2021 Fiscal Year Research-status Report
Experimental Verification of Retrodirective Transmit Beamforming in Underwater Acoustic Communication
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20K04477
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| Research Institution | Kitami Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉澤 真吾 北見工業大学, 工学部, 准教授 (20447080)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水中音響通信 / 到来方向推定 / ビームフォーミング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水中音響通信は自律型無人潜水機(AUV)や遠隔操作無人探査機（ROV）のデータ収集や遠隔制御などに利用される。水中音響通信は電磁波通信と同様にデジタル変調技術(OFDMやマルチユーザMIMOなど)を駆使した通信の高度化が進められている。無線通信信号処理では限られた送信エネルギーで効率的に遠距離通信を行う方法としてビームフォーミングがある。ビームフォーミングは素子アレイを用いて特定の方向に波のエネルギーを集中させる手法であり，水中音響通信では通信距離の延長や音波反射干渉の低減が可能となる。ただし、水中音響通信分野におけるビームフォーミングは受信ビームフォーミングに関する内容がほとんどであり、送信ビームフォーミングに関する研究はあまり行われていない。
本研究では水中音響通信において送信・受信フォーミングの両方を用いた音波の指向制御により、遠距離でも安定した通信を可能とするレトロディレクティブ方式の検討や実験検証を行う。レトロディレクティブ方式は互いの端末で信号の到来方向を推定し、その到来方向に向けて音波の指向制御を行う方式である。レトロディレクティブ方式は宇宙太陽発電所から地上局にマイクロ送電する方法としても知られている。
2021年度は双方の端末が複数の送受波器を有する双方向レトロディレクティブ方式の理論検討やシミュレーションおよび実測試験での検証を行い、見通し内および見通し外通信においてその有効性を確認した。また、見通し外通信ではガードインターバルを超える長遅延波の干渉を低減するために受信ビームフォーミングとRAKE受信を組み合わせたOFDM方式の受信機構成を提案し、その効果をシミュレーションで確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
双方向レトロディレクティブ方式では、双方の端末は複数の受波器を有し、送信・受信ビームフォーミングを繰り返しながらビーム指向制御を行う。双方の端末をそれぞれ、ローカル端末、リモート端末と呼ぶとき、最初にリモート端末からランダムな方向でビーム送信を行われる。次にローカル端末は受波器アレイで受信した信号に対して到来方向推定を行い、到来角を求める。ローカル端末は逆方向にビーム送信を行い、リモート端末も同様に到来方向推定とビーム送信を行う。この手順を繰り返すことでビーム方向の最適化や通信特性の改善が行われる。
音波伝搬シミュレータやOFDM方式通信モデルを用いて双方向レトロディレクティブ方式のシミュレーション検証を行い、そのシミュレーションと同様の通信条件で実測試験を行った。ビーム方向の最適化が完了するのに多くの繰り返しが行われると予想していたが、実際には2回で十分であり、3回目以降は通信特性があまり改善しないことが判明した。見通し外通信では双方の端末位置ではなく、音波が反射する壁面上の点に合わせたビーム指向制御が必要となるが、双方向レトロディレクティブ方式でも上記のビーム方向最適化が行われることを確認できた。
リモート端末とローカル端末間で直接波が伝搬しない見通し外通信では、水面や水底、壁で反射した波のみが受信機に到達する。反射波の経路が複数あるときに反射波の到達時間差が大きいときにガードインターバルを超える遅延波干渉を受けるという問題があった。この遅延波干渉を低減するため、受信ビームフォーミングとRAKE受信を組み合わせる方法を導入し、その効果を検証した。シミュレーションによる検証では、受信ビームフォーミングとRAKE受信を組み合わせた手法は空間ダイバーシチ受信よりもOutput SNRやビット誤り率特性で優れること確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の研究では送信・受信ビームフォーミングを組み合わせた双方向レトロディレクティブ方式のシミュレーションや試験評価を実施した。送波器や受波器アレイは素子を直線上に並べた線形アレイを用いているが、2022年度の研究では素子を円状やL字型などアレイ種類を変更した検証を行う。また、線形アレイは双方の端末でアレイ面が向かい合った場合で最も効果を発揮するが、実際の通信ではアレイ面の向きは未知である。このため、アレイ面を様々な方向に変えたときのシミュレーション検証や実測試験を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
当初計画では国際会議や国内研究会の出張旅費を計上していたが、全ての学会発表がオンライン形式であったため、当初の想定よりも旅費の支出が少なくなった。多くの実証データを得るために2022年度に追加の実測試験を行う。海域や水槽施設での実測試験を行うための試験治具費や出張旅費に充てる予定である。
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