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JP7634462B2 - Underwater acoustic communication device and underwater acoustic communication method - Google Patents

Underwater acoustic communication device and underwater acoustic communication method Download PDF

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JP7634462B2 JP2021183383A JP2021183383A JP7634462B2 JP 7634462 B2 JP7634462 B2 JP 7634462B2 JP 2021183383 A JP2021183383 A JP 2021183383A JP 2021183383 A JP2021183383 A JP 2021183383A JP 7634462 B2 JP7634462 B2 JP 7634462B2
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Description

本発明は、水中における音響を用いた無線通信装置に関する技術である。 The present invention is a technology related to wireless communication devices that use underwater acoustics.

水中での無線通信は、電波や光では減衰が大きいため、音響が用いられる。音響の中でも低周波数ほど低減衰の傾向であることが知られており、長距離通信については100kHz以下の周波数が用いられる。このため、周波数帯域として広帯域を用いることが困難であり、伝搬時間も電波や光と比較すると長くなることからスループットといった伝送効率の改善が水中音響通信における大きな課題となる。 Acoustic communication is used for wireless communication underwater, as radio waves and light are highly attenuated. It is known that the lower the frequency of sound, the less attenuation there is, and for long-distance communication, frequencies below 100 kHz are used. This makes it difficult to use a wide frequency band, and the propagation time is also longer than with radio waves and light, so improving transmission efficiency, such as throughput, is a major challenge for underwater acoustic communication.

周波数帯域が制約された無線通信としては、ノード間の通信の上り回線と下り回線を周波数で分ける周波数分割方式と時間で分ける時間分割方式が広く知られている。時間分割方式は、上り回線と下り回線の時間配分を変えることで容易に伝送量の配分を変えることができ、周波数利用効率の点で長所がある。特に水中での画像や動画といったデータ伝送が発生するユースケースでは、上り回線と下り回線の伝送量の配分を適応的に変えられることは周波数利用効率の上で有効である。 Widely known types of wireless communication with restricted frequency bands are the frequency division method, which divides the uplink and downlink of communication between nodes by frequency, and the time division method, which divides them by time. The time division method has the advantage of being able to easily change the allocation of transmission volume by changing the time allocation of the uplink and downlink, and is advantageous in terms of frequency utilization efficiency. In particular, in use cases where data transmission occurs, such as underwater images and videos, being able to adaptively change the allocation of transmission volume between the uplink and downlink is effective in terms of frequency utilization efficiency.

水中音響通信における時間分割方式を用いた例として、特許文献1や特許文献2が知られている。
特許文献1では、複数ノードから送信したパケット信号がシンクノードの受信においてパケットトレインの形態で連続的に受信されるように送信タイミング制御を行っている。
特許文献2では、第1の時間長さを有するスロットに対して、送受信の際に他の通信装置との距離に応じて生じる伝播遅延の時間長さと、前記スロットが含むパケットの時間長さとの総和よりも第2の時間長さが長くなるように前記第2の時間長さを決定し、前記スロットに基づく前情報の送受信を、前記第2の時間長さに応じて指示することをすることで、パケットに含まれる情報が欠損することなく送受信できるようにしている。
Known examples of the use of a time division method in underwater acoustic communication include those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233699 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233699.
In Patent Document 1, transmission timing control is performed so that packet signals transmitted from a plurality of nodes are continuously received in the form of a packet train at the sink node.
In Patent Document 2, for a slot having a first time length, a second time length is determined so that the second time length is longer than the sum of the time length of a propagation delay that occurs during transmission and reception depending on the distance from other communication devices and the time length of the packet contained in the slot, and transmission and reception of previous information based on the slot is instructed according to the second time length, thereby enabling information contained in the packet to be transmitted and received without any loss.

特表2019-508000号公報Special table 2019-508000 publication 特開2011-101084号公報JP 2011-101084 A

上記特許文献に代表される従来の時間分割方式では、上り通信と下り通信の干渉を防ぐため伝搬時間に相当するガード時間が必要であった。ガード時間にはデータ通信を行うことができず、通信効率低下の原因となる。水中音響通信は、電波や光と比較して伝搬速度が遅いため、特に長距離の通信でガード時間が大きくなり、通信効率の低下が顕著となる。例として距離3キロの通信の場合には、電波や光の伝搬時間が約10マイクロ秒であるのに対して、水中音響の場合には伝搬時間が2秒であり、水中音響通信における時間分割方式の利用には2秒以上のガード時間が必要ということになる。
そこで、本発明では、水中音響通信における通信効率の向上を目的とする。
In the conventional time division method typified by the above-mentioned patent documents, a guard time equivalent to the propagation time is required to prevent interference between upstream and downstream communications. During the guard time, data communication cannot be performed, which causes a decrease in communication efficiency. Since the propagation speed of underwater acoustic communication is slower than that of radio waves or light, the guard time becomes large, particularly in long-distance communication, and the decrease in communication efficiency becomes significant. For example, in the case of communication over a distance of 3 km, the propagation time of radio waves or light is about 10 microseconds, while the propagation time of underwater acoustic communication is 2 seconds, so that a guard time of 2 seconds or more is required to use the time division method in underwater acoustic communication.
Therefore, an object of the present invention is to improve communication efficiency in underwater acoustic communication.

