• 検索結果がありません。

トップページ 北見工業大学学術機関リポジトリ(KITR) SIS2017 13

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2018

シェア "トップページ 北見工業大学学術機関リポジトリ(KITR) SIS2017 13"

Copied!
7
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

長遅延マルチパスおよびドップラーシフトに対応し

た水中音響通信の港湾実験 ( スマートインフォメデ

ィアシステム)

著者

吉澤 真吾, 谷本 洋, 齊藤 隆, 馬渕 佑作, 津久

井 智也, 澤田 信一

雑誌名

電子情報通信学会技術研究報告 = I EI CE t ec hni c al

r epor t : 信学技報

SI S2017

13

ページ

65- 70

発行年

2017- 06- 01

(2)

一般社団法人 電 子 情 報 通 信 学 会

T

H

E

E

U

T

T

T

I

S

N

I

F

O

S

I

C

N

R

O

T

E

C

L

E

I

N

F

O

R

M

A

T

I

O

N

N

D

A

N

O

I

A

T

C

N

I

U

M

M

O

C

S

R

E

E

N

G

I

N

E

信 学 技 報

I

E

I

C

E

l

c

a

i

h

n

c

e

T

r

t

o

e

p

R

S

I

S

2

0

1

7

-1

3

)

6

0

-

7

1

0

2

(

長 遅 延 マ ル チ パ ス お よ び ド ッ プ ラ ー シ フ ト に 対 応 し た

水 中 音 響 通 信 の 港 湾 実 験

f

谷 本

膏 藤

隆竹馬淵佑作什 津 久 井 智 也 ↑ 什

-

t

t

↑ 北 見 工 業 大 学 電 気 電 子 工 学 専 攻 〒

0

9

0

-

8

5

0

7

北 海 道 北 見 市 公 園 町

1

6

5

什 三 菱 電 機 特 機 シ ス テ ム 株 式 会 社 干

2

4

7

-

0

0

6

5

神 奈 川 県 鎌 倉 市 上 町 屋

7

3

0

番 地

1

1

↑什株式会社

I

H

I

2

3

5

-

8

5

0

1

神 奈 川 県 横 浜 市 磯 子 区 新 中 原 町

1

番 地

あらまし 水 中 音 響 通 信 は 自 律 型 無 人 潜 水 機

(

A

U

V

)

の デ ー タ 収 集 や 遠 隔 制 御 な ど に 利 用 さ れ る が , 通 信 環 境 に よ っ て は マ ル チ パ ス や ド ッ プ ラ ー シ フ ト の 影 響 が 強 く , 安 定 し た 通 信 を 実 現 す る に は こ れ ら の 対 策 が 不 可 欠 で あ る . 本 稿 で は 水 中 音 響 通 信 に お け る 長 遅 延 マ ル チ パ ス お よ び ド ッ プ ラ ー シ フ ト 対 策 方 法 に つ い て 説 明 し , そ の 対 策 方 法 の 効 果 を 港 湾 実 験 で 評 価 し た の で 報 告 す る . マ ル チ パ ス 時 の 試 験 で は

Q

P

S

K

伝 送 に お い て シ ン グ ル キ ャ リ ア 周 波 数 領 域 等 化

(

S

C

-

F

D

E

)

OFDM

よ り も 良 好 な 通 信 特 性 を 示 し て い た . ド ッ プ ラ ー シ フ ト 時 の 試 験 で は ド ッ プ ラ ー シ フ ト ぱ ら つ き に 対 応 し た 並 列 構 成 リ サ ン プ リ ン グ 処 理 の 有 効 性 を 確 認 し た .

