(57)【要約】【課題】水中における空間多重伝送の効率を向上させることが可能である水中音響通信システム及び受信装置を提供する。【解決手段】水中音響通信システムは、Ｎ個の送波器を有する送信装置と、受信装置とを備える水中音響通信システムであって、受信装置は、音波を利用してＮ個の送波器から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の受信信号系列を受信するＭ個の受波器と、受信されたＭ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧し、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列をＭ個の受信信号系列から生成するビームフォーマと、生成されたＬ個の信号系列に基づいてＮ個の送信信号系列を推定する信号推定部とを備える。【選択図】図１
2020088575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の送波器を有する送信装置と、受信装置とを備える水中音響通信システムであって、
前記受信装置は、
音波を利用してＮ個の前記送波器から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の受信信号系列を受信するＭ個の受波器と、
受信されたＭ個の前記受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧し、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列をＭ個の前記受信信号系列から生成するビームフォーマと、
生成されたＬ個の前記信号系列に基づいてＮ個の前記送信信号系列を推定する信号推定部と
を備える水中音響通信システム。
【請求項２】
前記送波器の間隔と前記受波器の間隔とが乗算された結果の値は、前記音波の波長と前記送波器及び前記受波器の間の距離とが乗算された結果の値が、前記受波器の個数で除算された結果の値の整数倍である、
請求項１に記載の水中音響通信システム。
【請求項３】
前記Ｎ個の送波器は、前記送信装置が水底付近に設置される場合、水面に向かう音波の指向性を有し、
前記Ｍ個の受波器は、前記受信装置が水面付近に設置される場合、水底から到来する音波の指向性を有する、
請求項１又は請求項２に記載の水中音響通信システム。
【請求項４】
前記Ｎ個の送波器は、前記送信装置が水面付近に設置される場合、水底に向かう音波の指向性を有し、
前記Ｍ個の受波器は、前記受信装置が水底付近に設置される場合、水面から到来する音波の指向性を有する、
請求項１又は請求項２に記載の水中音響通信システム。
【請求項５】
前記ビームフォーマは、前記マルチパス波の受信電力を抑圧する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水中音響通信システム。
【請求項６】
前記ビームフォーマは、前記直接波の信号電力対干渉雑音電力比を高くする、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水中音響通信システム。
【請求項７】
音波を利用してＮ（Ｎは２以上の整数）個の送波器から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の受信信号系列を受信するＭ個の受波器と、
受信されたＭ個の前記受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧し、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列をＭ個の前記受信信号系列から生成するビームフォーマと、
生成されたＬ個の前記信号系列に基づいてＮ個の前記送信信号系列を推定する信号推定部と
を備える受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中音響通信システム及び受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中音響通信では、搬送波となる音波に利用可能である周波数帯域が限られている。通信を高速化するため、水中音響通信システムは、音波を送信する複数の送波器を利用して、複数の信号系列を空間多重する場合がある。水中音響通信システムは、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）技術を利用して、複数の信号系列を効率的に空間多重する場合がある。
【０００３】