本願において開示される発明のうち代表的なものについて簡単に説明すれば下記のとおりである。
開示の水中音響通信装置は、相手ノードからの音響信号を受信する受信部と、前記相手ノードに対して音響信号を送信する送信部と、タイマーと、前記受信部により受信した受信信号と前記タイマーの出力とを用いて、前記相手ノードとの間を音響信号が往復するに要する伝搬往復時間を推定する伝搬往復時間推定部と、前記送信部による送信間隔を前記伝搬往復時間と一致させる送信タイミング制御部と、前記送信部による送信時間長を前記伝搬往復時間よりも小さく制御する送信時間長制御部とを備えたことを特徴とする。
開示の水中音響通信方法は、水中音響通信装置が、相手ノードからの音響信号を受信する受信ステップと、前記受信ステップにより受信した受信信号とタイマーの出力とを用いて、前記相手ノードとの間を音響信号が往復するに要する伝搬往復時間を推定する伝搬往復時間推定ステップと、前記相手ノードに対する音響信号の送信間隔を前記伝搬往復時間と一致させる送信タイミング制御ステップと、前記相手ノードに対する送信時間長を前記伝搬往復時間よりも小さく制御する送信時間長制御ステップと、前記相手ノードに対して音響信号を送信する送信ステップと、を含むことを特徴とする。
Representative aspects of the inventions disclosed in this application will be briefly described below.
The disclosed underwater acoustic communication device is characterized in that it comprises a receiving unit that receives an acoustic signal from a counterpart node, a transmitting unit that transmits an acoustic signal to the counterpart node, a timer, a round-trip propagation time estimation unit that uses the received signal received by the receiving unit and the output of the timer to estimate the round-trip propagation time required for the acoustic signal to travel round-trip between the counterpart node, a transmission timing control unit that matches the transmission interval by the transmitting unit with the round-trip propagation time, and a transmission time length control unit that controls the transmission time length by the transmitting unit to be shorter than the round-trip propagation time.
The disclosed underwater acoustic communication method is characterized in that it includes an underwater acoustic communication device including a receiving step in which an acoustic signal is received from a counterpart node, a round-trip propagation time estimation step in which, using the received signal received in the receiving step and the output of a timer, an estimation step of a round-trip propagation time required for the acoustic signal to travel round-trip between the counterpart node and the counterpart node, a transmission timing control step in which a transmission interval of the acoustic signal to the counterpart node is matched with the round-trip propagation time, a transmission time length control step in which a transmission time length to the counterpart node is controlled to be shorter than the round-trip propagation time, and a transmission step in which an acoustic signal is transmitted to the counterpart node.

本発明により、水中音響通信における通信効率を向上することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。 The present invention can improve communication efficiency in underwater acoustic communication. Problems, configurations, and effects other than those described above will become clear from the description of the embodiment of the invention below.

図1は本発明の実施の形態による水中音響通信装置のブロック構成図である。FIG. 1 is a block diagram of an underwater acoustic communication device according to an embodiment of the present invention. 図2は従来の時間分割方式における通信信号のタイミングを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the timing of communication signals in a conventional time division system. 図3は本発明の時間分割方式における通信信号のタイミングを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the timing of communication signals in the time division system of the present invention. 図4は本発明の変調信号スペクトルを示すイメージ図である。FIG. 4 is an image diagram showing a spectrum of a modulated signal according to the present invention. 図5は本発明のフローチャートを示す図である。FIG. 5 is a flow chart of the present invention.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施例は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
実施例において、プログラムを実行して行う処理について説明する場合がある。ここで、計算機は、プロセッサ(例えばCPU、GPU)によりプログラムを実行し、記憶資源(例えばメモリ)やインターフェースデバイス(例えば通信ポート)等を用いながら、プログラムで定められた処理を行う。そのため、プログラムを実行して行う処理の主体を、プロセッサとしてもよい。同様に、プログラムを実行して行う処理の主体が、プロセッサを有するコントローラ、装置、システム、計算機、ノードであってもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であれば良く、特定の処理を行う専用回路を含んでいてもよい。ここで、専用回路とは、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)等である。
プログラムは、プログラムソースから計算機にインストールされてもよい。プログラムソースは、例えば、プログラム配布サーバまたは計算機が読み取り可能な記憶メディアであってもよい。プログラムソースがプログラム配布サーバの場合、プログラム配布サーバはプロセッサと配布対象のプログラムを記憶する記憶資源を含み、プログラム配布サーバのプロセッサが配布対象のプログラムを他の計算機に配布してもよい。また、実施例において、2以上のプログラムが1つのプログラムとして実現されてもよいし、1つのプログラムが2以上のプログラムとして実現されてもよい。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The examples are illustrative for explaining the present invention, and are omitted and simplified as appropriate for clarity of explanation. The present invention can be implemented in various other forms. Unless otherwise specified, each component may be singular or plural.
In order to facilitate understanding of the invention, the position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings may not represent the actual position, size, shape, range, etc. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, etc. disclosed in the drawings.
In the embodiment, a process performed by executing a program may be described. Here, the computer executes the program using a processor (e.g., CPU, GPU), and performs the process defined by the program while using a storage resource (e.g., memory) and an interface device (e.g., a communication port). Therefore, the subject of the process performed by executing the program may be the processor. Similarly, the subject of the process performed by executing the program may be a controller, device, system, computer, or node having a processor. The subject of the process performed by executing the program may be a calculation unit, and may include a dedicated circuit that performs a specific process. Here, the dedicated circuit is, for example, an FPGA (Field Programmable Gate Array), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or a CPLD (Complex Programmable Logic Device).
The program may be installed on the computer from a program source. The program source may be, for example, a program distribution server or a computer-readable storage medium. When the program source is a program distribution server, the program distribution server may include a processor and a storage resource for storing the program to be distributed, and the processor of the program distribution server may distribute the program to be distributed to other computers. In addition, in the embodiments, two or more programs may be realized as one program, and one program may be realized as two or more programs.