キ ー ワ ー ド 水中音響通信,

OFDM

S

C

-

F

D

E

ヲマノレチパスヲドップラーシフト

U

n

d

e

r

w

a

t

e

r

c

i

s

t

u

o

c

A

C

o

m

m

u

n

i

c

a

t

i

o

n

E

x

p

e

r

i

m

e

n

t

n

i

H

a

r

b

o

r

w

i

t

h

L

o

n

g

D

e

l

a

y

M

u

l

t

i

p

a

t

h

a

n

d

D

o

p

p

l

e

r

t

f

i

h

S

S

h

i

n

g

o

Y

O

S

H

I

Z

A

W

A

¥

H

i

r

o

s

h

i

TANIMOTO

,↑

T

a

k

a

s

h

i

S

A

I

T

O

t

,↑

Y

u

s

a

k

u

MABUCHI

什う

T

o

m

o

y

a

T

S

U

K

U

I

↑什,

a

n

d

S

h

i

n

i

c

h

i

SAWADA

什↑

K

i

t

a

m

i

e

t

u

t

t

i

s

n

I

f

o

c

T

e

h

n

o

l

o

g

y

n

o

i

v

i

s

D

i

f

o

l

a

c

i

r

t

c

e

l

E

a

n

d

s

c

i

n

r

o

c

t

l

e

E

i

n

e

g

n

E

e

r

i

n

g

1

6

5

K

o

e

n

-

c

h

o

K

i

t

a

m

i

H

o

k

k

a

i

d

o

0

9

0

-

8

5

0

7

J

a

p

a

n

M

t

i

s

i

h

s

i

c

r

i

t

c

e

l

E

T

O

K

K

I

S

y

s

t

e

m

s

C

o

r

p

o

r

a

t

i

o

n

1

1

3

-

0

7

K

a

m

i

m

a

c

h

i

y

a

K

a

m

a

k

u

r

a

K

a

n

a

g

a

w

a

2

4

7

-

8

5

0

7

J

a

p

a

n

I

H

I

C

o

r

p

t

i

r

a

o

o

n

1

-

n

i

n

h

S

a

o

h

c

-

r

a

h

a

k

a

l

-

o

g

o

s

I

Y

o

k

o

m

a

h

a

K

a

n

a

g

a

w

a

2

3

5

-

8

5

0

1

J

a

p

a

n

A

b

s

t

r

a

c

t

U

e

d

n

r

w

a

t

e

r

c

i

t

s

u

o

c

a

c

o

m

m

u

n

i

c

i

a

t

o

n

(

U

A

C

)

s

i

d

s

e

u

r

o

f

d

a

t

a

n

o

i

t

c

e

l

l

o

c

a

n

d

r

o

e

m

t

e

l

o

r

t

n

o

c

n

i

a

u

t

o

n

o

m

o

u

s

u

n

d

e

r

w

a

t

e

r

s

e

l

c

i

h

e

v

(

A

)

.

V

s

U

C

o

m

m

u

n

i

c

a

t

i

o

n

m

e

c

n

a

r

o

f

r

e

p

s

i

y

l

n

g

o

r

t

s

d

e

t

c

e

f

f

a

b

y

a

h

t

t

i

p

l

u

m

a

n

d

D

p

p

o

l

e

r

t

f

i

h

s

d

p

e

n

d

i

n

g

o

n

c

o

m

m

u

n

i

t

a

c

i

o

n

.

t

n

n

e

m

i

o

r

v

n

e

T

h

e

s

e

a

s

e

u

s

r

r

m

e

e

t

n

u

o

c

e

r

a

e

l

b

a

n

s

e

p

i

s

d

n

i

r

o

f

e

l

b

a

t

s

a

.

n

o

i

t

n

c

i

u

m

m

o

c

h

i

s

T

p

a

p

e

r

s

e

b

i

r

c

s

e

d

e

t

h

c

o

u

n

t

e

r

m

e

ω

u

r

s

e

t

s

n

a

i

g

a

n

g

l

o

a

y

e

l

d

p

h

t

a

t

i

l

u

m

a

n

d

D

o

r

e

l

p

p

t

f

i

h

s

n

i

UA

C

w

h

e

r

e

r

i

e

h

t

-

e

v

i

t

c

e

f

f

e

n

e

s

s

s

a

h

b

e

e

n

d

t

e

p

o

r

e

r

b

y

o

u

r

m

t

n

e

e

i

e

r

x

p

n

i

h

a

b

o

r

.r

I

n

h

p

t

a

i

l

t

u

m

t

s

e

t

e

l

g

n

i

s

r

e

i

r

r

a

c

y

e

c

n

e

u

q

r

f

d

o

m

a

i

n

n

o

i

t

a

z

i

l

a

u

e

q

(

S

C

-

F

D

E

)

h

d

d

e

v

i

r

o

p

r

e

t

t

e

b

c

o

m

m

u

n

a

c

i

t

i

o

n

e

c

n

a

m

r

o

f

r

e

p

t

h

a

n

OFDM

s

a

r

a

f

s

a

Q

S

P

K

.

n

o

s

i

s

i

m

s

n

a

r

t

I

n

D

o

p

p

l

e

r

s

h

i

f

t

t

s

e

t

w

e

h

a

v

e

d

e

r

m

i

f

n

o

c

e

t

h

s

s

e

n

e

v

i

t

c

e

f

f

e

f

o

l

e

l

l

a

r

a

p

n

i

g

a

m

p

l

r

s

e

t

h

a

t

c

a

n

e

o

p

c

w

i

t

h

r

e

l

p

p

o

D

t

f

i

h

s

.

