la base, ya que los sensores pueden situarse a distancias de hasta 250 Km, hasta ahora impensables. Si la distancia fuera mayor, un sensor en una localización intermedia podría hacer de repetidor y encaminar la información hacia su destino. Por tanto, estaríamos hablando de distancias muy grandes que podrían comunicar la base incluso con puntos muy alejados del continente antártico. El sistema también permite agrupar la información de varios sensores vecinos y enviarla como un único paquete de información a la Base a través del nodo NVIS. Como esta técnica depende totalmente del estado de la ionosfera en cada instante, y esto depende fuertemente de la actividad solar, la elección de la frecuencia óptima en cada momento es un aspecto clave. El proyecto investiga diferentes aspectos de este sistema de comunicación para sensores remotos, en particular: i. La variabilidad horaria, diaria y mensual del canal, ii. Nuevas formas de transmisión que optimicen la eficiencia en sistemas muy limitados en potencia, iii. Técnicas de enrutamiento para redes de sensores en entornos donde no siempre todos los nodos pueden estar activos y las latencias pueden ser grandes. Actualmente ya disponemos de un demostrador entre Cambrils y Barcelona (100 km) funcionado de forma continua, y pretendemos instalar un prototipo en los alrededores de la Base Antártica durante la campaña 2018-2019. El proyecto ENVISERA, con referencia CTM2015-68902-R (MINECO/FEDER), ha sido financiado por el Programa Estatal de Investigación del Ministerio de Economía y Competitividad y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).

Póster presentado en el IX Simposio Polar

Actualmente podemos enviar varios mensajes a través de un smartphone que contenga la aplicación desarrollada. El mensaje es recibido por la Raspberry, la cual modulara el mensaje y lo envía a la Red Pitaya. Antes de enviarlo a la Red Pitaya, la Raspberry se comunica con la placa gestora del amplificador para prepararlo para transmitir, y conmutar el relé de antena para que la salida del amplificador vaya a la antena. Pasado este proceso, la Red Pitaya sube en frecuencia la señal modulada y la envía al amplificador. En este caso la salida del amplificador no va hacia la antena, como no hemos tenido tiempo para testear el sistema entre Barcelona-Cambrils, las pruebas las hemos hecho en la universidad. En vez de conectar la antena, hemos conectado un cable de radiofrecuencia a la entrada del otro nodo que se encuentra en modo recepción y recibe la señal. Justo después de transmitir la señal se conmuta en modo recepción para recibir una respuesta.

Una vez el segundo nodo recibe la señal, la Red Pitaya baja en frecuencia la señal y lo transmite a la Raspberry, la cual demodula la señal. Una vez demodulada la señal, la Raspberry transmite el mensaje a la aplicación móvil, la cual muestra en pantalla el mensaje transmitido. En el caso que el usuario de este nodo quiera contestar, solo debe enviar el mensaje por la aplicación y a través del mismo proceso lo recibirá el otro nodo.

A pesar de que la prueba está hecha en condiciones de laboratorio, en Perú testearemos el sistema en un entorno real y más hostil, lo cual pueden aparecer problemas. El día 14 de Julio Joaquim, David y Marta irán hacia Perú junto con otros proyectos de la universidad que tienen otros proyectos, ¡esperemos todo vaya bien! Os adjuntamos una imagen de todo el hardware montado que supone un nodo.

Sistema Proyecto Urubamba

La idea general en Perú es permitir que la aldea de Pampallacta, que se encuentran sin ningún tipo de cobertura para poder comunicarse con la ciudad de Urubamba, pueda tener una vía de comunicación. Esta vía de comunicación será a través de nuestro sistema de NVIS. Nuestro sistema se comunicará con una aplicación móvil de mensajería que está empezando a desarrollar un proyectista interesado en nuestro proyecto. Todos los mensajes que envíe un usuario a otro, nuestro sistema lo enviara por NVIS permitiendo así la comunicación a largas distancias (Pampallacta-Urubamba y Urubamba-Pampallacta). Como podemos ver el sistema en este caso será bidireccional, lo cual deberá conmutar en transmisor y receptor según convenga.

Por otra parte, además de la aplicación móvil, se está trabajando en una gestión del amplificador más segura ya que se debe conmutar según el caso en el que nos encontremos (TX o RX). Además, se ha de llevar un control del amplificador, ya que en caso de un error se apague y no dañe ningún componente del sistema, incluido el propio amplificador. Para llevar a cabo toda esta gestión se hará a través de una placa con un microcontrolador (Tensy) en la que está trabajando el Radioclub de La Salle.

Finalmente cabe añadir que la Red Pitaya cada vez está más ajustada para poder llevar a cabo todas sus operaciones, por lo que hemos decidido añadir una Raspberry para ayudarla a modular los señales en tiempo real. Para ello también tenemos una proyectista interesada en el proyecto que desarrollara la comunicación con la Red Pitaya, la aplicación móvil y programara las modulaciones en tiempo real.

¡De momento parece que tenemos mucho trabajo que hacer si queremos llegar a tenerlo todo preparado para Perú, os iremos explicando cómo avanza el proyecto!Adjuntamos un esquema de lo que estamos desarrollando.