本願において開示される発明の代表的な実施形態について概要を説明する。本発明の代表的な実施の形態による水中音響通信装置は、図1に示すように、送信部(101)と受信部(102)と制御部(103)を含んで構成される。 A representative embodiment of the invention disclosed in this application will be outlined below. As shown in FIG. 1, an underwater acoustic communication device according to a representative embodiment of the invention includes a transmitting unit (101), a receiving unit (102), and a control unit (103).

送信部(101)では、送信信号生成部(104)にて送信データ(105)がデジタル変調(106)され、その後、アナログ処理部(107)で所望の周波数帯域のアナログ信号に変換されて音響送波器(108)を介すことで音響となり、別のノードに向けた音響信号(109)として出力される。 In the transmitting unit (101), the transmission data (105) is digitally modulated (106) in the transmission signal generating unit (104), then converted into an analog signal of the desired frequency band in the analog processing unit (107), which is then converted into acoustic sound via the acoustic transmitter (108) and output as an acoustic signal (109) directed to another node.

受信部(102)では、別のノードから送られた音響信号(110)を音響受波器(111)にてアナログ信号に変換する。変換されたアナログ信号はアナログ処理部(112)にて不要周波数帯域の雑音抑圧の後にデジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号は、受信信号抽出部(113)にて同期信号の検出やドップラ補正が行われた後にデジタル復調(114)されて受信データ(115)として抽出される。 In the receiving unit (102), an acoustic signal (110) sent from another node is converted into an analog signal by an acoustic receiver (111). The converted analog signal is converted into a digital signal after noise suppression of unnecessary frequency bands in an analog processing unit (112). The converted digital signal is subjected to detection of a synchronization signal and Doppler correction in a received signal extraction unit (113), and then digitally demodulated (114) and extracted as received data (115).

送信する音響信号(109)と受信する音響信号(110)において同一の周波数帯域を用いる場合には送信と受信が干渉しないようにする必要があり、空間的な干渉回避が難しい場合には、送信時間と受信時間が重ならないように時間を分割する必要がある。時間分割についてはタイミング制御が必須であり、送信する音響信号(109)のタイミング制御については制御部(103)におけるタイマー(116)を用いることで容易に行うことができる。 When the same frequency band is used for the transmitted acoustic signal (109) and the received acoustic signal (110), it is necessary to prevent interference between transmission and reception, and when it is difficult to avoid spatial interference, it is necessary to divide the time so that the transmission time and the reception time do not overlap. Timing control is essential for time division, and timing control of the transmitted acoustic signal (109) can be easily performed by using a timer (116) in the control unit (103).

図2は、一般的な時間分割方式を示した図でありノード1(201)とノード2(202)およびノード2が遠距離である場合(203)の通信信号のタイミングを示している。図2の横方向は時間であり縦方向は距離に相当する。時間分割方式の場合、ノード1が送信の期間(204)は、ノード2からの送信信号はノード1では受信できないため、斜線(205)と斜線(206)の期間は、ノード2からの送信信号は無効である。また、ノード1からの送信信号(204)をノード2が受信する斜線(207)と斜線(208)の間の期間は、ノード2からノード1へ信号を送信できない。ノード2からノード1へ信号を送信できるのは残りの期間(209)であり、ノード2が遠距離である場合(203)に期間(209)が短くなることがわかる。また、ノード1とノード2のいずれも送信できない期間はガード時間(210)と呼ばれ、ノード1とノード2の伝搬遅延時間に相当する。ノード2が遠距離である場合(203)にガード時間(210)が長くなることがわかる。例としてノード1とノード2の距離が3キロメートルの場合、電波や光であれば約10マイクロ秒のガード時間が必要なのに対して、水中での音響の速度はおよそ1500メートル毎秒なので2秒のガード時間が必要ということになる。このガード時間の期間はノード1もノード2も信号を出力しないので、特に水中音響通信において伝送効率が大きく劣化する。 Figure 2 shows a typical time division method, and shows the timing of communication signals between node 1 (201) and node 2 (202) and when node 2 is far away (203). The horizontal direction of Figure 2 corresponds to time, and the vertical direction corresponds to distance. In the case of the time division method, during the period (204) when node 1 is transmitting, the transmitted signal from node 2 cannot be received by node 1, so the transmitted signal from node 2 is invalid during the period between the diagonal lines (205) and (206). In addition, during the period between the diagonal lines (207) and (208) when node 2 receives the transmitted signal (204) from node 1, a signal cannot be transmitted from node 2 to node 1. The remaining period (209) is when a signal can be transmitted from node 2 to node 1, and it can be seen that the period (209) is shorter when node 2 is far away (203). In addition, the period when neither node 1 nor node 2 can transmit is called the guard time (210), and corresponds to the propagation delay time between node 1 and node 2. It can be seen that the guard time (210) is longer when node 2 is far away (203). For example, if the distance between node 1 and node 2 is 3 kilometers, a guard time of about 10 microseconds is required for radio waves or light, whereas the speed of sound in water is approximately 1500 meters per second, so a guard time of 2 seconds is required. During this guard time, neither node 1 nor node 2 outputs a signal, so transmission efficiency is significantly degraded, especially in underwater acoustic communication.

図3は、本発明における通信信号のタイミングを示している。ノード1の送信信号(204)がノード2で受信される期間(301)と、ノード2からの送信信号が無効となる斜線(205)と斜線(206)の期間を一致させることでガード時間を不要とすることが可能である。このとき、送信間隔(302)は斜線(207)と斜線(205)を合わせた伝搬往復時間と一致する。水中での音響の速度から、距離3キロメートルであれば送信間隔を約4秒、距離300メートルであれば送信間隔を約0.4秒とすればよく、この送信間隔のタイミング制御は、図1における伝搬往復時間と送信間隔を一致させる送信タイミング制御部(117)を用いることで行われる。 Figure 3 shows the timing of communication signals in the present invention. It is possible to eliminate the need for a guard time by matching the period (301) during which the transmission signal (204) of node 1 is received by node 2 with the period of diagonal lines (205) and (206) during which the transmission signal from node 2 is invalid. In this case, the transmission interval (302) matches the round-trip propagation time of diagonal lines (207) and (205). Due to the speed of sound in water, the transmission interval can be set to about 4 seconds for a distance of 3 kilometers, and about 0.4 seconds for a distance of 300 meters. The timing control of this transmission interval is performed using a transmission timing control unit (117) that matches the transmission interval with the round-trip propagation time in Figure 1.