n

o

i

s

r

e

p

s

i

d

K

e

y

w

o

r

d

s

U

n

d

e

r

w

a

r

e

t

c

s

t

i

c

o

u

A

C

o

m

m

u

n

i

c

t

a

i

o

n

OFDM

S

C

-

F

D

E

h

t

a

p

i

t

l

u

M

l

p

p

o

D

e

r

f

i

h

S

1 . は じ め に

水 中 音 響 通 信 は 自 律 型 無 人 潜 水 機(AUV) のデータ収集や遠

隔制御などに利用されるが,通信環境によってはマノレチパスや

ドップラーシフトの影響が強く,安定した通信を実現するには

これらの対策が不可欠である.マルチパス対策として最近の水

中音響通信では周波数利用効率の高い直交周波数分割多重方式

(

O

F

D

M

)

]

1

[

が 利 用 さ れ て い る

.

O

F

D

M

は 送 信 デ ー タ を 含 む

信 号 の 一 部 を コ ピ ー し た サ イ ク リ ッ ク プ レ フ ィ ッ ク ス

c

i

l

c

y

C

(

-

6 5

-T

h

i

(3)

Pre 五x,CP) 注( 1) を挿入し,受信組!Jで周波数領域等化を用いるこ

とでマルチパスで歪んだ信号を補正することができる.シング

ル キ ャ リ ア 伝 送 で も 同 様 に 周 波 数 領 域 等 化 を 使 用 す る も の と し

て,シングノレキャリア周波数領域等化(SC-FDE)

]

2

[

が検討さ

れている.

マノレチパスの遅延広がりは水中音響伝搬状況によって大きく

変化する.音波を海面から鉛直方向に海底に送波する場合(も

しくはその逆方向)は反射波の発生が少なく,マルチパス遅延

広がりは小さい.一方,港湾など水深が浅い海底で、音波を水平

方向に送波するときは,海面,海底や障害物を何度も反射する

波 が 多 く 発 生 し , マ ル チ パ ス 遅 延 広 が り が 大 き く な る . 我 々 は

後者の伝搬環境,すなわち,浅海域で、のマノレチパス対策に取り

高且んでいる.

一 般 に は CP 長 を マ ル チ パ ス 遅 延 広 が り よ り も 大 き い 条 件

で 設 定 す れ ば 良 い と さ れ て い る が , 浅 海 域 で は 場 所 に よ っ て

マ ル チ パ ス 遅 延 広 が り が 大 き く 変 化 す る た め , 最 大 条 件 でCP

長 を 設 定 す る と 通 信 伝 送 効 率 が 大 幅 に 低 下 す る こ と が 問 題 と

な る . 我 々 は マ ル チ パ ス 遅 延 広 が り が CP 長 を 超 え た と き で

も 安 定 し た 通 信 を 実 現 す る 方 法 と し て デ ー タ 選 択 型RAKE

受 信(DSRake)

]

3

[

の 提 案 やQPSK 伝送時における OFDM と

SC-FDE の通信性能比較

]

4

[

を行っている.

OFDM やSG幽幽-F幽ε.

でで、ある反面, ドップラーシフトが発生しているときは周波数軸

上 で 隣 接 す る 信 号 同 士 が 干 渉 し , 周 波 数 領 域 等 化 も 機 能 せ ず 通

信特性が大幅に劣化する. ドップラーシフト対策としてドップ

ラーシフトを受けた受信信号を時間領域で伸縮処理するリサン

プ リ ン グ 処 理

]

5

[

が 有 効 で あ る . た だ し , 従 来 の リ サ ン プ リ ン

グ処理はドップラーシフト量が一定であることを前提としてい

るので,通信中にドップラーシフト量が変動する場合に対応で

きない問題がある.

本稿で、は長遅延マノレチパスおよびドップラーシフト対策を説

明し,その対策手法の効果を港湾実験で検証したので報告する.

長 遅 延 マ ル チ パ ス 下 の 試 験 で はSC-FDE がOFDM よりも優

れた通信特性を示していた. ドップラーシフト試験では従来の

リサンプリング処理を改良した並列構成リサンプリング処理の

通信性能測定を行い,提案法の効果を確認した.

2

.

