特集 革新的技術でネットワークの限界突破に取り組む

未来ねっと研究所

3 未踏領域無線通信技術

海中映像の高速無線伝送を実現する
海中音響通信技術
NTT 未来ねっと研究所（未来研）のワイヤレスシステムイノベーション研究部（WS 部）では、海中での高速無線通信を可能とする海中音響通信技術を研究している。海中音響通信の高速化において課題となる遅延波を除去し、波形歪みを補償可能な時空間等化技術を開発したので、本技術を中心に研究開発の取組みを紹介する。

海中では電波の通信が困難なた
め音波を用いた音響通信を利用—海中作業における高速無線通信への期待
近年、石油・ガス田などの海底資ワイヤレスシステムイノベーション研究部

源開発において、海上から遠隔で操（左から）主任研究員作可能な無人潜水機が利用されている。また、港湾工事では作業の安全研究員 中野 真理菜氏
社員 大岩 美春氏

性、効率性の観点から無人海中重機を用いた遠隔施工の研究が行われて

椿 俊光氏

研究員 福本 浩之氏

無線通信の実現が期待されている。

いる。これらの遠隔操作においては可視光による光無線通信は、利用可能な周波数帯域幅が広く、高速通高精細な海中映像を伝送する必要が—海中では電波による無線通信は信が可能なため、近年、研究が進んあるが、海中では電波は減衰しやす

困難

でおり、距離 120 m で通信速度 20く、通信での利用が困難なため、高現在の海中で利用される無線通信Mbps の伝送実験に成功したとの報

精細映像の無線伝送は実現されていは、10 kHz 以下の電磁波を利用す

告もある（澤、防衛装備庁成果報告ない。そのため、海底資源開発で利る低周波電磁界通信、可視光を利用

書、2018 年 ）。 し か し、 光 無 線 通用される無人潜水機は、海上の支援する光無線通信、1 MHz 以下の超信は、海水の濁りや太陽光の干渉な船から 100 m 以上の長いケーブル音波を利用する音響通信の３つに大どにより通信距離や通信速度が低下で接続され、有線での遠隔操作が行別される。

するといった課題がある。

低周波電磁界通信は、ダム堤体内

音響通信は、低周波磁界通信と比しかし、長いケーブルを巻き上げや海中、土中に設置した沈下計、水べて高い周波数帯を利用でき、且つるためには大型の支援船と専門の作圧計、傾斜計などの各種センサとの光無線通信のような濁りなどの環境業員が必要なため運用コストが高通信に利用されている。現在、距離依存性もないため、海中通信としてく、さらにケーブルが潮流に流され40 m で通信速度 75 bps の通信装置広く利用されているが、利用できるるため安定した遠隔操作が難しく、が実用化されているが、10 kHz の周波数帯域幅が狭いこともあり、実作業性でも大きな課題がある。その電磁波は距離 30 m で 100 dB 以上用化されている海中音響装置の通信ため、無人潜水機の遠隔操作を可能減衰するため、海中での映像伝送に速度は数 10 kbps 程度である。とする高精細映像を伝送できる高速利用するのは困難である。

われている。

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これらの各方式の通信距離と通信

ビジネスコミュニケーション

2020 Vol.57 No.6

速度の関係を図１に示す。筆者らは、陸上での電波を用い後述する時空間等化技術を開発し、た無線通信では、こ通信速度 10 Mbps、通信距離 300 m

れらの遅延波の影響の実現をめざした研究開発に取り組に対し、伝搬路推定んでいる。

による波形歪みで補受信機

遅延波1レベル償しているが、海中—海中音響通信を高速化するため音響通信では、伝搬の課題路を推定している間

陸上での電波を用いた無線通信にに海面のゆらぎなど比べ、海中音響通信では音波の伝搬で伝搬路の状態が変速度が遅く、海中の伝搬路が桁違いわるため、陸上の無に複雑かつ高速に変動するため、波線通信で用いられて形等化による高速化は困難であった。