伝搬往復時間については、図1における制御部(103)のタイマー(116)情報を送信データ(105)に含めて送信するタイムスタンプ方式を用いることで推定することが可能である。このとき、ノード1とノード2のタイマー(116)は同期している必要があるため、例えば水中にノードを沈める前にGPSなどで同期をさせて水晶発振器や原子時計のような高精度時計をタイマー(116)として採用することで正確な同期を維持することが可能である。タイムスタンプ方式による伝搬往復時間の推定(118)としては、片道の伝搬遅延時間を2倍して伝搬往復時間とする簡易的な推定でもよいし、片道の伝搬遅延時間の測定結果とタイマー情報の両方を送信データ(105)に含めて伝搬往復時間を推定してもよい。前者の2倍する推定方法は、往路と復路の伝搬遅延時間が同じであることを仮定するので安定した伝搬環境であることが望まれる。後者では信号を往復させる必要があるので伝搬往復時間の推定情報が古くなる懸念がある。 The round-trip propagation time can be estimated by using a time stamp method in which timer (116) information of the control unit (103) in FIG. 1 is included in the transmission data (105) and transmitted. At this time, the timers (116) of node 1 and node 2 must be synchronized. For example, the nodes can be synchronized with GPS before being submerged in water, and a high-precision clock such as a quartz oscillator or atomic clock can be used as the timer (116) to maintain accurate synchronization. The round-trip propagation time estimation (118) using the time stamp method may be a simple estimation in which the one-way propagation delay time is doubled to obtain the round-trip propagation time, or the propagation round-trip propagation time may be estimated by including both the measurement result of the one-way propagation delay time and the timer information in the transmission data (105). The former estimation method of doubling assumes that the propagation delay times on the outbound and return routes are the same, so a stable propagation environment is desirable. The latter requires the signal to be sent back and forth, so there is a concern that the estimated information on the round-trip propagation time may become out of date.

ノード1とノード2に相対速度がある場合には伝搬往復時間が変化するので、次の期間の伝搬往復時間を推定(118)しながら送信タイミングを制御(117)する必要がある。ノード1とノード2の相対速度については受信信号抽出部(113)で同期を行う際にドップラ量を推定することができるので、推定したドップラ量から相対速度を演算することで既知とすることができる。ノード1とノード2の相対速度がわかれば次の期間の伝搬往復時間を推定することができるので、この推定した伝搬往復時間を採用するとよい。 When there is a relative speed between node 1 and node 2, the round trip propagation time changes, so it is necessary to estimate (118) the round trip propagation time for the next period while controlling (117) the transmission timing. The relative speed between node 1 and node 2 can be known by calculating the relative speed from the estimated Doppler amount, since the Doppler amount can be estimated when synchronizing in the received signal extraction unit (113). If the relative speed between node 1 and node 2 is known, the round trip propagation time for the next period can be estimated, so it is advisable to use this estimated round trip propagation time.