無線ＬＡＮ（Local Area Network）等の空中の無線通信では、ＭＩＭＯ技術は広く利用されている。無線通信における、１パケットの信号系列を受信装置が受信する時間内では、無線通信の伝搬路はほぼ変動しない。このため、無線通信の伝搬路応答を推定するためのプリアンブルは、信号系列のパケットの先頭に配置されている。無線通信システムは、信号系列のパケットの先頭に配置されたプリアンブルに基づいて、無線通信の伝搬路応答を推定することが可能である。
【０００４】
水中音響通信では、搬送波となる音波に利用可能である周波数帯域が限られているので、水中音響通信の信号系列のパケット長は、空中の無線通信の信号系列のパケット長よりも長い。しかしながら、音波の伝搬速度は、電波の伝搬速度よりも極端に低速である。このため、水中音響通信の信号系列の音波の波長に対するパケット長は、無線通信の信号系列の電波の波長に対するパケット長よりも極端に短い。水中音響通信では、１パケットの信号系列を受信装置が受信する時間内で、水中音響通信の伝搬路は大きく変動する。このため、従来の水中音響通信システムは、信号系列のパケットの先頭に配置されたプリアンブルに基づいて、水中音響通信の伝搬路応答を推定することができない場合がある。
【０００５】
周波数軸上に配置されたＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）のパイロット・サブキャリアの間の信号系列を水中音響通信システムが補完し、信号系列のシンボルごとに水中音響通信システムが水中音響通信の伝搬路応答を推定する方法が開示されている（非特許文献１参照）。
【０００６】
図５は、従来の水中音響通信システム１ａの構成例を示す図である。水中音響通信システム１ａは、送信装置２ａと、受信装置３ａとを備える。送信装置２ａは、変調部と、Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個の送波器を備える。以下、送信される信号系列を「送信信号系列」という。以下、受信された信号系列を「受信信号系列」という。変調部は、Ｎ個の送信信号系列を変調することによって、Ｎ個の変調信号を生成する。Ｎ個の送波器は、Ｎ個の変調信号を音波に変換する。Ｎ個の送波器は、音波を搬送波として利用して、Ｎ個の変調信号を水中に放射する。
【０００７】
受信装置３ａは、Ｍ（Ｍは、２以上の整数）個の受波器と、推定部と、復調部とを備える。Ｍ個の受波器は、受信された音波を、Ｍ個の受信信号系列に変換する。推定部は、Ｎ個の送波器からＭ個の受波器までの間の伝搬路応答を、Ｍ個の受信信号信号に基づいて推定する。復調部は、推定された伝搬路応答に基づいて、Ｎ個の送信信号系列をＭ個の受信信号信号から復調する。
【０００８】
非特許文献１では、水中音響通信システムは、特定の周波数領域における位相振幅応答を計測する。水中音響通信システムは、計測結果に対して逆高速フーリエ変換を実行することによって、計測結果を時間領域における位相振幅応答に変換する。水中音響通信システムは、時間領域に変換された計測結果に基づいて、時間領域における伝搬路応答を推定する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】B. Li, J. Huang, S. Zhou, K. Ball, M. Stojanovic, L. Freitag, and P. Willett, “MIMO-OFDM for High-Rate Underwater Acoustic Communications,” IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING, VOL. 34, NO. 4, OCTOBER 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図６は、パイロット信号の直接波信号とパイロット信号のマルチパス波との例を示す図である。横軸は周波数（サブキャリア番号）を表す。縦軸は受信電力を表す。図６には、パイロット信号の直接波信号２００と、パイロット信号のマルチパス波信号２０１〜２０２と、データ信号３００〜３０３とが示されている。送波器から送信された音波は、反射及び回折によって、様々な経路（マルチパス）で受波器に到来する。このため、音波の到来角度は、音波の経路ごとに異なっている。送信装置又は受信装置が移動する場合、それぞれ独立のドップラー変動が音波に発生する。
【００１１】
水中音響通信では、音波の伝搬速度が非常に遅く、ドップラー変動は非常に大きい。このため、一定以上の周波数又は移動速度では、パイロット・サブキャリア（パイロット信号）のマルチパス波信号２０１〜２０２は、データ信号３００〜３０３の伝送に利用されている隣接するサブキャリアに漏れ込む。この場合、従来の水中音響通信システムは、伝搬路応答を精度よく推定することができないという問題があった。
