海洋開発の可能性を広げる水中音響通信
武田啓之

福井潔

現在、海洋資源・海洋再生可能エネルギー開発の場面

しかし、音響通信にも限界はある。まず、広帯域な送波器で、水中無人機（AUV、ROVなど）の利用が注目されていを実現することに限界がある。また、電磁波ほどではないる。水中無人機の利用は、従来の有人による海洋開発のが音も高周波になるほど減衰が大きくなるので、広帯域効率を大きく改善できるという点で、海洋開発を大きく前（高速）な通信は近距離に限られる。従って、この通信距離進させる可能性がある。加えて、広大な海洋を効率よく探と通信速度はトレードオフの関係があり、通信速度・通信距索するためには、複数の水中無人機を協調して運用するこ離の積として、40kbps・kmが性能基準となっている1）。このとが求められ、協調運用の実現には水中無人機間の通信性能基準は2000年に記載された文献1）で言及され現在が必要となる。

でも水中音響通信メーカーが公開しているスペックをみる

上記海洋開発のニーズを踏まえ、我々は無人機の協調と、おおむねこの基準以下の性能である。

運用に寄与する水中音響通信の技術開発に取り組んでい我々は水中音響通信機の製品開発にあたり、既存製品る。この技術開発の目標スペックは、通信速度：32kbps・通を超える32kbps・2km（64kbs・km）を設計目標とした。水

信距離2km（BER（Bit Error Rate:符号誤り率）は10 -2）で中無人機は数kmオーダーでの通信が必要であり、かつ水ある。また、複数無人機が混在する状態での通信も可能と中無人機がセンサーデータから分析した情報（画像など）する。本寄稿ではこの取組みを紹介する。

を定期的に送信するのには少なくともこの程度の通信速度は必須と考えた。ここで、送信対象がコマンドなどではなく画像などのセンサーデータの分析結果であることを開発の背景及び目標考慮し、目標のBERを10-2と必要最小限とすることで、通水中音響通信は水中無人機の運用の可能性を広げる信距離2kmでの高速化（32kbps）を図っている。

キーテクノロジーである。この水中音響通信の可能性として想定する水中音響通信の運用イメージを図1に示す。図1に示すような運用を行う場合、効率的に海洋を調査・捜索す目指す水中音響通信システム

るには、1台の無人機が少なくとも数kmオーダーの範囲を前章では水中音響通信機で用いるモデム（変復調器）カバーする必要がある。詳細は割愛するが、水中では電磁単体の通信性能を設定した。水中での移動体通信を目標

波の減衰が激しく、光は水中浮遊物による散乱が大きいととする場合、モデム単体の通信性能だけでなく、陸上の無いう問題がある。そのため水中では電磁波通信は極めて線同様に多ノードが混在したネットワークシステムとして近距離（10m以内）、光通信も100m前後の利用が想定さ構築する必要がある。

れる。従って数kmオーダーの長距離通信では「音響」通信

図2に今回の製品化で実現したいネットワークを示す。

が現実的な選択肢となる。

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想定する水中音響通信の運用イメージ

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2021 年 11 月／第 238 号 Vol.88 No.2

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図2

今回の製品化で実現したいネットワーク

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水中の移動体同士の通信にはマルチホップ通信（水中ཷಙഃ

無人機搭載のモデムをリレー的に経由して行う通信）に対応した音響通信ネットワークを構築する。この音響通信ネットワークでは複数の無人機で収集したデータを音響通信で即時に母船まで送信することにより効率的に広範囲のʀʀʀ捜索することができる。またマルチホップ通信により単一のモデムで2kmだった通信距離を更に延伸することができ┤᥋Ἴる。水中では音響通信を行う一方、船内ではネットワークで䝅䞁䝪䝹 䝅䞁䝪䝹
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繋がっている機 器や船 外の設 備などで使 用されているIPNW（汎用NW）にシームレスに接続させる。

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今回のモデムデータ構造（構想）を図3に示す。水中音響
図4