図3に示す通信信号のタイミングを実現するためには、伝搬往復時間に対して送信パケットを短く形成する必要がある。ここで、送信パケットに含まれるビット数は誤り訂正の符号長を考慮すると、ある程度大きめのビット数でパケットを形成する必要がある。また、同期信号やヘッダー信号が含まれるために極端に短いパケットの形成は伝送効率の劣化を招くことになる。これらのことを考慮して送信パケットを例えば5000ビット以上で形成すると仮定する。変調信号をBPSKと仮定すれば1ビットが1シンボルなので1パケットは5000シンボル以上という仮定になる。図4は、本発明における遠距離通信での変調信号の周波数スペクトル(401)と、近距離通信での変調信号の周波数スペクトル(402)をイメージした図である。水中音響通信では低周波数ほど低減衰であることから、遠距離通信の場合には低い周波数を用いると有利である。また、音響送波器(108)の出力が強すぎるとキャビテーションと呼ばれる水中に気泡が生じる現象が発生するため送信する音響信号の音圧レベルには限界がある。限られた音圧レベルで遠距離通信を行う際には変調帯域を狭帯域にすると周波数あたりの音圧レベルが上がるため有利である。一方で、近距離通信であれば信号の減衰や音圧レベルの限界は気にならないため、高周波数まで広がる広帯域な変調信号を利用することが可能である。ここで、例として通信距離3000メートルの遠距離通信で変調帯域として5キロヘルツから10キロヘルツを用い、通信距離300メートルの近距離通信で変調帯域として5キロヘルツから55キロヘルツの広帯域を用いたとする。遠距離通信では変調帯域が5キロヘルツなので、先の1パケットが5000シンボル以上であることを仮定すると1パケットは1秒以上で生成されることになる。この1秒は3000メートルの往復伝搬時間4秒に対して短いために、図3に示す通信信号のタイミングを実現できるといえる。また、図3におけるノード1(201)の送信時間(204)とノード2(203)の送信時間(209)の配分は1秒~3秒の間でトレードオフの関係で設定できるので、送信するデータ量に応じて時間配分をすると通信として効率的である。この時間配分は、図1における送信時間長制御部(119)により行われる。送信時間長制御部(119)は、自ノードの送信時間長が伝搬往復時間よりも小さくなるよう、さらに、自ノードの送信時間長と相手ノードの送信時間長の合計が伝搬往復時間以内となるよう、送信時間長を制御する。送信時間長制御部(119)は、この条件の範囲内で、自ノードと相手ノードが送信するデータ量に応じて時間配分を行うのである。近距離通信では変調帯域として50キロヘルツ用いることができるので、先の1パケットが5000シンボル以上であることを仮定すると1パケットは0.1秒以上で生成されることになる。この0.1秒は300メートルの往復伝搬時間0.4秒に対して短いために、図3に示す通信信号のタイミングを実現できることとなる。この距離に応じた変調帯域の切替は、図1の通信変調帯域制御部(120)により行われる。一方で、近距離通信に対しても遠距離通信と同じ変調帯域5キロヘルツを用いると、往復伝搬時間0.4秒よりパケット1秒のほうが長くなるため、図3で示す通信信号のタイミングを実現することができない。このように図3のタイミングを実現できない場合は、図1の伝搬往復時間と送信間隔を一致させる送信タイミング制御部(117)をバイパスして送信タイミング制御を行う必要がある。 To realize the timing of the communication signal shown in FIG. 3, it is necessary to form a transmission packet short with respect to the round-trip propagation time. Here, the number of bits contained in the transmission packet needs to be formed with a somewhat larger number of bits, taking into account the code length of error correction. In addition, forming an extremely short packet will lead to a deterioration in transmission efficiency because it contains a synchronization signal and a header signal. Taking these factors into consideration, it is assumed that the transmission packet is formed with, for example, 5000 bits or more. If the modulated signal is assumed to be BPSK, one bit is one symbol, so one packet is assumed to be 5000 symbols or more. FIG. 4 is a diagram illustrating the frequency spectrum (401) of the modulated signal in long-distance communication in the present invention and the frequency spectrum (402) of the modulated signal in short-distance communication. In underwater acoustic communication, the lower the frequency, the lower the attenuation, so it is advantageous to use a low frequency in the case of long-distance communication. In addition, if the output of the acoustic transmitter (108) is too strong, a phenomenon called cavitation occurs in which bubbles are generated in water, so there is a limit to the sound pressure level of the transmitted acoustic signal. When performing long-distance communication with a limited sound pressure level, it is advantageous to narrow the modulation band because the sound pressure level per frequency increases. On the other hand, in short-distance communication, since signal attenuation and sound pressure level limits are not a concern, it is possible to use a wideband modulation signal that extends to high frequencies. Here, as an example, assume that a modulation band of 5 kHz to 10 kHz is used for long-distance communication with a communication distance of 3000 meters, and a wideband modulation band of 5 kHz to 55 kHz is used for short-distance communication with a communication distance of 300 meters. Since the modulation band is 5 kHz in long-distance communication, assuming that one packet is 5000 symbols or more, one packet will be generated in more than one second. Since this one second is shorter than the round-trip propagation time of 3000 meters, which is 4 seconds, it can be said that the timing of the communication signal shown in FIG. 3 can be realized. In addition, the allocation of the transmission time (204) of node 1 (201) and the transmission time (209) of node 2 (203) in FIG. 3 can be set in a trade-off relationship between 1 second and 3 seconds, so that the time allocation is made according to the amount of data to be transmitted, which makes communication efficient. This time allocation is made by the transmission time length control unit (119) in FIG. 1. The transmission time length control unit (119) controls the transmission time length so that the transmission time length of the own node is shorter than the round-trip propagation time, and further so that the sum of the transmission time length of the own node and the transmission time length of the other node is within the round-trip propagation time. The transmission time length control unit (119) makes the time allocation according to the amount of data to be transmitted by the own node and the other node within the range of this condition. Since 50 kHz can be used as the modulation band in short-distance communication, if it is assumed that one packet is 5000 symbols or more, one packet will be generated in 0.1 seconds or more. Since 0.1 seconds is shorter than the 300 meter round trip propagation time of 0.4 seconds, the communication signal timing shown in FIG. 3 can be realized. The switching of the modulation band according to the distance is performed by the communication modulation band control unit (120) in FIG. 1. On the other hand, if the same modulation band of 5 kHz as for long distance communication is used for short distance communication, the packet time of 1 second will be longer than the round trip propagation time of 0.4 seconds, so the communication signal timing shown in FIG. 3 cannot be realized. When the timing in FIG. 3 cannot be realized in this way, it is necessary to perform transmission timing control by bypassing the transmission timing control unit (117) in FIG. 1, which matches the transmission interval with the round trip propagation time.

ここで、送信タイミング制御部(117)のバイパスについて説明する。一例として、制御部103が、伝搬往復時間と所定の閾値を比較し、伝搬往復時間が所定の閾値未満となった場合に送信タイミング制御部(117)をバイパスすればよい。送信タイミング制御部(117)をバイパスすると、伝搬往復時間と送信間隔を一致させる制御が行われず、図2に示したようにガード時間を設けた音響通信を行うことになる。しかし、同時に送信時間長を伝搬往復時間内に収めるという制限も不要となり、また、伝搬往復時間が閾値未満の近距離ではガード時間自体も小さいことから、ガード時間を設けても通信効率の低下は軽微である。 Now, we will explain bypassing the transmission timing control unit (117). As an example, the control unit 103 may compare the round trip propagation time with a predetermined threshold, and bypass the transmission timing control unit (117) when the round trip propagation time falls below the predetermined threshold. Bypassing the transmission timing control unit (117) does not perform control to match the round trip propagation time with the transmission interval, and acoustic communication is performed with a guard time as shown in FIG. 2. However, at the same time, there is no need to restrict the transmission time length to within the round trip propagation time, and since the guard time itself is small at short distances where the round trip propagation time is less than the threshold, the decrease in communication efficiency is only slight even if a guard time is provided.