Esquema del sistema del Proyecto Urubamba

Para empezar, ya podemos decir que estamos transmitiendo y recibiendo en tiempo real en condiciones de laboratorio con una PSK sin ecualizar. Como la ecualización en la PSK es importante para evitar problemas en la recepción de vez en cuando no recibimos correctamente el mensaje que queremos transmitir, pero aun así estas primeras transmisiones y recepciones son un gran paso para el proyecto. En los próximos días iremos afinando cada vez más el software para que podamos finalmente hacer una comunicación Barcelona-Cambrils a tiempo real.

Por otra parte, instalamos temporalmente el transmisor en Cambrils y el receptor a diferentes distancias para realizar pruebas acerca de cómo nos afecta la onda superficial. Hicimos una prueba a 1 km para poder comparar la onda superficial con la onda rebotada en la ionosfera, pero la ionosfera no estaba en condiciones para permitir un rebote ionosférico.  Hicimos otra prueba a 5 km de distancia para poder comparar la amplitud de la onda superficial de 1 km respecto a 5 km. En este caso la amplitud se muestra mucho más baja de lo que teóricamente debería ser. Dados los resultados deberemos volver a hacer las pruebas cuando la ionosfera se encuentre en condiciones para poder hacer una comparación directa entre onda rebotada en la ionosfera y la onda superficial.

Finalmente, como la campaña en Perú se acerca (se realizará la segunda quincena de Julio) estamos diseñando como se conectará todo el conjunto de dispositivos que tenemos, ocupando el mínimo espacio, ya que la plataforma está pensada para ser portátil. Además, en todo este diseño estamos pensando en cualquier pequeño detalle de conexiones, compatibilidad electromagnética y otros factores que puedan hacer retrasar el proyecto.  En general parece que vamos cumpliendo con las fechas previstas y esperamos que siga siendo así para poder probar el sistema con éxito tanto en Perú como en la Antártida.

Os dejamos a continuación un par de imágenes de las pruebas que hicimos acerca la onda superficial.

Investigadores realizando pruebas radiadas acerca de la onda superficial (A la izquierda Josep Masó y a la derecha Joaquim Porté)

Mastil con V invertida a 1 km del transmisor

Por otra parte, ya estamos pensando en que lugares de la Antártida haremos pruebas. Una de las localizaciones que mejor nos iría está a 5 kilómetros de la base, detrás de una montaña. El problema de esta localización es que, al estar tan cerca transmisor y receptor, el receptor recibirá una onda superficial (transmisión que se propaga por encima de la superficie). Esta onda podría interferir con la transmisión que efectuamos a través de rebote ionosférico, por lo que debemos evitarlo dentro de lo posible. Para ello próximamente haremos diferentes pruebas en el laboratorio de Cambrils para determinar el efecto de la onda superficial en nuestro sistema.

Finalmente, en el laboratorio de Cambrils tenemos una novedad, hace pocos días instalamos una nueva antena, una V invertida. Esperamos poder comparar el comportamiento de esta antena frente al dipolo que instalamos hace tiempo. Os dejamos una foto la nueva adquisición!

V invertida en el laboratorio de Cambrils

Por otra parte, como el tiempo que requieren los ordenadores para hacer crecer la base de datos es largo, decidimos trabajar paralelamente en el transmisor y receptor a tiempo real. Antes las tramas que enviábamos las creábamos y modulábamos a través de Matlab y las cargábamos en nuestro transmisor para que las emitiera en diferentes horas del día. Durante estos días creamos el transmisor, siendo capaz de leer los datos que introducimos, modularlos y enviarlos al receptor. En estos momentos trabajamos en crear el receptor para que reciba correctamente las tramas y las demodule correctamente. Para ello además estamos definiendo como deben ser las tramas para que sean lo más sencillas y robustas.

Aunque no tengamos los resultados intentaremos ir actualizando el blog más a menudo, ¡una vez por semana!

Nuestro sistema demodulando las tramas

Esperamos poder informaros de nuestro progreso cuanto antes mejor!

Plataforma Red Pitaya

Investigadores Josep M. Masó y Joaquim Porté en el laboratorio de Cambrils

En breve mucha más información….

En este proyecto hay muchas cosas interesantes que investigar. Por este motivo, el profesor Joan Lluís Pijoan quiere ofrecer a los alumnos de la Salle la posibilidad de hacer el proyecto de fin de carrera participando en el Proyecto Antártico. Actualmente aun quedan por cubrir estos proyectos:

• Proyecto 1: Transmisión de señal multiportadora OFDM para el canal antártico.

Este proyecto consiste en simular en Matlab un emisor y un receptor OFDM y demodular la señal real recibida del canal de comunicación Antártida-España.

• Proyecto 2: Estudio de la diversidad de polarización en canales antárticos.

Consiste en hacer un estudio de sistemas MIMO (múltiples antenas) en enlaces HF de alta velocidad, recibiendo simultáneamente la señal en polarización vertical y horizontal.

• Proyecto 3: Transmisión de señal en espectro ensanchado para el canal antártico.

Consiste en simular un emisor y un receptor de espectro ensanchado para una secuencia DS-SS y demodular la señal real recibida del canal de comunicación Antártida-España.

Cualquier interesado en participar puede contactar con Joan Lluís o Joan Ramon Regué.

La foto de este post es de la campaña pasada. Nos faltó un proyectista y lo tuvimos que crear nosotros mismos, con nieve. Lastima que aunque aguantaba bien el frio su rendimiento no fuera el esperado.