港 湾 実 験 の 概 要

2 0

16 年8月から9月にかけて北海道紋別市オホーツクタワー

周 辺 の 港 湾 で 水 中 音 響 通 信 試 験 を 実 施 し た . 港 湾 内 の 水 深 は 約

1

0

m で あ り , 周 辺 は 防 波 堤 で 閉 ま れ て い る た め , 波 浪 は 穏 や

かであるが防波堤で反射する音波の影響が

5

齢、環境である.試

験地および場所を図1に示す.

試 験 装 置 構 成 を 図2に示す.送信側ではコンピュータ上の動

作 す る ソ フ ト ウ ェ ア を 用 い て 送 信 デ ー タ や 変 調 信 号 の 生 成 を 行

う. USB デ ー タ 収 集taaD( noitisuiqcA , DAQ) 装 置 に よ り デ

ジタノレデータからアナログ信号に変換し,信号増幅した後に

(注1):ガードインタ}パノレ drauG( lavetnI , I)G とも呼ばれる.本稿では CP

とGI は同義として扱う

-

66-オホーツクタワー周辺

図1 試 験 地 お よ び 場 所

T r a n s m i t t e

r eSid X)(T

F

L

f

f

1

1

¥

R e c e i v e

r Side RX)(

H ydrophones

図2 試 験 装 置 構 成

トランスデ、ューサから音波が送出される.受信側で、はハイドロ

フォンにより音波を電気信号に変換し,信号増幅した後にDAQ

装置でアナログ信号からデジタルデータに変換する.デジタル

データをコンヒoュータ上のハードデ、イスクに記録した後でソフ

トウェアによる信号分析や通信性能測定を行う.各装置は耐圧

容器に収納され,試験装置を海中に沈めて試験を行うことがで

きる.

送波器(トランスデューサ)と受波器(ハイドロフォン)数は

それぞれ, 2 と4 で あ る . 本 稿 で は OFDM やSC-FDE の通

信 試 験 評 価 に つ い て 述 べ る が , 本 装 置 はMIMO(Multi-Input

M u)tutpuO-itl の通信試験も可能である. MIMO の本格的な

通 信 試 験 は

1

7

2

0

年に実施する予定である

3

.

マルチパス試験

3.1 長遅延波の影響

マノレチパスを直接波と遅延波の2波モデ、ノレで表現したときの

遅延波到来時間と CP 長 の 関 係 を 図3に示す.図 )a(3 は遅延

波 到 来 時 聞 がCP 長より短い場合である. CP1 はData1 の一

部をコピーして挿入する.受信信号は直接波と遅延波を重畳し

たものになる. FFT Window 1で示すFFT 窓で信号を切り出

したとき直接波に対してはData1 , 遅 延 波 に 対 し て はCP1 と

D

ata1 の一部が含まれる. CP1 とData1 が巡回性および連続

性があることから,遅延波成分は周波数領域で位相回転として

(4)

i

f

-羅

I

L

-事

5

:

m

j

l

i

i

M

a

-E

F F T W i n d o w 1 D i r e c t eavW

D e l a y W a v e -0 . 5 1 .5

Q

P

S

K

伝送時のコンスタレーション

図5

RX S i g n a l ( b

)lavirrA emit sreignol naht .ChPtgnel

遅延波到来時間と

C

P

長の関係

T X S i g n a l RX S i g n a l ( b

) SC司FDE

送波器および受波器位置(地形図は GoogleMap ]6[ を使用)

T i m e ]sm[

( a ) 211ecnm atsid

図7 遅延プロファイノレ

生 し な い.OFDM は 一 部 の 信 号 が 符 号 反 転 す る こ と で シ ン ボ

ノレ誤りが発生するが, SC-F

のシンボボ、ルが正しく復調でで、きる. QPSK 伝 送 に 限 れ ばSG圃-F

はOFDM よりもブロツク間干渉に強いことがわかる.

3.3 試験結果

長遅延マルチパス環境下でのOFDM とSC-FDE の通信性能

比較を港湾実験で、行った.送波器

(

T

X

)

および、受波器

)

(

R

X

置を図6に示す.図中の距離は送波器と受波器開の直線距離を

示 し て い る . 送 波 器 , 受 波 器 と も に 海 面 か ら 1 m から 2 m の

位置に固定した.計測した遅延プロファイノレを図 7に示す.