通信では、通信伝送路に依存する物理層及びデータリンク

マルチパス干渉層を音響通信用に新たに設計し、ネットワーク層ではマルチホップ通信のためにMesh-Underプロトコル2）を用いる。
また今回開発する水中音響通信変調方式はWi-Fiなどでも用IPNWのEther以上の情報をカプセル化することにより、水中いられている変調方式であるOFDM（Orthogonal Frequency

音響通信（マルチホップ通信）ではIPNWのプロトコルを意

Division Multiplexing：直交周波数分割多重）を用いることに識することなく母船との接続性を確保することができる。

した。OFDMは上記で記載したマルチパス干渉に対する耐性が優れている方式であり，通信に使う帯域を小帯域（サ䜹䝥䝉䝹໬㻵㻼䜰䝥䝸䝛䝑䝖䝽䞊䜽ᒙ㻹㼑㼟㼔㻌㼁㼚㼐㼑㼞䝕䞊䝍䝸䞁䜽ᒙ㡢㡪㻹㻭㻯㻤㻜㻞㻚㻟㻹㻭㻯≀⌮ᒙ㡢㡪㻼㻴㼅㻱㼠㼔㼑㼞

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図3ブキャリア）に分割している周波数分割多重化の1種である（図5）。
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今回の水中音響モデムフレーム構造

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水中音響通信の課題
前項ではシステム全体に触れたが、本項では物理層（変復調）に触れる。変復調は、ビット列（情報）を通信路（水、空気）に伝搬させて相手に情報伝えるために行われるが、࿘Ἴᩘ┤஺㛵ಀ䛻䛒䜛䝃䝤䜻䝱䝸䜰䛷ከ㔜໬䛧ᗈᖏᇦ໬

図5

OFDM のイメージ

通信路の種類によって大きく影響を受ける部分である。
水中音響通信の大きな課題は①海面海底反射などによデータを大容量に送るためには通信帯域を広帯化するるマルチパス干渉、②移動体通信に伴うラージドップラと必要があるが、広帯域な変調を行おうとするとマルチパスなる。①、②それぞれの問題と対策を説明する。

遅延に弱いという問題があった。そこでOFDMのようにサ

図4は、マルチパスのイメージとマルチパス干渉の例でブキャリアごとに狭帯域信号を変調して多重化して広帯域ある。マルチパスとは図4上段のように、海面や海底などの送信する（OFDMのサブキャリア間は直交関係（内積が0）境界面に反射した複数の波が遅延を伴い到来する現象でがあり相互に干渉しないことが保障されている）ことによある。マルチパスの影響は図4下段に示した（説明の分か

り高速かつマルチパス遅延に強い方式となっている。

りやすさのため直接波と一つの反射波だけを設定していOFDMにはもう一つマルチパスに強い仕組みがある。図6る）。ビット列を変調する単位をシンボルというが、図4にあに示すガードインターバルである。ガードインターバルはるようにk番目のシンボルを破線の直接波の区間に合わせ大きな遅延でも対処できるように、シンボル最後の部分をて復調する場合、k-1番目のシンボルの反射波が混在してシンボルの先頭にコピーする。これにより、図6の例では、k番しまい、正しく復調できなくなる。従ってこのマルチパス干目のシンボルの復調時はk番目のシンボルの直接波と反射渉に対する対策が必要である。

波のみ（ガードインターバルもk番目の反射波のコピー）の

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2021 年 11 月／第 238 号 Vol.88 No.231現在の開発状況状態となりk-1番目のシンボルの反射波の混在がなくなる

2020年度は通信速度32kbps・2kmを達成するための机ので、シンボル間の干渉を防ぐことができる。

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上検討を実施し、OFDMの設計パラメーターを導出した（そ䝁䝢䞊䝁䝢䞊䝁䝢䞊の中には前節で説明したガードインターバルの設定もある）。

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また前項に記したドップラ効果の補償方法に関する調査を実施し、このドップラ効果の補償の検討も含め今後の検証䜺䞊䝗䜲䞁䝍䞊䝞䝹に必要な水中音響通信の物理層シミュレーターを開発した。
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また無響水槽で試験・評価し、水槽ということで限られた条件ではあるが水平方向の通信性能を検証し32kbps・2ｋｍ1の見込みを得ている。
2021年度はドップラ補償の具体的な実現方法の検討に加え、図2に示す構想を実現するための水中でのマルチホッ

