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光波長適応変調技術を用いた多元接続型海中ワイヤレス給電通信技術に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 21K04057
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分21020:通信工学関連
研究機関茨城大学

研究代表者

小澤 佑介  茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (20634215)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード海中ワイヤレス給電通信 / 可視光通信 / SLIPT / 多元接続技術 / 空間分割技術 / 光符号分割多元接続技術 (OCDMA) / 直交周波数分割多元接続 (OFDMA) / 適応変調技術 / 可視光ワイヤレス給電通信 / 海中可視光通信 / 多元接続型可視光ワイヤレス給電通信 / 光符号分割多元接続 / 多元接続方式 / 海中無線通信 / 海中高速無線ネットワーク / 水中可視光通信 / ワイヤレス給電 / マルチアクセス
研究開始時の研究の概要

本研究では、海底国際資源の探索・発掘作業を円滑に進めるために複数の海中ドローンや海中センサ等に対して、可視光を用いたワイヤレス通信/ワイヤレス給電(ワイヤレス給電通信)の同時実現を目指している。この目的を達成するために、光の指向性を利用した空間分割技術を軸とした多元接続方式を提案し、理論解析及び評価により、提案手法の有効性を明らかにする。さらに、基礎実験により理論解析モデルの有用性を検証することで、多元接続型海中可視光ワイヤレス給電通信技術の基礎理論モデルを構築する。

研究実績の概要

本研究では、海底国際資源の探索・発掘作業を円滑に進めるために、複数の海中ドローンやセンサーに対して、可視光を用いたワイヤレス通信・ワイヤレス給電を同時に実現する多元接続型海中可視光ワイヤレス給電通信(多元接続型海中SLIPT)の基礎理論構築を目的としています。この目的達成のため、4つの課題に取り組みました:(A)空間分割技術を基盤とした多元接続型SLIPT技術の理論解析(R03年度課題)、(B)推定海中空間チャネル状態に応じた適応変調技術の理論解析(R03-R04年度課題)、(C)光波長適応変調技術を用いた多元接続型SLIPT技術の理論解析(R04年度課題)、(D)(A)から(C)の基礎実験評価系製作と通信・給電性能の基礎的実験評価(R05年度課題)です。

昨年度から進捗がやや遅れており、今年度は特に課題(A)と(B)に注力しました。課題(A)では、複数LED/PDを用いたダイバーシティ送受信機の最適化を行い、平均信号対雑音比(SNR)が最大となるようにLEDの半値角やフォトダイオード(PD)の視野角(FOV)を個別に最適化するアルゴリズムを提案し、従来の一様最適化と比べて平均SNRを向上させました。

課題(B)では、様々な波長帯に対する海中光伝搬特性の導出と、複数波長を用いた適応変調技術の解析、浅海太陽光雑音を考慮したSLIPT性能の解析を行いました。具体的には、モンテカルロ・シミュレーションを用いて青色、赤色の海中光伝搬特性を導出し、赤・青・緑の波長を用いたSLIPTシステムの性能解析を行いました。その結果、水質が良好な場合は青色・緑色の単色使用が、劣化した場合は緑色・赤色の2波長使用が最適であることが示されました。また、太陽光雑音が大きい昼間の浅海において、SLIPT受信機の最適化により通信品質を保ちつつ給電性能を向上できることが確認されました。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

本研究では、R3年度・R4年度に目標としていた課題(A)と課題(B)の達成に想定より多くの時間を要したため課題(A)(B)の知見を必要とする課題(C)光波長適応変調技術を用いた多元接続型SLIPT技術の理論解析の検討が十分進んでいない。とくに当初予定より遅れた理由としては、様々な海中環境に応じたダイバーシティ送受信機及びSLIPTシステムの最適化に時間を要したためである。とくに、海中環境については新たに緑色以外の海中光伝搬特性について検討されておらず、新たにシミュレーションを通じて導出したため時間を要した。十分に考慮されておらず、その導出海中環境の様々な多元接続通信と融合設定した空間分割技術とOCDMA・OFDMAを用いた多元接続型海中SLIPT技術の提案とその性能評価を完了しました。具体的には、海中での通信性能と給電性能の両方を評価するためのシミュレーションモデルを構築し、初期の実験結果から高い電力効率と安定した通信性能を確認しました。また、海中クロロフィル濃度に基づいた適応変調技術の理論解析も進め、これにより海中状況に応じた最適な波長選択が可能であることを示しました。今後は、ここまでの知見を活かし、課題(C)に取り組む予定である。

今後の研究の推進方策

今後の研究では、今年度までの成果を基にさらなる課題(C)光波長適応変調技術を用いた多元接続型SLIPT技術の理論解析を進める。特に、海中環境の変動に対する光波長適応変調技術を用いた多元接続方式(光符号分割多元接続方式(OCDMA)、光直交周波数分割多元接続方式(OFDMA))について検討を進める。また、多元接続する複数の海中ドローンやセンサーの配置、及び所望海中通信ネットワークサイズについても検討を行い、その際の所望通信特性を満たす通信エリアカバー率等の導出を行う。
また、これまでの理論解析・評価の検証のために、複数の送受信機を制作を行い、複数端末接続時の通信・給電性能について実験的評価を行う予定である(課題(D))。ただし、本研究課題では基礎実験の段階であり、まずは地上での実施を予定している。