接波の最大振幅を1,到来時間を0 としたときの遅延波分布を

F F T W i n d o w 1 D i r e c t W a v e D e l a y W a v e

図3

R X D a t a ( a ) OFDM

図6

3

t

c

ω

4

リV

E

TX D a t a R X D a t a

OFDM およびSC-FDE 送受信処理

浅 海 域 で は 場 所 に よ っ て 遅 延 波 弼 来 時 間 が 大 き く 変 わ る た

め,図)b(3 に 示 す 遅 延 波 到 来 時 間 が CP 長 よ り 大 き い 場 合 を

想定しなければならない. FFT Window 2で示すFFT 窓信号

切り出し位置に注目すると,直接波はData2 ,遅延波はDatal

とCP2 の一部が含まれる. Data1 とData2 は異なるデータで

あるので、ブロック間干渉retnI( Block enerefertnI , )BII が発生

し,ブロック間干渉を周波数領域等化で補正することは不可で

ある.

3.2

我 々 は ブ ロ ッ ク 間 干 渉 が 発 生 す る 状 況 下 で のOFDM とSC 凶

FDE 通 信 特 性 比 較 を 文 献

]

4

[

で報告している.OFDM および

SC-FDE の送受信処理を図4に示す.図中の FDE は周波数領

域等化quency(Fre Domain )ontiaziluaqE である.OFDM と

SC-FDE は時間・周波数変換の処理順番が異なるだけであり,

各 々 の ブ ロ ッ ク で の 処 理 は 同 じ で あ る . 図 中 の QPSK Mod.

やQPSK Demod. で 示 す1次 変 調(QPSK 変復調)に注目す

ると OFDM は周波数領域でQPSK 変復調を行うのに対して,

SC-FDF は 時 間 領 域 でQPSK 変復調を行う.我々はブロック

干渉が所望信号に与える影響が周波数領域と時間領域の復調で

は大きく異なることを明らかにした.

QPSK 伝 送 時 の コ ン ス タ レ ー シ ョ ン を 図5に示す.雑音や

ブロック間干渉が無いときは受信信号点は図中の三角(複素平

面上では1

+

j, -1 十j,-1 -j, 1 -)j で示す4点に収束する.

OFDM で は ブ ロ ッ ク 間 干 渉 は 干 渉 信 号 が 位 相 回 転 し て 所 望 信

号に重畳されるが, SC-FDE は干渉信号に対する位相回転は発

O F D M とSC-F

D E

(5)

表1 通信仕様

M

odulation QPSK-OFDM , QPSK-SC-FD 巨

Sampling Frequency 200 kHz

C e

nter Frequency 50 kHz

F

requency Band 40 ot 60 kHz

N

o. ofesrcarribuS bmyS(ols) 512

N

o. of Data rsreiracbuS (Sys)mlob 256

N

o. oftloiP srerircbauS o)slmbyS( 256

D

aat Block Ltegnh 25.6 ms

CP Length 64.ms

Frame Length 128 ms

Frame Data eizS 1024 stib

F

EC Convlanoitulo Coding

C

oding Rate 0.5

N

o. of ueatlavEd Frames 27

T

ransmit Data Rate 8 kbps

表2 BER 測 定 結 果

表 し て い る . 距 離 211 m と距離366 m とは大きく遅延波分布

が 異 な る こ と が わ か る . 遅 延 波 は 周 囲 の 岸 壁 か ら 水 平 方 向 で 反

射した音波に由来するものと思われる.

通信仕様を表1に示す. OFDM/SC-FDE のベースパンド信

号 帯 域 幅20 kHz に 対 し て 搬 送 波 周 波 数50 kHz にアップコン

G|セN

キャリアを使用する. CP 長 は64. ms であり,図)b(7 に示す

ように一部の遅延波の到来時間はCP 長 を 超 え て い る . 誤 り 訂

正 に は 畳 み 込 み 符 号 を 使 用 し , 符 号 化 率1/2 に対して送信時の

データ伝送レートは8 kbps である.

OFDM とSC-FDE のBER 測 定 結 果 を 表2に示す.なお,

搬送波電力対雑音電力比seioN-ot-erirraC( tioRa , CNR) は91

dB から23 dB とだいたい同じCNR 値 に な る よ う に 送 波 出 力

を調整している. 4チャネル受波器に対して各チャネルで、復調

したときの平均BER( 4ch A ).ev と4チャネノレ信号を空間ダイ

ノ〈ーシチ合成したときのBER(Space ).viD を測定した.

長 遅 延 マ ル チ パ ス の 影 響 に よ り 距 離366 m のBER は 距 離

2 1

1 m と比べると 1桁程度大きい.OFDM とSC-FDE の比較

ではどの条件でもSC-FDE がOFDM よりも優れたBER 特 性

を示しており,最大1桁の違いがあった.