【００１２】
なお、広いサブキャリア間隔が確保された場合、隣接するサブキャリアにマルチパス波信号が漏れ込むことは回避できる。しかしながら、ＯＦＤＭのシンボル長が短くなるため、従来の水中音響通信システムは、水中音響通信における長い遅延波の到来方向を推定することができないという問題があった。
【００１３】
このように、音波を利用して信号系列を送信する送信装置と、送信された信号系列を受信する受信装置とが水中音響通信を実行する場合、信号系列のマルチパス波が周波数軸上で複数のサブキャリアを跨ぐ場合がある。例えば、送信装置若しくは受信装置が水中を移動する場合、又は、送信装置及び受信装置が数十ｋｂｐｓ以上の水中音響通信を実行する場合、従来の水中音響通信システムは、水中音響通信の伝搬路応答を精度よく推定することができない。水中音響通信の伝搬路応答が精度よく推定されない場合、従来の水中音響通信システムは、水中における空間多重伝送の効率を向上させることができないという問題がある。
【００１４】
上記事情に鑑み、本発明は、水中における空間多重伝送の効率を向上させることが可能である水中音響通信システム及び受信装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の送波器を有する送信装置と、受信装置とを備える水中音響通信システムであって、前記受信装置は、音波を利用してＮ個の前記送波器から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の受信信号系列を受信するＭ個の受波器と、受信されたＭ個の前記受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧し、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列をＭ個の前記受信信号系列から生成するビームフォーマと、生成されたＬ個の前記信号系列に基づいてＮ個の前記送信信号系列を推定する信号推定部とを備える水中音響通信システムである。
【００１６】
本発明の一態様は、上記の水中音響通信システムであって、前記送波器の間隔と前記受波器の間隔とが乗算された結果の値は、前記音波の波長と前記送波器及び前記受波器の間の距離とが乗算された結果の値が、前記受波器の個数で除算された結果の値の整数倍である。
【００１７】
本発明の一態様は、上記の水中音響通信システムであって、前記Ｎ個の送波器は、前記送信装置が水底付近に設置される場合、水面に向かう音波の指向性を有し、前記Ｍ個の受波器は、前記受信装置が水面付近に設置される場合、水底から到来する音波の指向性を有する。
【００１８】
本発明の一態様は、上記の水中音響通信システムであって、前記Ｎ個の送波器は、前記送信装置が水面付近に設置される場合、水底に向かう音波の指向性を有し、前記Ｍ個の受波器は、前記受信装置が水底付近に設置される場合、水面から到来する音波の指向性を有する。
【００１９】
本発明の一態様は、上記の水中音響通信システムであって、前記ビームフォーマは、前記マルチパス波の受信電力を抑圧する。
【００２０】
本発明の一態様は、上記の水中音響通信システムであって、前記ビームフォーマは、前記直接波の信号電力対干渉雑音電力比を高くする。
【００２１】
本発明の一態様は、音波を利用してＮ（Ｎは２以上の整数）個の送波器から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ（Ｍは２以上の整数）個の受信信号系列を受信するＭ個の受波器と、受信されたＭ個の前記受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧し、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列をＭ個の前記受信信号系列から生成するビームフォーマと、生成されたＬ個の前記信号系列に基づいてＮ個の前記送信信号系列を推定する信号推定部とを備える受信装置である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、水中における空間多重伝送の効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態における、水中音響通信システムの構成例を示す図である。
【図２】実施形態における、受信電力が抑圧されていない直接波信号の例を示す図である。
【図３】実施形態における、受信電力が抑圧された直接波信号の例を示す図である。
【図４】実施形態における、水中音響通信システムの動作例を示すフローチャートである。
【図５】従来における、水中音響通信システムの構成例を示す図である。