図5は本発明におけるフローチャートの一例を示している。通信を開始するノード(以下、通信開始ノードという)は、まず搬送周波数を決定(501)する。搬送周波数の決定に際しては、各周波数の雑音状況を確認し、雑音状況の良好な周波数を選択する。搬送周波数を決定した後には、通信開始ノードは、宛先ノードに応答要求を送信(502)する。応答要求に対して宛先ノードから応答がない場合(503)は、宛先ノード周辺では決定した搬送周波数の雑音状況が悪い可能性があるため、通信開始ノードは、搬送周波数の見直しを行う。応答がある場合(504)は、通信開始ノードは、応答要求を送信してから応答を受信するまでの時間をもとに伝搬往復時間を推定(505)する。ここで応答に際しては、宛先ノードにおける雑音状況や受信レベルさらには送信予定のデータ量といった情報を含めると効率が良い。伝搬往復時間の推定(505)によりノード間の距離を把握でき、また応答に含まれる情報より通信環境を把握できるので、通信開始ノードは、これらの情報をもとに送信間隔、通信変調帯域、送信時間長といった通信パラメータを決定(506)する。通信開始ノードは、決定した通信パラメータ情報を宛先ノードへ送信(507)する。宛先ノードでは通信パラメータ情報を受け取ったあとに応答(508)を送り、その後、受け取った情報に準じた通信パラメータ(509)に移行する。通信開始ノードでは、宛先ノードからの応答(508)を受信した後、所定の通信パラメータ(509)に移行する。応答がない場合(510)には、通信開始ノードは、通信パラメータ情報を宛先ノードに再度送付する。ここまでのフローは、あらかじめ決めておいた変調帯域を使用し、その変調帯域は雑音の影響を抑圧するために狭帯域であることが望ましい。また、各周波数での雑音環境が類似の場合には信号減衰を考慮して搬送周波数をできる限り低周波にするとよい。 Figure 5 shows an example of a flowchart in the present invention. A node that starts communication (hereinafter referred to as a communication start node) first determines a carrier frequency (501). When determining the carrier frequency, the noise conditions of each frequency are checked and a frequency with a good noise condition is selected. After determining the carrier frequency, the communication start node transmits a response request to the destination node (502). If there is no response from the destination node to the response request (503), the communication start node reviews the carrier frequency because the noise conditions of the determined carrier frequency may be poor around the destination node. If there is a response (504), the communication start node estimates the round-trip propagation time based on the time from sending the response request to receiving the response (505). Here, when responding, it is efficient to include information such as the noise conditions and reception level at the destination node and the amount of data to be transmitted. The distance between the nodes can be known by estimating the round trip propagation time (505), and the communication environment can be known from the information contained in the response, so the communication initiation node determines communication parameters such as the transmission interval, communication modulation band, and transmission time length based on this information (506). The communication initiation node transmits the determined communication parameter information to the destination node (507). After receiving the communication parameter information, the destination node sends a response (508), and then transitions to communication parameters (509) according to the received information. After receiving the response (508) from the destination node, the communication initiation node transitions to a predetermined communication parameter (509). If there is no response (510), the communication initiation node resends the communication parameter information to the destination node. The flow up to this point uses a predetermined modulation band, and it is desirable for the modulation band to be narrow in order to suppress the effects of noise. Also, if the noise environment at each frequency is similar, it is advisable to set the carrier frequency as low as possible, taking into account signal attenuation.

通信開始ノードと宛先ノードで、所定の通信パラメータへ移行した後、図3を代表とするタイミングにて通信を行う。このとき、伝搬往復時間が変化すると受信信号が所望のタイミングから外れていくので、伝搬往復時間が変化したか否かを把握することができ、タイムスタンプ方式を用いれば伝搬往復時間の絶対値を把握することが可能である。所望の受信タイミングの場合(511)は通信を継続し、所望の受信タイミングから外れた場合(512)には、タイムスタンプ方式などにより伝搬往復時間を再度推定(505)したうえで通信パラメータの再決定(506)を行う。 After the communication initiation node and destination node transition to predetermined communication parameters, communication is performed with the timing shown in Figure 3 as a representative example. At this time, if the round trip propagation time changes, the received signal will deviate from the desired timing, so it is possible to know whether the round trip propagation time has changed, and by using a timestamp method, it is possible to know the absolute value of the round trip propagation time. If the desired reception timing is met (511), communication continues, but if the desired reception timing is not met (512), the round trip propagation time is re-estimated (505) using the timestamp method or the like, and the communication parameters are redetermined (506).

これまでの説明では、1対1で時間分割方式の通信を行う場合を例に説明を行った。例えば、親ノードが複数の子ノードと通信する場合には、親ノードが複数の子ノードに異なる周波数帯域を割り当て、それぞれの子ノードと時間分割方式の通信を行えばよい。 The above explanation has been given with an example of one-to-one time division communication. For example, if a parent node communicates with multiple child nodes, the parent node can assign different frequency bands to the multiple child nodes and communicate with each child node using time division.