3.4 シミュレーション評価

図7の遅延プロファイルを基にマルチパス伝搬モデ、/レを作成

し, OFDM とSC-FDE の通信特性を評価するシミュレーショ

ンを行った.通信仕様は表 1 と同じであるが,評価フレーム数

は100 とした.シミュレーションでは周波数毎の雑音電力は全

て一定としているが,実海域試験で、は海中の背景雑音やハイド

ロフォン周波数特性により周波数毎に雑音電力や信号電力が大

きく変動するので大まかな比較となる.

-

68-1 0

0

1

0 51

CNR ]Bd[

図8 シミュレーション結果(距離 211 m)

5 20 25

1 0

0

ω

1 0 - 1

1

0 51

CNR ]Bd[

図9 シミュレーション結果(距離 366 m)

2 5

5 20

距 離211 m と距離366 m に対するシミュレーション結果を

図8 と図9に示す.どの場合でも SC-FDE はOFDM よりも

優 れ たBER 特 性 を 示 し て い る . 試 験 時 の CNR 条件から,図

8お よ び 図9のCNR 20 dB 付 近 のBER と表2のBER 結果

を比較する.港湾実験では様々な要因により受信信号が歪むの

で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン のBER 値より大きくなるが, BER 値が 1

0

-3

よ り 大 き い も の を 比 べ る と だ い だ い 類 似 し た 結 果 に な っ

ていることがわかる . QPSK 伝 送 時SC-FDE のブロック間干

渉に対する頑健性を港湾実験とシミュレ}ション評価の両方で

確認することができた.

4

.

ドップラーシフト試験

4.1 ドップラーシフト補償

図10 に ド ッ プ ラ ー シ フ ト が 所 望 信 号 に 与 え る 影 響 を 示 す .

ドップラー効果は時間軸上で波長が変化する現象であるので,

ある通信フレームの信号長が伸縮するように観測される.周波

数軸上では周波数がシフトして観測されるが,周波数毎の変化

量に違いがあることに注意しなれければならな」い.

電磁波無線ではキャリア周波数がベースパンド伝送帯域幅よ

(6)

t

D o p p l e

r A仔e'edtc langiS

5 ( ( 1 lL+)t)

t

-

dettismnarT langiS

5切

D o p p l e

r A仔e'detc langiS

S ( ( 1 + )f)lL

図 10 ドップラーシフトの影響

う Transmitted S i g n a l

Doppler A仔dtec:e S i g n a l R eceived lgnaSi

f

D oppler

Compensated lgnaSi

図11 リサンプリング処理

周波数補正をすれば良い.一方,水中音響通信はキャリア周波

数と伝送帯域幅にあまり差がないため,周波数補正しても伝送

帯域幅が変化した影響が残る.このため,水中音響通信のドッ

プラーシフト補償は周波数補正ではなく,時間軸上での補正を

行うリサンプリング処理

]

5

[

が用いられる場合が多い.

リサンプリング処理の手順を図11 に示す.ある一定間隔でサ

ンプリングされた送信仰jデ、ジタル信号をデ、ジタル・アナログ変

換し,連続信号とする.周波数が低くなる方向シフトするドッ

プラーシフトが発生したとき,時間軸上で信号全体が伸長され,

図中の三角で示すようにサンプリング点が等価的にずれる.送

信側と受信側のサンプリング間隔が一致しているとき,デジタ

ノレ・アナログ変換して得られる受信側のデ、ジタノレ信号は四角で

示すサンプリング点であり,送信側と比べて信号点数が増えて

いる.送信組リのデ、ジタノレ信号点数と合わせるようにデータ補間

すると元の信号に復元することができる.この補聞をリサンプ

リング処理と呼ぶ.

一 般 的 な ド ッ プ ラ ー シ フ ト 補 償 を 図

2

1

に示す. ドップラー

シフト補償はリサンプリング処理とキャリア周波数オフセット

( C a r r i e

r rF equency 0t百es' ,CFO) 補 償 の2ステップで行われ

.

]

7

[

ドップラーシフト推定では周波数変化か信号時間長変化

を 計 測 す る こ と で ド ッ プ ラ ー シ フ ト 量 ム が 得 ら れ る . ドップ

ラーシフト量に基づいてリサンプリング処理で信号を補正し,

残留誤差を周波数オフセット補償で微調整する.