【図６】従来における、パイロット信号の直接波信号とパイロット信号のマルチパス波との例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、水中音響通信システム１の構成例を示す図である。水中音響通信システム１は、水中音響通信を実行するシステムである。水中音響通信システム１は、音波を搬送波として利用する。水中音響通信システム１は、複数の送波器及び受波器を利用するＭＩＭＯ等の多重化技術によって、複数の送信信号系列を空間多重する。水中音響通信システム１は、送信装置２と、受信装置３とを備える。以下では、送信装置２及び受信装置３の間の距離（リンク距離）は、一例として、距離Ｒである。
【００２５】
送信装置２及び受信装置３の各機能部のうちの一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。送信装置２及び受信装置３の各機能部のうち一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。
【００２６】
記憶部は、例えばフラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記録媒体（非一時的な記録媒体）が好ましい。記憶部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性の記録媒体を備えてもよい。記憶部は、例えば、信号系列、プログラムを記憶する。
【００２７】
送信装置２は、複数の送信信号系列を、音波を利用して送信する装置である。送信装置２は、ＭＩＭＯ等の多重化技術によって、複数の送信信号系列を空間多重する。送信装置２は、海中等の水中（例えば、水面付近又は水底付近）に設置される。送信装置２は、空間多重された複数の送信信号系列を、音波を利用して水中に放射する。送信装置２は、変調部２０と、送波器２１−１〜２１−Ｎと、収音材２２とを備える。以下では、送波器２１同士の間隔は、一例として、距離ｄｔである。
【００２８】
変調部２０は、複数の送信信号系列を外部装置から取得する。変調部２０は、直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：OFDM）等の予め定められた変調方式によって、空間多重された複数の送信信号系列を変調する。
【００２９】
送波器２１−１〜２１−Ｎ（送信アンテナ）は、変調されたＮ個の送信信号系列（変調信号）を、音波を利用して送信する。Ｎ個の送波器２１から送信された音波は、水中を伝搬する。送波器２１は、水底付近に送信装置２が設置された場合、水底方向に放射しにくい音波の指向性を有してもよい。送波器２１は、水面付近に送信装置２が設置された場合、水面方向に放射しにくい音波の指向性を有してもよい。送波器２１は、送波器２１の背面に収音材２２を有してもよい。例えば、Ｎ個の送信信号系列を送波器２１が水面に向けて水底付近から送信する場合、Ｎ個の送波器２１は、送波器２１の水底側に収音材２２を有する。例えば、Ｎ個の送信信号系列を送波器２１が水底に向けて水面付近から送信する場合、Ｎ個の送波器２１は、送波器２１の水面側に収音材２２を有する。収音材２２は、音を吸収する素材（例えば、ゴム）である。収音材２２の形状は、例えば平面である。収音材２２は、水面又は水底による音波の反射を抑制することができる。
【００３０】
受信装置３は、ＭＩＭＯによって空間多重された複数の送信信号系列を、音波を利用して受信する装置である。受信装置３は、海中等の水中（例えば、水面付近又は水底付近）に設置される。受信装置３は、空間多重された複数の送信信号系列を、水中を介して受信する。受信装置３は、受波器３０−１〜３０−Ｍと、収音材３１と、ビームフォーマ３２と、通信線３３−１〜３３−Ｌ（Ｌは、２以上の整数）と、推定部３４と、復調部３５と、通信線３６−１〜３６−Ｎとを備える。受信装置３は、信号系列に対する信号処理の流れに関して推定部３４及び復調部３５の前段に、ビームフォーマ３２を備える。
【００３１】
以下では、受波器３０同士の間隔は、一例として、距離ｄｒである。送波器２１の間隔ｄｔと、受波器３０の間隔ｄｒとは、Ｌｏｓ−ＭＩＭＯ（Line-of-sight MIMO）の規範に従って定められてもよい。すなわち、送波器２１の間隔ｄｔと受波器３０の間隔ｄｒとが乗算された結果の値（＝ｄｔ×ｄｒ）は、音波の波長λと送波器２１及び受波器３０の間の距離Ｒとが乗算された結果の値が受波器３０の個数「Ｍ」で除算された結果の値（＝λ×Ｒ／Ｍ）の整数倍でもよい。送波器２１の間隔と受波器３０の間隔とがＬｏｓ−ＭＩＭＯの規範に従って定められている場合、水中音響通信システム１は、送波器２１の間隔と受波器３０の間隔とがＬｏｓ−ＭＩＭＯの規範に従って定められていない場合と比較して、水中における空間多重伝送の効率を向上させることができる。