報告書

(3件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (13件) (うち査読あり 13件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件)

  • [雑誌論文] (2,2)しきい値秘密分散法を用いる拡張VN-CodeSK照明光通信方式2023

    • 著者名/発表者名
      幡豆 亮平、小澤 佑介、羽渕 裕真
    • 雑誌名

      電子情報通信学会論文誌B 通信

      巻: J106-B 号: 8 ページ: 594-602

    • DOI

      10.14923/transcomj.2022JBP3042

    • ISSN
      1881-0209
    • 年月日
      2023-08-01
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enhancement of Optimized CSK for USLIPT2023

    • 著者名/発表者名
      Yoshinaga Honoka、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. of 2023 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM 2023)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/globecom54140.2023.10436855

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optimal FOV of Angular Diversity Receiver for Underwater Visible Light Communications2023

    • 著者名/発表者名
      Matsunaga Keigo、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. of 2023 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/iscas46773.2023.10181760

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical analysis of underwater simultaneous light Information and power transfer using inverted N parallel code shift keying with power splitting reciver2023

    • 著者名/発表者名
      Koshimoto Masao、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. of 2023 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/iscas46773.2023.10181708

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Study of PDs Arrangement for LED based Underwater Visible Light Communication with Angular Diversity Receiver in shallow water2022

    • 著者名/発表者名
      Keigo Matsunaga; Yusuke Kozawa; Hiromasa Habuchi
    • 雑誌名

      IEICE Proceeding Series

      巻: 72 ページ: O4-4

    • DOI

      10.34385/proc.72.O4-4

    • ISSN
      2188-5079
    • 年月日
      2022-11-29
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of Synchronous Timing Gap on Energy-Efficient MC-CDMA On-Demand WSNs Using Packet Combining Scheme2022

    • 著者名/発表者名
      Suetake Masanori、Li Gen、Habuchi Hiromasa、Kozawa Yusuke
    • 雑誌名

      信号処理

      巻: 26 号: 4 ページ: 107-110

    • DOI

      10.2299/jsp.26.107

    • ISSN
      1342-6230, 1880-1013
    • 年月日
      2022-07-01
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] RGB-Based Secret Sharing Illumination-Light Communications With VN-CodeSK2022

    • 著者名/発表者名
      Hazu Ryohei、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. IEEE 11th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/gcce56475.2022.10014152

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Search-Area Partitioning Approach to Optical Fingerprint Positioning System2022

    • 著者名/発表者名
      Ogawa Daisuke、Ochiai Yuta、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. IEEE 11th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/gcce56475.2022.10014043

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Design of xASK-CodeSK system for Simultaneous Visible Light Wireless Information and Power Transfer2022

    • 著者名/発表者名
      Ichitsuka Yu、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proc. IEEE 11th Global Conference on Consumer Electronics (GCCE)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/gcce56475.2022.10014228

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical analysis of selective variable rate multi-pulse pulse position modulation for visible light communications2021

    • 著者名/発表者名
      Iwase Tatsuhiko、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 24th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/wpmc52694.2021.9700459

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Chlorophyll concentration-based CSK constellation point design for underwater SLIPT with priority on communication performance2021

    • 著者名/発表者名
      Kogo Takuma、Kozawa Yusuke、Habuchi Hiromasa
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 24th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/wpmc52694.2021.9700409

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical analysis of received optical intensity of underwater image sensor based visible light communications using RGB-LEDs2021

    • 著者名/発表者名
      Yokoo Kazune、Kozawa Yusuke、Sawa Takao
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 24th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/wpmc52694.2021.9700471

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Recognition of 2D LEDs array pattern for underwater image sensor communication by R-CNN2021

    • 著者名/発表者名
      Sawa Takao、Kozawa Yusuke、Goto Shinpei、Takeuchi Tomoaki、Shibagaki Taro
    • 雑誌名

      Proceedings of 2021 24th International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC)

      巻: 1 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1109/wpmc52694.2021.9700422

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 角度ダイバーシティ送受信機を用いた水中可視光通信におけるパラメータ最適化に関する一検討2023

    • 著者名/発表者名
      松永彗吾・小澤佑介・羽渕裕真
    • 学会等名
      電子情報通信学会ワイドバンドシステム研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 電力分割型水中可視光ワイヤレス給電通信に対する送信光波長選択に関する一検討2023

    • 著者名/発表者名
      吉永帆花・小澤佑介・羽渕裕真
    • 学会等名
      電子情報通信学会ワイドバンドシステム研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 空間変調によるデジタル制御型CSK方式の通信路容量増大に関する一検討2023

    • 著者名/発表者名
      石塚直己・小澤佑介・羽渕裕真
    • 学会等名
      電子情報通信学会革新的無線通信技術に関する横断型研究会 (MIKA)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 時間分割型USLIPTにおける最適CSK信号点空間拡張に関する検討2022

    • 著者名/発表者名
      向後拓磨・小澤佑介・羽渕裕真
    • 学会等名
      電子情報通信学会ワイドバンドシステム研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 水中可視光通信のための角度ダイバーシティ受信機を用いた背景光雑音軽減法に関する検討2022

    • 著者名/発表者名
      松永彗吾・小澤佑介・羽渕裕真
    • 学会等名
      電子情報通信学会ワイドバンドシステム研究会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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