4.2 並列構成リサンプリング処理

従来法ではドップラーシフトは一定とみなしてリサンプリン

グ処理を行っているが,実際にはドップラーシフト量が時間と

ともに不規則に変化するのでドップラーシフトぱらつきを考慮

しなれければならない.我々はドップラーシフトぱらつきを前

I n p ut S i g n a l

園21 ドップラーシフト補償

40 kHz

D ata

D a t

a

-

I Modulatnoi I

(

50-60 kHz S

i n

e

'

1

|

γ

〆lagniS

F

Wave enSi Wave OFDM/SC-FD 王

RX S i g n a l S i n g l e ingResampl

( C o n v e n t i o n a l ) ( a ) 丁目rittensm

( b ) Rec 巴revi

図31 並列構成リサンプリング処理

二u "

o <c r n . . . .

iセ Data

v)

出 国

場d

u

Q) Q)

v1

提とした並列構成リサンプリング処理

]

8

[

を提案している.

並 列 構 成 リ サ ン プ リ ン グ 処 理 の 構 成 を 図

3

1

に示す.送信側

ではOFDM/SC. ・.FDE 信 号 に ド ッ プ ラ ー シ フ ト 推 定 用 の 正 弦

波信号を重畳して送信信号とする.受信側ではフィルタ処理に

より正弦波信号と OFDM/SC-FDE 信 号 を 分 離 す る . 正 弦 波

信号に対して周波数測定と行い, ドップラーシフト平均ムM と

偏 差 ムD を求める.従来手法は図中の elgniS Raesmpling と示 す箇所であり,リサンプリング処理時にドップラーシフト平均

ムM のみを用いる.一方,提案法はリサンプリングレートを,

IームM ームD,1ームM-

.

.

D

D/2 ,

1-sM

, 1ー ムM 十ムD/2 ,

1ームM+ ムD と複数設定して,それぞれ別に復調処理を行う.

それぞれ別の復号データが得られるが,そのデータ候補からピ、ツ

ト誤りがないものを選択し,最終出力とする.データにピット誤

りがあるかの判別は巡回冗長検査cilcyC( Redundancy Check ,

CRC) による誤り検出を利用している.

4.3 試験結果

送波器を船で牽引し, ドップラーシフトを発生させた状態で

の通信試験を実施した.図 14 に送波器のGPS 移動軌跡を示す.

受波器位置は海面下8 m で固定し,送波器は船に取り付けて、海

面下1 m の位置とした.OFDM とSC-FDE に対する2回で

の試験ではともに送波器を4---3 km/h の 移 動 速 度 で 往 復 運 動

させている.通信仕様は表 3の通りである.表 1 とほぼ同様の

仕様であるが, ドップラーシフト推定用に40 kHz の正弦波信

号を送波するため, OFDM/SC-FDE の 伝 送 帯 域 を0-5----zHk

6

0 kHz と狭めている.

ドップラーシフト発生時の試験結果を図

5

1

に示す.横軸がフ

レーム番号,縦軸がBER である. リサンプリング処理を行わ

ない場合(N-on )gnilpmaseR はほとんどのフレームでBER が

0 .

5 と全く通信ができていない.提案法lellaraP( lgni)pmaseR

(7)

( a

) OFDM )(b SC-FDE

図14 送波器のGPS 移 動 軌 跡

表3 ドップラーシフト試験時の通信仕様

M

odulation QPSK ーOFDM ,QPSK-SC-FDE Sampling Frequency 200 kHz

F

r巴quency Band 50to 60 kHz Sine Wave Fqeruency 40 kHz

N

o. ofesrcrribauS o)slybmS( 512

D

ata Block eLngth 5.12 ms

CP Length 12.8 ms

Frame Length 256ms

T

ransmit Data Rate 4 kbps

ム が 多 く , 通 信 特 性 を 改 善 す る こ と が で き て い る. O F D M と

SC-FDE の 比 較 で は 若 干SC-FDE の ほ う がBER がO となる フレームが多い. リ サ ン プ リ ン グ 処 理 はOFDM ,SC-FDE に 関 係 な く 有 効 が あ る こ と が わ か る . 提 案 法 の リ サ ン プ リ ン グ 処

理 を 適 用 し た 場 合 で も ま だBER が0.5 と な る フ レ ー ム が 多 い こ と か ら , 周 波 数 オ フ セ ッ ト 補 正 を 導 入 す る な ど ド ッ プ ラ ー シ

フト補償に対する更なる改善が必要である.

5

.