【００３２】
受波器３０−１〜３０−Ｍ（受信アンテナ）は、送波器２１−１〜２１−Ｎから放射されたＮ個の送信信号系列を、音波を利用して、Ｍ個の受信信号系列として受信する。受波器３０−１〜３０−Ｍは、受信されたＭ個の受信信号系列を、ビームフォーマ３２に出力する。
【００３３】
受波器３０は、水底付近に受信装置３が設置された場合、水底方向に放射しにくい音波の指向性を有してもよい。受波器３０は、水面付近に受信装置３が設置された場合、水面方向に放射しにくい音波の指向性を有してもよい。受波器３０は、受波器３０の背面に収音材２２を有してもよい。例えば、Ｍ個の受信信号系列を受波器３０が水底付近で受信する場合、Ｍ個の受波器３０は、受波器３０の水底側に収音材３１を有する。例えば、Ｍ個の受信信号系列を受波器３０が水面付近で受信する場合、Ｍ個の受波器３０は、受波器３０の水面側に収音材３１を有する。収音材３１は、音を吸収する素材（例えば、ゴム）である。収音材３１の形状は、例えば平面である。収音材３１は、音波の水面反射又は水底反射を抑制することができる。
【００３４】
ビームフォーマ３２は、Ｌ（Ｌは２以上の整数）個の信号系列（内部信号系列）を、Ｍ個の受波器３０によって受信されたＭ個の受信信号系列の直接波（希望波）から生成する。ビームフォーマ３２は、例えば、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）等の到来方向推定処理（ブラインド処理）によって、Ｌ個の信号系列ｙｌ（ｔ）を生成する。ビームフォーマ３２は、Ｌ個の信号系列ｙｌ（ｔ）を、通信線３３−１〜３３−Ｌを介して推定部３４及び復調部３５に出力する。
【００３５】
水中音響通信では、マルチパス波の到来方向の時間変動は小さい。このため、ビームフォーマ３２は、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ等の到来方向推定処理によって、マルチパス波の到来方向を推定可能である。
【００３６】
ビームフォーマ３２は、Ｍ個の受波器３０によって受信されたＭ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波（多重到来波）を、空間的に抑圧する。ビームフォーマ３２は、到来方向推定処理によって、Ｍ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波の到来方向θ１〜θＭ−Ｌを推定する。ビームフォーマ３２は、マルチパス波を抑圧するためのウェイト行列Ｗを、式（１）及び式（２）に基づいて導出する。
【００３７】
【数１】
2020088575.tif 000003
【００３８】
【数２】
2020088575.tif 000004
【００３９】
ここで、ｎｕｌｌ（Ａ）は、この「Ａ」と直交する部分空間の直交基底を表す。ビームフォーマ３２は、式（３）のようにウェイト行列Ｗに基づいて、Ｌ個の信号系列ｙｌ（ｔ）をＭ個の受信信号系列ｘｍ（ｔ）から導出する。
【００４０】
【数３】
2020088575.tif 000005
【００４１】
図２は、受信電力が抑圧されていない直接波信号１００の例を示す図である。図２において、グラフの横軸は、搬送波である音波の周波数を示す。グラフの縦軸は、受信電力を示す。図３との比較のため、図２では、ビームフォーマ３２は、Ｍ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波の受信電力を抑圧していない。このため、マルチパス波信号１０１及びマルチパス波信号１０２は、データ信号の伝送に利用されている周波数軸上で隣接するサブキャリアに漏れ込んでいる。
【００４２】
図３は、受信電力が抑圧された直接波信号１００の受信電力の例を示す図である。図３において、グラフの横軸は、搬送波である音波の周波数を示す。グラフの縦軸は、受信電力を示す。ビームフォーマ３２は、水中の伝搬路の空間においてＭ個の受信信号系列のマルチパス波が張る部分空間の補空間（Ｍ個の受信信号系列の直接波が張る部分空間）に、音波のビームを射影する。すなわち、ビームフォーマ３２は、Ｍ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波の受信電力を抑圧する。図３では、ビームフォーマ３２は、マルチパス波信号１０１及びマルチパス波信号１０２の受信電力を抑圧する。これによって、ビームフォーマ３２は、データ信号の伝送に利用されている周波数軸上で隣接するサブキャリアにマルチパス波信号１０１及びマルチパス波信号１０２が漏れ込むことを防ぐことができる。
【００４３】