図6

ガードインターバルによるシンボル間干渉予防プ方式の設計にも着手している。
2020年度は無響水槽で基本性能を確認したが、2021

このガードインターバルの長さは、使用環境で想定され年度は実海面での性能検証も複数回実施する予定である。

る遅延よりも長く設定される。水中音響通信モデムの開発

この実海面試験では、送受波器を実際に移動させた場合でも、使用条件（水深、送信機深度・受信機深度など）を仮のドップラ補償方式を検証する。加えて、20年度の検証で定し、伝搬遅延（反射波がどの程度遅れてくるか）や伝搬設定したガードインターバルの妥当性も検証する。写真1は損失（何回までの反射回数まで考慮するべきか）を推定し2021年9月に実施した実海面試験の様子である。この試（伝搬損失・伝搬遅延の推定はソーナー開発などで用いて験では、現在検討中のドップラ効果補償方式の検証のたいる音波伝搬モデルを利用した）、ガードインターバル長めに、送受波器を吊下した船を移動しながらデータを取得しを設定している。

た。
また水平距離で最大800mまでのデータを取得した。
この技術の実現により、海洋開発での水中無人機運用

続いて②の「移動体通信に伴うラージドップラ」を説明の効率を大きく改善できると考えている。具体的には、水する。ドップラ効果は音（波）の移動に伴い音の周波数が中無人機の移動に制約を与えることなく、複数無人機の変化する現象である（救急車や消防車のサイレンを想像協調運用、陸上施設との連携などに寄与できると考えていすると分かりやすい）。このドップラ効果による周波数変化る。引き続き2022年度の製品化に向けて技術開発を進めは図5のサブキャリア間の直交関係をなくしサブキャリア間ていくが、2022年度以降も技術開発を続けていき海洋開の干渉を起こす。そのためOFDMはドップラ効果に対する発に貢献していく。

耐性が原理的に低い。その上、ドップラ効果のOFDMへの影響は、伝搬速度が遅い音でより顕著なので、音響通信で特に困難な問題である。
今回、水中無人機での利用を対象とした音響通信を開発しているため、ドップラ効果への対処は必要となる。我々は相対速力10kt（ 1ktは0.5m/s、無人機がそれぞれ5ktで逆向きに移動した場合の相対速力）での通信を可能にすることを目標にしている。
ドップラ効果により受信した波形は速力（マルチパスの経路ごとにドップラ効果による伸縮度合いも微妙に違うため平均的な速力となる）に応じて伸縮する。OFDMシンボルの前後に受信側でも既知な信号を挿入し、この既知な信号の伸縮率を測る。この伸縮率をもとにOFDMシンボル（サブキャリア間の直交性がなくなっている）を復元する。
現在、この考え方をベースとしたドップラ補償法を検討している。

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写真1

実海面試験（21年9月実施）の様子◆◆1）Daniel B. Kilfoyle ,Arthur B. Baggeroer: The State of
the Art in Underwater Acoustic Telemetry, IEEE JOURNALOF OCEANIC ENGINEERING, VOL.25, NO.1, p4-p27,
20002）野崎正典、
西村弘志、
久保祐樹、
柳原健太郎：スマートネッ
トワーク向け無線マルチホップ通信技術、OKIテクニカル
レビュー 第218号、Vol.78 No.1、p78、2011年10月

武田啓之：Hiroyuki Takeda. ソリューションシステム事業部
特機システム事業部 研究開発部
福井潔：Kiyoshi Fukui. イノベーション推進センター ネット
ワーク技術研究開発部

ROV(Remotely Operated Vehicle)
遠隔操作する無人の水中ロボットで、アンビリカルケーブ
ル（電力供給、通信用のケーブル）を介して運用されることが多い（ケーブルなしのものもある）。水中ドローンと呼ばれることもある。
AUV(Autonomous Underwater Vehicle)
自律型無人潜水機。CPUと動力源を内蔵しているので母船からのコントロールなしで自律的に行動ができる（障害物に対する回避行動など）水中ロボットである。

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