本 稿 で は , 長 遅 延 マ ル チ パ ス お よ び ド ッ プ ラ ー シ フ ト に 対 応

し た 水 中 音 響 通 信 の 港 湾 実 験 結 果 を 報 告 し た . 長 遅 延 マ ル チ パ

ス 下 の 試 験 で はSC-FDE がOFDM よ り も 優 れ た 通 信 特 性 を 示し,測定した遅延フ。ロファイノレに基づ、くシミュレーションで

も同様の結果が得られた. ドップラーシフト試験では従来のリ

サ ン プ リ ン グ 処 理 を 改 良 し た 並 列 構 成 リ サ ン プ リ ン グ 処 理 の 評

価を行い, O F D M , SC-FDE どちらにおいても提案法リサンプ

リング処理が有効であることを確認した. リサンプリング処理

に 周 波 数 オ フ セ ッ ト 補 正 を 組 み 合 わ せ る な ど の ド ッ プ ラ ー シ フ

ト補償に対する更なる改善が今後の課題である.

謝辞 本 研 究 実 施 に 関 し て ご 協 力 頂 き ま し た 紋 別 市 , 北 海 道 立 オ ホ ー ツ ク 流 氷 科 学 セ ン タ ー , 株 式 会 社 オ ホ ー ツ ク ・ ガ リ ン コ

タワーの関係各位に深く感謝致します.本研究の一部は, JSPS

科 研 費(16K18099 ,15K06048) により実施している.

Frame Number

(a)OFDM

1 0

0

O

Frame Number

( b ) SC-FDE

図15 ドップラーシフト試験結果

文 献

[ 1

] M. nivocajotS , "Low compltyeix OFDM torected rof under -w

a

tre icstcoua eslcnnah ," 1EEE OCEANS , pp-2.811 , p.Se 2

0 0 6 . [ 2

] B. .S Cha 時, R. D. Souza , M. .E zlenelP ,“On eth er-p f

ormance fo yldeiw reanil SC 時FDE systems rof underwa -t

e

r icstouac communication ," 1EEE OCEANS , pp.1-4 , May 2

0 1 5 .

[ 3

] 吉津真吾,谷本洋,賢藤隆ガードインターパル越えマルチ

パス環境におけるデータ選択型Rake 受信を用いた水中音響

OFDM 通 信 電 子 情 報 通 信 学 会 RCS 研究会, RCS2016-36 p

p

. 67-72

May 6.012

[ 4

] 吉津真吾,谷本洋,粛藤隆,“長遅延マルチパス環境下の水中

音響通信におけるシングルキャリア周波数領域等化電子情報 通信学会S1S 研究会,SS12016 吋6,.pp 29-34 , June 6.012

[ 5

] ..SB frihaS , .J Neasha 瓜 .O R. Hinton , .A .E Adams ,“A c

o m p u t a t i

onally e田tneic Doppler compensation system rof u

n

drweater ctiusoca commuincations ," 1EEE lrnaJou of O

c

eianc Engieeringn , 5p.p2-61 , Aug. .2000 [

6

] jp:tth jwww.google.comjpern 出snois .j senlideiugoeg html

{

aBosheng iL , iglneSh Zhou , caliiM tojanovicS , Lee Fragtie P

e t e

r ttleWil ,“rirecarltiMu communication vero der-un w

aetr icstcoua nslecnah with nonuniform Doppler ihs 氏s,"

1EEE Journal fo Oceanic egniriegnEn

pp.1-98209

June 2

0 0 8 .

[ 8

] 吉津真吾,谷本洋,粛藤隆,馬淵佑作,津久井智也,津田信

一,“水中音響通信におけるリサンプリング処理を用いたドッ プラーシフト補償の効果'J 海洋音響学会2017 年度研究発表会,

May .1720

表 1 通 信 仕 様 Mo du la ti on Q P S K - O F D M , QPSK-SC-FD 巨 S am pl in g F re qu en cy 2 0 0 k H z Cen ter F re qu en cy 5 0 kH z Fr eq ue ncy Ba n d 4 0 o t 6 0 k H z No

参照

関連したドキュメント

東京工業大学

東京工業大学

関東総合通信局 東京電機大学 工学部電気電子工学科 電気通信システム 昭和62年3月以降

学識経験者 小玉 祐一郎 神戸芸術工科大学 教授 学識経験者 小玉 祐 郎   神戸芸術工科大学  教授. 東京都

高機能材料特論 システム安全工学 セメント工学 ハ バイオテクノロジー 高機能材料プロセス特論 焼結固体反応論 セラミック科学 バイオプロセス工学.

講師:首都大学東京 システムデザイン学部 知能機械システムコース 准教授 三好 洋美先生 芝浦工業大学 システム理工学部 生命科学科 助教 中村

関西学院大学産業研究所×日本貿易振興機構(JETRO)×産経新聞

向井 康夫 : 東北大学大学院 生命科学研究科 助教 牧野 渡 : 東北大学大学院 生命科学研究科 助教 占部 城太郎 :