ビームフォーマ３２は、水中の伝搬路の空間においてＭ個の受信信号系列の直接波（主波）の信号電力対干渉雑音電力比（Signal-to-Interference plus Noise power Ratio：SINR）が最大となる部分空間（直接波が張る部分空間）に、音波のビームを射影してもよい。すなわち、ビームフォーマ３２は、Ｍ個の受信信号系列の直接波の信号電力対干渉雑音電力比を高くしてもよい。図３では、ビームフォーマ３２は、直接波信号１００の信号電力対干渉雑音電力比を高くしてもよい。ビームフォーマ３２は、例えば、最小平均二乗誤差法（Minimum Mean Square Error: MMSE）を実行してもよい。
【００４４】
図１に戻り、水中音響通信システム１の構成例の説明を続ける。
通信線３３−１〜３３−Ｌは、Ｌ個の信号系列を推定部３４及び復調部３５に伝送する。推定部３４（信号推定部）は、Ｍ個の受信信号系列の直接波から生成されたＬ個の信号系列に基づいて、水中の伝搬路応答を推定する。推定部３４は、水中の伝搬路応答の推定結果を復調部３５に出力する。図３に示されているように、干渉波であるマルチパス波１０１及びマルチパス波１０２をビームフォーマ１２２が抑圧することによって、隣接するサブキャリアにマルチパス波が漏れ込まなくなる。このため、推定部３４は、伝搬路応答を推定する精度を向上させることが可能である。
【００４５】
復調部３５（信号推定部）は、伝搬路応答の推定結果に基づいて、Ｎ個の送信信号系列をＬ個の信号系列から復調（信号分離）する。復調部３５が実行する復調処理は、送信信号系列に対する変調処理に応じた復調処理であれば、特定の復調処理に限定されない。図３に示されているように、干渉波であるマルチパス波をビームフォーマ１２２が抑圧することによって、隣接するサブキャリアにマルチパス波が漏れ込まなくなる。このため、復調部３５は、送信信号系列に対する変調処理に応じた任意の復調処理によって、空間多重された送信信号系列を復調することが可能となる。
【００４６】
復調部３５は、復調結果であるＮ個の送信信号系列を、通信線３６−１〜３６−Ｎを介して所定の外部装置に出力する。通信線３６−１〜３６−Ｎは、復調部３５による復調結果であるＮ個の送信信号系列を、所定の外部装置に伝送する。
【００４７】
次に、マルチパス波が抑圧された場合について、空間多重伝送における伝搬路の容量（伝送容量）の低下について説明する。
空間多重伝送における伝搬路の容量Ｃは、式（４）のように表される。
【００４８】
【数４】
2020088575.tif 000006
【００４９】
ここで、Ｐｔは、送信信号系列の送信電力を表す。Ｈは、伝搬路応答行列（伝搬チャネル応答行列）を表す。σｎ２は、雑音電力を表す。Ｉは、単位行列を表す。λｑは、伝搬路応答行列Ｈのｑ番目の固有値を表す。
【００５０】
多くのマルチパス波が存在する伝搬路では、２番目以降の固有値が伝搬路応答行列に存在する。この場合、水中音響通信システム１は、空間多重伝送を実行することによって、伝搬路の容量を増加させることができる。互いに完全に独立した伝搬路を形成することが可能である場合、伝搬路応答行列における全ての固有値は同じ値となる。
【００５１】
マルチパス波が存在しない伝搬路では、２番目以降の固有値は、非常に小さい値となる。この場合、水中音響通信システム１は、空間多重伝送を実行しても、伝搬路の容量を増加させることができない。このため、ビームフォーマ３２がマルチパス波を抑圧する場合には、水中音響通信システム１は、空間多重伝送を実行することが難しい。
【００５２】
そこで、ビームフォーマ３２がマルチパス波を抑圧する場合、送波器２２の間隔と受波器３０の間隔とは、幾何学的に適切な間隔にそれぞれ定められる。送波器２２及び受波器３０の間の経路差を適切な距離にすることによって、水中音響通信システム１は、ビームフォーマ３２がマルチパス波を抑圧する場合でも、互いに独立した伝搬路を形成するので、空間多重伝送によって伝搬路の容量を増加させることができる。
【００５３】
波長λと、送信装置２及び受信装置３の間の距離Ｒと、受波器３０の個数Ｍとの関係は、式（５）のように表される。
【００５４】
【数５】
2020088575.tif 000007
【００５５】
ここで、αは、任意の自然数を表す。式（５）に示された関係が満たされる場合、水中音響通信システム１は、互いに独立した伝搬路を形成することができる。
【００５６】
ｌ番目の送波器２２からＭ個の受波器３０までの伝搬路応答ベクトル（伝搬チャネル応答ベクトル）ｈｌは、式（６）のように表される。
【００５７】
【数６】
2020088575.tif 000008
【００５８】
ここで、θｌは、受波器３０における、ｌ番目の送波器２２からの音波の到来方向を表す。
【００５９】
