海洋分野における電気電子技術 ~ 水中音響通信に関する研究紹介 ~ 2018 年 7 月 19 日平成 30 年度第 2 回北見工業大学研究交流会北見工業大学電気電子工学専攻集積システム研究室吉澤真吾 学外公開用にスライド資料を改訂しました
無線通信が利用される空間 陸上 ( スマートフォン, テレビ ) 海上 ( 船舶 ) 上空 ( 航空機, ドローン ) 宇宙 ( 人工衛星, 宇宙探査機 ) 海中!? 潜水艦 有人探査機 AUV ( 自律型無人潜水機 ) ROV ( 遠隔操作型無人探査機 ) 無線通信技術としては最も難しい ROV (BlueROV2) 写真は水中ドローン社パンフレット ( 製造元 bulerobotic.com) より引用
水中無線通信技術 電磁波可視光音波 通信範囲 10 m 30 m 2 km 伝送レート 100 kbps 10 Mbps 10 kbps 指向性広狭広 通信方向水平 空中鉛直水平 鉛直 妨害要因 吸収減衰 ( 海水が導体 ) 濁度 太陽光 反射による妨害ドップラーシフト ASV 電磁波 可視光 音波 それぞれの長所 短所に応じて使い分ける ROV
水中音響通信の研究 浅海域 ( 港湾 ) での水中音響通信技術の開発 周囲から反射した音波が干渉 ( マルチパス ) 送受信機の相対速度の影響 ( ドップラーシフト ) 移動直接波 遅延波 周波数が変化 マルチパス ドップラーシフト
試験装置開発 ハイドロフォン,PC, AD/DA, 増幅器で構成 変復調処理や通信性能測定などをソフトウェア上で行う 搬送波周波数 30~60 khz, 伝送レート 50 kbps 通信距離最大 3 km ハイドロフォン PC アンプ (D/A) ハイドロフォン アンプ コンピュータ 音波送受 PC アンプ (A/D) ハイドロフォン
装置開発の歴史 2014 年 2015 年上期 2015 年下期 2016 年 ~ 6
ハイドロフォン 水中の音圧変化を電圧に変化するセンサ 原理はマイクロフォンと同じで圧電素子を用いる 逆変換 ( 電圧から音圧 ) も可能 水中音響通信はハイドロフォンで音波を送受し 電気信号で変復調を行う 金属ケース ゴム ( 音響インピーダンス整合 ) 音圧 電圧変換 圧電素子 ハイドロフォンの構造 Aquarian Audio H1a
試験ソフトウェア プログラミングに詳しくない人でも試験が行えるように GUI 化 研究では信号処理部での通信方式やアルゴリズムを改良する 8
マルチパス対策 (1) 周波数領域等化 遅延波による干渉成分を周波数領域での除算で取り除く 送信信号をインパルス信号としたときの等化例 H 1 (f) DFT{h 1 (t)} h 1 (t) 既知 ( トレーニング ) 信号 h 2 (t) H 2 (f) f IDFT{H 2 (f)/h 1 (f)} = δ(t) t 直接波 遅延波 DFT{h 2 (t)} 未知信号 f 直接波 ( インパルス信号 ) を復元 t マルチパス下の受信信号 周波数領域で各周波数毎に除算し, 時間領域に戻す
長遅延波の干渉対策 マルチパス対策 (2) 信号切り出し位置を変えることで遅延波干渉を軽減 遅延波の到来時間は未知なので受信タイミングをブランチとしたレイク受信を行う 長遅延波 周波数領域等化 干渉成分が残る h 1 (t) h 2 (t) t t 長遅延波 周波数領域等化 送信信号を復元可能 h 1 (t+t ) h 2 (t+t ) t t 信号切り出し位置を前方にシフト
Amplitude Amplitude 水中音響伝搬測定 港湾試験 (1) 遅延プロファイル測定の様子 水平方向通信なので岸壁からの反射が顕著に表れる 0.5 送波器 Link B Link A 送波器 受波器 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time (s) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Link A 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Time (s) Link B 遅延プロファイル ( 縦軸は振幅 )
Data Rate [kbps] 港湾試験 (2) 従来方式と提案方式を同一信号処理部に実装しての比較 提案方式が実伝送レートで約 2~5 倍向上させることを確認 提案方式 C (100 m) B (80 m) A (40 m) 12 10 OFDM OFDM & DSRake 8 S2C Transmitter (TX) Receiver (RX) RX 6 4 SS E (180 m) D (140 m) Okhotsk Tower (Mombetsu, Hokkaido) 2 0 A B C D E TX Location 送受波器配置図 ( 北海道紋別市オホーツクタワー周辺 ) 実伝送レートの比較 ( フレーム誤り率を基に算出 )
