Advanced Signal Processing for High-Speed and High-Reliability Communications in Highly Doubly Selective Underwater Acoustic Channel

• Project/Area Number: 23K22752
• Project/Area Number (Other): 22H01481 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉浦 慎哉 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (30394927)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 水中通信 / 音響通信 / 二重選択性伝搬路 / ドップラー効果 / 非直交リソース配分

Outline of Research at the Start

次世代通信で掲げられているサービスエリア全域化のため、水中音響通信の高度化が重要である。音波帯域は狭く伝送レートが低い上に、厳しい時間および周波数選択性フェージング伝搬路の影響を受ける。本研究では非直交信号伝送を水中音響通信に向けて開発・発展させることで、これらの本質的課題解決を図る。以上により、海中音響通信の根本的な課題を克服し、将来の海洋利用を実用的なものとすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

初年度は、水中音響通信を対象として非直交信号伝送送受信機および関連するディジタル信号処理を考案した。特に、ナイキスト基準を超える (faster-than-Nyquist; FTN) 信号伝送という時間領域で情報シンボルを非直交多重する信号を用いることで、シンボル間隔を削減してドップラー効果への耐性を向上しうることに着目した。周波数選択性伝搬路によるシンボル間干渉の影響を除去可能な対角化非直交信号伝送モデルをベースとして送受信機を構成し、伝搬路モデルにダブルセレクティブ伝搬路を組み込み、シンボル間干渉除去とドップラー耐性強化を両立できる送受信信号処理を提案した。数値解析により、提案方式において固有値分解に基づく対角化を用いることでシンボル間干渉を除去し、高い受信性能を得ることを確認した。さらに、提案方式の基本特性を解析し、従来方式の直交多重に基づく信号伝送に対する優位性を確認した (IEEE Wireless Communications Letters)。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

FTN信号伝送に基づく高いドップラー耐性を実現する送受信信号処理の開発については、第一次設計を完了しIEEE論文誌へ投稿済みである。したがって、概ね順調であると判定できる。

Strategy for Future Research Activity

初年度に開発した信号処理に加えて、非直交システム特有の高い設計自由度と通信性能を達成しながら、現実的な演算量と通信遅延を維持するためのアルゴリズムを開発する。

Research Products

• [Journal Article] Precoded Filterbank Multicarrier Index Modulation With Non-Orthogonal Subcarrier Spacing (2023)
  • Author(s): Chaki Prakash, Ishihara Takumi, Sugiura Shinya
  • Journal Title: IEEE Transactions on Communications Volume: 71 Issue: 2 Pages: 700-713
  • DOI: 10.1109/tcomm.2022.3228307
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Precoded Faster-Than-Nyquist Signaling for Doubly Selective Underwater Acoustic Communication Channel (2022)
  • Author(s): Zhou Jingwen, Ishihara Takumi, Sugiura Shinya
  • Journal Title: IEEE Wireless Communications Letters Volume: 11 Issue: 10 Pages: 2041-2045
  • DOI: 10.1109/lwc.2022.3192795
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Study on Underwater Acoustic Communications Using Faster-Than-Nyquist Signaling (2022)
  • Author(s): Jingwen Zhou, Takumi Ishihara, Shinya Sugiura
  • Organizer: 電子情報通信学会通信ソサイエティ大会
• [Presentation] Power-Domain-Multiplexed Precoded Faster-Than-Nyquist Signaling for NOMA Downlink (2022)
  • Author(s): Prakash Chaki, Shinya Sugiura
  • Organizer: IEEE Global Communications Conference
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 杉浦研究室ホームページ
  • URL: http://sgurlab.iis.u-tokyo.ac.jp/