互いに独立した伝搬路では、異なる送波器２２からＭ個の受波器３０までの間の伝搬路応答ベクトル同士の内積の結果は、式（７）に示されているように零となる。
【００６０】
【数７】
2020088575.tif 000009
【００６１】
到来方向θｌが十分に小さい場合、式（５）は、到来方向を表すθ１を用いて、式（８）のように近似可能である。
【００６２】
【数８】
2020088575.tif 000010
【００６３】
式（７）は、式（８）に基づいて、式（９）のように表される。
【００６４】
【数９】
2020088575.tif 000011
【００６５】
ここで、ｄｒは、受波器２２の間隔を表す。ｄｔは、送波器３０の間隔を表す。受波器２２の間隔と送波器３０の間隔とが式（９）を満たす場合、式（５）が導出される。
【００６６】
次に、水中音響通信システム１の動作例を説明する。
図４は、水中音響通信システム１の動作例を示すフローチャートである。Ｍ個の受波器３０は、送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ個の受信信号系列を取得する（ステップＳ１００）。ビームフォーマ３２は、Ｍ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧する（ステップＳ１０１）。ビームフォーマ３２は、Ｌ個の信号系列をＭ個の受信信号系列から生成する（ステップＳ１０２）。推定部３４及び復調部３５（信号推定部）は、Ｌ個の信号系列に基づいて、Ｎ個の送信信号系列を推定する（ステップＳ１０３）。
【００６７】
以上のように、実施形態の水中音響通信システム１は、送信装置２と、受信装置３とを備える。送信装置２は、Ｎ個の送波器２２を有する。受信装置３は、Ｍ個の受波器３０と、ビームフォーマ３２と、推定部３４及び復調部３５（信号推定部）とを備える。Ｍ個の受波器３０は、音波を利用してＮ個の送波器２２から送信されたＮ個の送信信号系列に応じて、Ｍ個の受信信号系列を受信する。ビームフォーマ３２は、受信されたＭ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波を抑圧する。ビームフォーマ３２は、Ｌ個の信号系列をＭ個の受信信号系列から生成する。推定部３４及び復調部３５は、生成されたＬ個の信号系列に基づいて、Ｎ個の送信信号系列を推定する。
【００６８】
このように、水中音響通信システム１は、Ｍ個の受信信号系列の直接波以外のマルチパス波をビームフォーマ３２が抑圧するので、データ信号の伝送に利用されている周波数軸上で隣接するサブキャリアに受信信号系列のマルチパス波が漏れ込むことを防ぐことができる。
【００６９】
これによって、水中音響通信システム１は、水中における空間多重伝送の効率を向上させることが可能である。水中音響通信システム１は、マルチパス波の伝搬路応答の推定が難しい海中等においても、見通しＭＩＭＯによって、複数の送信信号系列を空間多重することが可能である。
【００７０】
送波器２２の間隔ｄｔと受波器３０の間隔ｄｒとが乗算された結果の値は、音波の波長λと送波器２２及び受波器３０の間の距離Ｒとが乗算された結果の値が、受波器３０の個数で除算された結果の値（＝λ×Ｒ／Ｍ）の整数倍でもよい。これによって、水中音響通信システム１は、マルチパス波をビームフォーマ３２が抑圧する場合でも、空間多重された音波の伝搬路応答行列の固有値を確保するので、水中における空間多重伝送の効率を向上させることが可能である。
【００７１】
上述した実施形態における水中音響通信システム、送信装置及び受信装置をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
【００７２】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、海中等の水中で音響通信を実行するシステムに適用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１…水中音響通信システム、１ａ…水中音響通信システム、２…送信装置、２ａ…送信装置、３…受信装置、３ａ…受信装置、２０…変調部２０…送波器２１…収音材、３０…送波器、３１…収音材、３２…ビームフォーマ、３３…通信線、３４…推定部、３５…復調部、３６…通信線、１００…直接波信号、１０１…マルチパス波信号、１０２…マルチパス波信号、２００…直接波信号、２０１…マルチパス波信号、２０２…マルチパス波信号、３００〜３０３…データ信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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