ドップラー対策 (1) 従来技術 音響通信装置が一定速度で動くときのみ 提案技術 音響通信装置が不規則に動くときにも対応 不規則運動 反射波 Time A Time B 移動方向 直接波 移動方向 反射波 従来技術 ( ドップラー広がり対応 ) 提案技術 ( ドップラー変動対応 ) 13
頻度 ドップラー対策 (2) ドップラーシフトはばらつきの影響大 不均一移動速度やマルチパスによる影響 ドップラーシフト補正量をブランチとしたレイク受信を行う 100 80 海域試験で観測した 1 フレーム内のドップラーシフトばらつき例 Sampling Conversion Branch Selector 60 Ratio Δ 1 Receiver 40 Ratio Δ 2 Receiver Data 20 平均 最頻値 Ratio Δ 3 Receiver 0-300 -250-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 250 ドップラーシフト量 [Hz] リサンプリングレートをブランチとする
CNR [db] Speed [km/h] BER BER BER ドップラー試験 音響通信装置を船で蛇行運動しながら牽引 提案法は安定した通信を実現 1 10-2 Baseline 送信機 0 1 10-2 0 1 10-2 20 40 60 80 100 120 Resampling (P=0) 20 40 60 80 100 120 Resampling (P=5) 従来法 提案法 受信機 0 5 0-5 30 20 40 60 80 100 120 20 40 60 80 100 120 通信誤り (BER) が 0 20 10 20 40 60 80 100 120 Frame Number 15
音波伝搬モデリング 音響通信性能をシミュレーションで推定するにはマルチパス ( 多重反射 ) やドップラーを正確にモデリングする必要がある 高精度な音波伝搬モデリングを行い実測と比較評価 送信 (TX) 受信 (RX) t インパルス入力 送信信号 送信 ハイドロフォン特性 x(t) 音波伝搬モデリング 伝送路 a(t) h(t) n(t) 通信シミュレーション 雑音 インパルス応答 h(t) 受信 受信信号 y(t) t
Distance [m] h(t) [db] Distance [m] h(t) [db] 測定試験 インパルス応答をシミュレーションと実測結果で比較 一致する 異なる箇所での要因を考察 x 間隔 0.2 ~18.4 m (0.2m 刻み ) Time [ms] シミュレーション結果 反射波の到来時間差 20 m 送波 受波 y Time [ms] 実測結果 17
x [m] x [m] 通信性能の解析 音波伝搬モデリングを用いて送受信機位置を変えたときの通信性能を評価 音場サイズ 送信機 受信機位置を指定 3.5 3 2.5 実効伝送レート [kbps] TX 18 16 14 12 2 4 2 1.5 10 8 6 2 Source Receiver 35 40 1 0.5 3.5 横方向壁面反射率 0.7 5 10 15 20 25 30 35 y [m] 4 2 0 18 16 A 鏡像法による音線追跡 3 2.5 TX 14 12 2 10 1.5 8 6 A A B 1 0.5 横方向壁面反射率 0 5 10 15 20 25 30 35 y [m] 4 2 0 18
水中ドローン組み込み型装置開発 低価格水中 ROV ( < 100 万円 ) 水中 ROV を用いた新規事業が立ち上がり中 水中撮影 海洋工事調査 学術調査委託など 自分で組み立て カスタマイズ可能 (DIY) 測位装置 高精度カメラ ソナーなど BlueROV2 この部分に音響装置を収納する予定 ROV 組み立ておよび実地調査 SIX VOICE 社 ( 屋号 : 水中ドローン社 ) Facebook より引用 https://ja-jp.facebook.com/underwaterdrone/ 19
まとめ 海洋分野における電気電子技術 新規技術で新しい産業が生まれる余地あり 普及には低コスト化が重要 水中音響通信に関する研究 水中音響通信におけるマルチパス ドップラー対策 音波伝搬モデリング 水中ドローン組み込み型装置開発 20