上述してきたように、開示の水中音響通信装置は、相手ノードからの音響信号(110)を受信する受信部(102)と、前記相手ノードに対して音響信号(109)を送信する送信部(101)と、タイマー(116)と、前記受信部(102)により受信した受信信号と前記タイマー(116)の出力とを用いて、前記相手ノードとの間を音響信号が往復するに要する伝搬往復時間を推定する伝搬往復時間推定部(118)と、前記送信部(101)による送信間隔を前記伝搬往復時間と一致させる送信タイミング制御部(117)と、前記送信部(101)による送信時間長を前記伝搬往復時間よりも小さく制御する送信時間長制御部(119)とを備える。
このように送信間隔と伝搬往復時間とを一致させ、送信時間長が伝搬往復時間内に収まるように制御することで、ガード時間が不要となり、水中音響通信における通信効率を向上することができる。
特に、長距離通信では、伝搬往復時間が長くなることが、送信間隔及び送信時間長を大きくできるという利点に転ずることになる。
As described above, the disclosed underwater acoustic communication device comprises a receiving unit (102) that receives an acoustic signal (110) from a counterpart node, a transmitting unit (101) that transmits an acoustic signal (109) to the counterpart node, a timer (116), a round-trip propagation time estimation unit (118) that estimates the round-trip propagation time required for the acoustic signal to travel round-trip between the counterpart node and the counterpart node using the received signal received by the receiving unit (102) and the output of the timer (116), a transmission timing control unit (117) that matches the transmission interval by the transmitting unit (101) with the round-trip propagation time, and a transmission time length control unit (119) that controls the transmission time length by the transmitting unit (101) to be shorter than the round-trip propagation time.
By thus matching the transmission interval with the round-trip propagation time and controlling the transmission time length to fall within the round-trip propagation time, guard time becomes unnecessary, and communication efficiency in underwater acoustic communication can be improved.
In particular, in long-distance communications, the longer round-trip propagation time can be turned into an advantage in that the transmission interval and transmission time length can be made longer.

また、開示の水中音響通信装置は、前記伝搬往復時間に基づいて、通信に用いる帯域を制御する通信変調帯域制御部(120)をさらに備える。
このため、伝搬往復時間が長い長距離通信では変調帯域を狭帯域にして周波数あたりの音圧レベルを上げ、伝搬往復時間が短い近距離通信であれば広帯域な変調信号を利用する、といったように、距離に応じた効率的な通信を選択できる。
The disclosed underwater acoustic communication device further comprises a communication modulation band control unit (120) that controls the band used for communication based on the round-trip propagation time.
For this reason, efficient communication can be selected according to distance; for example, for long-distance communication where the round-trip propagation time is long, the modulation band is narrowed to increase the sound pressure level per frequency, and for short-distance communication where the round-trip propagation time is short, a wideband modulation signal is used.

また、前記受信部は、前記受信信号のドップラ量を検出し、前記伝搬往復時間推定部は、前記ドップラ量に基づいて前記伝搬往復時間を推定する。
このため、相手ノードの移動による距離の変動が発生する場合にも効率的な通信を行うことができる。
The receiving section detects a Doppler amount of the received signal, and the round trip propagation time estimating section estimates the round trip propagation time based on the Doppler amount.
Therefore, efficient communication can be achieved even when the distance varies due to movement of the partner node.

また、前記通信変調帯域制御部は、周波数ごとの雑音の状況をさらに用いて通信に用いる帯域を決定する。
このため、相手ノードとデータの送受信を行うに先立って、状況が良好な周波数帯域を選択し、雑音による効率低下を回避することができる。
The communication modulation band control unit also determines the band to be used for communication by using the noise conditions for each frequency.
Therefore, before transmitting and receiving data with a partner node, a frequency band with good conditions can be selected, and a decrease in efficiency due to noise can be avoided.

また、前記送信時間長制御部は、前記相手ノードとの間で相互に送信データ容量の通知を行い、相互の送信データ容量から前記送信時間長を決定する。
このため、互いが送信するデータ量に合わせて送信時間長を配分することができる。
The transmission time length control unit also notifies each other of the transmission data capacity with the other node, and determines the transmission time length from the mutual transmission data capacity.
Therefore, the transmission time length can be allocated according to the amount of data each party transmits.

また、開示の水中音響通信装置は、前記伝搬往復時間に応じて、前記送信間隔を前記伝搬往復時間に一致させるか否かを切り替える。
このため、相手ノードとの距離に応じて有利な通信方式を簡易に選択することができる。
The disclosed underwater acoustic communication device switches between matching the transmission interval to the round trip propagation time and not matching the transmission interval to the round trip propagation time, depending on the round trip propagation time.
Therefore, it is possible to easily select an advantageous communication method depending on the distance to the partner node.

また、前記通信変調帯域制御部は、複数の相手ノードと通信を行う場合には、前記複数の相手ノードの各々に異なる周波数帯域を割り当てる。
このため、複数の相手ノードと通信する場合にも、各ノードと個別にガード時間の無い時間分割通信をおこなうことができる。
Furthermore, when communicating with a plurality of remote nodes, the communication modulation band control unit assigns different frequency bands to each of the plurality of remote nodes.
Therefore, even when communicating with a plurality of partner nodes, time division communication without guard time can be performed with each node individually.

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、かかる構成の削除に限らず、構成の置き換えや追加も可能である。
例えば、送信部101、受信部102、制御部103が有する各機能の一部又は全部をプログラムの実行によって実現してもよい。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications are included. For example, the above-mentioned embodiment is described in detail to easily explain the present invention, and is not necessarily limited to the embodiment having all the described configurations. Moreover, the present invention is not limited to the deletion of the configurations, and it is also possible to replace or add the configurations.
For example, some or all of the functions of the transmitting unit 101, the receiving unit 102, and the control unit 103 may be realized by executing a program.