いる歪み補償技術を著者らは、高速化を妨げている海そのまま適用するこ中の劣悪な伝搬路を克服する新たなとは困難である。

等化技術を研究開発している。これ

遅延広がり

直接波

遅延波1
遅延波2

直接波

送信機

遅延波2

そこで従来の海中遅延時間

受信信号に歪みが生じるため補償が必要受信レベル

受信波形
元の波形

周波数

図２

海中音響通信伝送路の構成により、通信距離 300 m において音響通信では、遅延波を含めた伝搬が非常に短いため、この技術をその高精細な映像伝送が可能な通信速度路推定を行い、エコーキャンセラーまま適用することは困難である。

10 Mbps の海中無線通信技術の確の原理を応用した技術により波形歪立を目指している。

みを補償していた。この技術は、遅海中音響通信の高速化技術のポイント

海中で送信した音波は、海面や海延広がりよりも伝搬路が一定の期間底などさまざまな場所で反射し、遅が長い、従来の低速な海中音響通信—遅延広がりを抑えるための問題延波として到来するため、受信したでは有効だが、Mbps 級の高速な海解決のアプローチ信号に波形歪みが発生する（図２）。

中音響通信では伝搬路が一定の期間のフィルタ構成を図 3 に示す。FIR

通信速度(bit/s)

フィルタ（Finite impulse response）

Sonardyne

100M

JAMSTEC（実験）10M

目標：10Mbit/s・300mの連結構成により、空間的に遅延波時空間等化技術を除去して、直接波のみを抽出する【映像伝送】を除去することにより、遅延広がり

光無線通信（距離は濁り依存）【短距離映像伝送】

音響通信

100k 【センサ・静止画伝送】
10k1kも長くなり、伝搬路の推定・補償が可能となる。

（研究試作）

ビジネスコミュニケーション

路が一定の期間が、遅延広がりよりFAU

EvoLogics

低周波電磁界通信ことが可能である。つまり、遅延波を短縮している。これにより、伝搬高速化

1M

筆者らが考案した時空間等化技術

JAMSTEC

FIR フィルタは、直接波だけを選択的に抽出し、遅延波を除去するため、適切なタップ長のフィルタ設計【センサ伝送】を行い遅延波の到来方向にヌル（指坂田電機

10100

図１

海中無線通信方式の比較

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1000 通信距離(m)

向性パターンの落ち込み）を形成する。FIR フィルタのタップ長と時空間等化器の窓幅には相関があるた

39特集 革新的技術でネットワークの限界突破に取り組む

遅延広がり

遅延広がり(短縮後)

未来ねっと研究所の有効性を検証するため、静岡県駿河湾上に係留された計測バージ船を短縮トレーニング部用いて、テストパケットを送受信する伝送実験を行った。実験系およびデータ部

実験条件を図４に示す。本試験では、伝搬路が一定の期間度に対する BER（Bit error rate）特性

遅延波1FIR
フィルタ

直接波を実験評価し、安定した BER 特性
FIR
フィルタ

FIRフィルタ

遅延波2が得られることを確認した。移動環
境では、移動速度 3 m/s（6 ノット）

技術のポイント2：直接波抽出のためのフィルタ最適設計

技術のポイント1：
FIRフィルタの連結構成による遅延波の除去て
トオフライン信号信理により、移動速において、通信距離 30 〜 60 m で1.2 Mbps の伝送を確認し、固定環
境 で は、 通 信 距 離 18 m で 5.1Mbps の伝送を確認した。