101:送信部、102:受信部、103:制御部、104:送信信号生成部、105:送信データ、106:送信デジタル変調部、107:送信アナログ処理部、108:音響送波器、109:送信音響信号、110:受信音響信号、111:音響受波器、112:受信アナログ処理部、113:受信信号抽出部、114:デジタル復調部、115:受信データ、116:タイマー、117:送信タイミング制御部、118:伝搬往復時間推定部、119:送信時間長制御部、120:通信変調帯域制御部
101: transmitting unit, 102: receiving unit, 103: control unit, 104: transmitting signal generating unit, 105: transmitting data, 106: transmitting digital modulation unit, 107: transmitting analog processing unit, 108: acoustic transmitter, 109: transmitting acoustic signal, 110: receiving acoustic signal, 111: acoustic receiver, 112: receiving analog processing unit, 113: receiving signal extracting unit, 114: digital demodulating unit, 115: receiving data, 116: timer, 117: transmitting timing control unit, 118: propagation round trip time estimating unit, 119: transmitting time length control unit, 120: communication modulation band control unit

Claims (8)

相手ノードからの音響信号を受信する受信部と、
前記相手ノードに対して音響信号を送信する送信部と、
タイマーと、
前記受信部により受信した受信信号と前記タイマーの出力とを用いて、前記相手ノードとの間を音響信号が往復するに要する伝搬往復時間を推定する伝搬往復時間推定部と、
前記送信部による送信間隔を前記伝搬往復時間と一致させる送信タイミング制御部と、
前記送信部による送信時間長を前記伝搬往復時間よりも小さく制御する送信時間長制御部と
を備えたことを特徴とする水中音響通信装置。
A receiving unit for receiving an acoustic signal from a corresponding node;
a transmitter for transmitting an acoustic signal to the other node;
A timer and
a round trip propagation time estimation unit that estimates a round trip propagation time required for an acoustic signal to travel round trip between the corresponding node and the corresponding node, using a reception signal received by the receiving unit and an output of the timer;
a transmission timing control unit that causes a transmission interval by the transmitting unit to coincide with the round-trip propagation time;
a transmission time length control unit that controls a transmission time length by the transmitting unit to be shorter than the round-trip propagation time.
請求項1に記載の水中音響通信装置であって、
前記伝搬往復時間に基づいて、通信に用いる帯域を制御する通信変調帯域制御部をさらに備えたことを特徴とする水中音響通信装置。
2. The underwater acoustic communication device according to claim 1,
The underwater acoustic communication device further comprises a communication modulation band control unit that controls a band used for communication based on the round trip propagation time.
請求項1に記載の水中音響通信装置であって、
前記受信部は、前記受信信号のドップラ量を検出し、
前記伝搬往復時間推定部は、前記ドップラ量に基づいて前記伝搬往復時間を推定する
ことを特徴とする水中音響通信装置。
2. The underwater acoustic communication device according to claim 1,
The receiving unit detects a Doppler amount of the received signal,
The underwater acoustic communication device, wherein the round trip propagation time estimating unit estimates the round trip propagation time based on the Doppler amount.
請求項2に記載の水中音響通信装置であって、
前記通信変調帯域制御部は、周波数ごとの雑音の状況をさらに用いて通信に用いる帯域を決定することを特徴とする水中音響通信装置。
3. The underwater acoustic communication device according to claim 2,
The underwater acoustic communication device according to the present invention, wherein the communication modulation band control unit determines a band to be used for communication by further using a noise condition for each frequency.
請求項1に記載の水中音響通信装置であって、
前記送信時間長制御部は、前記相手ノードとの間で相互に送信データ容量の通知を行い、相互の送信データ容量から前記送信時間長を決定することを特徴とする水中音響通信装置。
2. The underwater acoustic communication device according to claim 1,
The underwater acoustic communication device, characterized in that the transmission time length control unit notifies each other of the transmission data capacity with the corresponding node and determines the transmission time length from the mutual transmission data capacity.
請求項1に記載の水中音響通信装置であって、
前記伝搬往復時間に応じて、前記送信間隔を前記伝搬往復時間に一致させるか否かを切り替えることを特徴とする水中音響通信装置。
2. The underwater acoustic communication device according to claim 1,
An underwater acoustic communication device, characterized in that it switches whether or not the transmission interval is made to coincide with the round-trip propagation time depending on the round-trip propagation time.
請求項2に記載の水中音響通信装置であって、
前記通信変調帯域制御部は、複数の相手ノードと通信を行う場合には、前記複数の相手ノードの各々に異なる周波数帯域を割り当てることを特徴とする水中音響通信装置。
3. The underwater acoustic communication device according to claim 2,
The underwater acoustic communication device according to claim 1, wherein the communication modulation band control unit, when communicating with a plurality of partner nodes, assigns a different frequency band to each of the plurality of partner nodes.
水中音響通信装置が、
相手ノードからの音響信号を受信する受信ステップと、
前記受信ステップにより受信した受信信号とタイマーの出力とを用いて、前記相手ノードとの間を音響信号が往復するに要する伝搬往復時間を推定する伝搬往復時間推定ステップと、
前記相手ノードに対する音響信号の送信間隔を前記伝搬往復時間と一致させる送信タイミング制御ステップと、
前記相手ノードに対する送信時間長を前記伝搬往復時間よりも小さく制御する送信時間長制御ステップと、
前記相手ノードに対して音響信号を送信する送信ステップと、
を含むことを特徴とする水中音響通信方法。
Underwater acoustic communication equipment
a receiving step of receiving an acoustic signal from a remote node;
a round trip propagation time estimation step of estimating a round trip propagation time required for an acoustic signal to travel round trip between the corresponding node and the corresponding node, using the reception signal received in the reception step and an output of a timer;
a transmission timing control step of matching an interval of transmitting an acoustic signal to the corresponding node with the round-trip propagation time;
a transmission time length control step of controlling a transmission time length to the counterpart node to be shorter than the round trip propagation time;
a transmitting step of transmitting an acoustic signal to the corresponding node;
13. An underwater acoustic communication method comprising:
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