伝搬路が一定の期間＞遅延広がり(短縮後)となり推定・補償を実現可能
図３—さらなる高速大容量・多重化に時空間等化技術のフィルタ構成

向けてめ、遅延波を阻止するには、フィル域のビーム走査と直接波の波形等化

さらなる高速大容量化に向けて、タのタップ長を短くすれば良い。つに必要な最小限のフィルタ長に設定

多値変調技術の活用を検討していまり、フィルタのタップ長が長い場する新たなフィルタ設計手法を導出る。時空間等化技術では、判定帰還合は遅延波を取り込み、フィルタのした。これにより、海中音響通信の型の等化器を用いているため、海中タップ長が短い場合は、遅延波を阻高速化に必要な、遅延波を除去し直通信環境が劣化した場合に判定誤り止することができる。

接波を抽出する処理を可能とした。

が伝搬する負のスパイラルに陥るた

遅 延 プ ロ フ ァ イ ル に 応 じ て FIR
フィルタのタップ長を設定する従来め、多値変調技術の適用が困難とい
実海域において、時空間等化技術のフィルタ設計とは異なり、空間領送信系
任意信号発生器う課題がある（図５（a））。この課題—実海域での実証実験

パワーアンプ

移動海中受信系

海上ボート

計測バージ

時空間等化（オフライン処理）

MIMO伝送

送波器
（3台）

受波器
（16台）

〜60 m

移動環境
送信アンテナ数

固定環境

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受信アンテナ数

受波器

16

帯域幅

200 kHz320 kHz

多重数

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変調方式

QPSK

誤り訂正なし

図４40に対し、判定誤りの伝搬を克服する

実海域での実証実験

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送波器の送波効率

シンボル
判定

時空間等化器

誤判定

誤等化

送波効率が低い周波数帯域

狭帯域・低速伝送【従来技術】

負のスパイラル（判定誤りの伝播）

学習

広帯域（数100 kHz）
・高速伝送
【NTT技術】

誤学習

周波数(b) 広帯域化に伴う送波効率の低下(a) 判定誤りによる負のスパイラル

図５

高速大容量化に向けた検討課題

ための誤り訂正や尤度推定などの適により、複数端末の多重を可能にす

ム伝送を実現し、無人潜水機の遠隔用を検討している。

る MU（Multi user）-MIMO 技術が用制御によるオイル・ガスなどの資源

また、時空間等化技術により、従いられている。しかし、海中では音開発や設備点検、さらに港湾整備で来と比較して広帯域を利用した高速波 の 伝 搬 速 度 が 遅 い こ と も あ り、の無人海中重機の遠隔施工における伝送が可能となったが、送波器の比MU-MIMO のような同期制御が困活用をめざす。

帯域が広がったために、送波効率の難であるため、新たな制御技術につ低い周波数帯域を利用している（図いて検討を進めている。

型ドローンを活用した養殖網の点検

５（b））。この送波効率を改善する技術についても検討を進めている。

次に、漁業分野において水中の小や、映像で魚の種類が魚群探知など—本技術の活用に向けてへの展開をめざす。

さらに、海中で複数の端末と同時海中音響通信の高速化ニーズが顕最終的に、レジャーや生活への応に通信するための多重化についても在化している産業分野から本技術の用として、海中でもスマートフォン

検 討 し て い る。 陸 上 で の Wi-Fi や導入を進め、最終的には海の中で誰など自由に利用できるような通信カLTE では、MIMO（Multiple-Input

もが自由に無線で通信できる世界をバレッジの拡張をめざし、今後の研Multiple-Output）技術に、時間・周めざしている（図６）。

究開発に取り組んでいく。

波数の同期制御を組み合わせること

まずは、高精細映像のリアルタイ

ステップ２

ステップ１

オイル&ガス[設備点検等]

資源

港湾整備

潜水艇・ 俯瞰
探査船 カメラ

高速・長距離化漁業[遠隔重機制御][網点検・ソナー]

小型
ドローン

重機

小型・経済化

大容量・多重化
図６

ビジネスコミュニケーション

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最終ステップレジャー・生活[コミュニケーション]
海中
スマートフォン

双方向・インフラ化

本技術の活用イメージ

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