水中音響トランスデューサーセンサーの開発と応用

1 水中音響変換器ネットワークの基本概念と歴史

 

の 水中音響変換器 ネットワークは、世界的なネットワーク技術の普及の成果です。陸地は光や電気の有線手段で接続され、ネットワークは無線ネットワーク、さらには空中の通信衛星で接続されるようになった今、完全に開墾されていない未開の土地は海中ネットワークだけが残っているのかもしれない。いつか、コンピューターの電源を入れてインターネットに接続すると、大西洋深海のリアルタイムの海流データがすぐに得られるようになることが考えられます。水中カメラを設置すれば、大上流の色とりどりの魚たちも画面上で見ることができます。 。これが水中音響変換器ネットワークが直面する課題である。水中音響ネットワークは情報伝達の手段として使用され、水中センサーは情報取得の窓口として使用され、最終的に水中音響ネットワークは何らかの方法で従来のネットワークに組み込まれ、観測者に送信される水中データを統合する。音波は水中で長距離を伝送できる唯一のエネルギー形態であるため、水中での電波の伝播距離は非常に短く、また、光は水中での減衰と散乱が大きいため、水中環境には適していません。 。水中音響トランスデューサは、水中音響波を情報媒体として構成された無線ネットワークです。これは、空中の情報媒体が電波であり、水中の情報媒体が音波である点を除けば、空中の無線ネットワークに似ています。水中音響ネットワークは、水中音響通信トランスデューサと音響通信に基づくネットワークという 2 つの技術的課題を解決する必要があります。水中音響通信は 2 人のユーザー (または情報源) 間のポイントツーポイント通信を解決し、ネットワーキングは複数のユーザー (または情報源) が水媒体チャネルを共有する場合の情報相互作用の問題を解決します。開発中の新興技術である水中音響ネットワークの開発が空中無線ネットワークに比べて大きく遅れている理由は、水中音響通信技術の開発によって大きく制限されています。最古の水中音響通信は、1950 年代のアナログ データ用の振幅変調 (AM) および単側波帯 (SSB) 水中電話に遡ることができます。水中の音響残響環境における振幅変調のため、1970 年代以前にはいくつかのアナログ システムがありました。 VLSI 技術の発展に伴い、水中デジタル周波数シフト キーイング (FSK) 技術が 1980 年代初頭に適用されました。チャネルの時間と周波数の広がりに対して堅牢です。水中音響コヒーレント通信は 1980 年代後半に登場しました。非コヒーレント通信と比較して、コヒーレント水中音響通信技術は、限られた帯域幅の水中音響チャネルの帯域幅効率を向上させることができます。しかし、水中音響チャネルの過酷さと複雑さのため、水中音響コヒーレント通信は開始されていませんでした。当時の水中音響通信の距離と速度の積は約0.5kmであると受け入れられていました。 1990年代には、DSPチップ技術とデジタル通信理論の発展により、多くの複雑なチャネル等化技術が実現できるようになり、水中音響コヒーレント通信技術の開発が推進され、チャネルのマ​​ルチパス効果が深海の垂直チャネルよりもはるかに複雑であるため、水平チャネル通信の研究に目を向けました。 1990年代半ばには、浅海環境における水中音響通信トランスデューサの速度と距離の積が40km×kbitに達し、水中音響トランスデューサが確立されました。水中ネットワークの画期的な主要コンポーネントは、水中音響モデムの出現です。水中音響トランスデューサ応用の最も初期のコンセプトは、1993 年の自律海洋サンプリング ネットワーク (AOSN) でした。米国は 1998 年に水中音響トランスデューサのコンセプトを検証する年次実験を開始しました。 1990年代半ば以降、水中音響通信技術と水中ネットワーク技術が同時に発展してきました。ただし、水媒体の特殊性と複雑性 (高い時間遅延、大きな減衰、マルチパス、周波数シフトなど) のため、陸上で使用されます。無線ネットワーク技術を水中ネットワークに直接適用することはできず、水中チャネル、水中通信、および水中ネットワーク プロトコルに関する研究が優先されています。同時に、1990 年代から現在に至るまで、近距離無線通信をベースとした地上無線センサーネットワークの開発も急速に進んでいます。水中音響センサー ネットワークは、地上センサー ネットワークの概念を水中用途に拡張したものであると言えます。水中音響センサーネットワークは複数のセンサーノードで構成されます。ノードは、固定されたブイや水中ターゲットなどに固定することも、水中ロボット (UV または AUV) などに移動させることもできます。現在、水中音響センサーネットワークは、さまざまなタイプの水中センサーに応じてさまざまな情報を取得できます。海洋データの取得、海洋汚染の監視、沿岸開発、防災、水中航行および測位支援、海洋資源調査および科学研究データの取得、分散戦術監視、機雷偵察、水中目標の検出、追跡および測位に使用できます。つまり、水中音響センサーネットワークは、ある水中エリアのさまざまなセンサーノードを介して水中情報を取得し、水中ノードとの音響通信とネットワーキングを行い、最終的に特定のノードを通過して再無線を行う有線と有線の形で、カバーエリアで得られた情報を陸上の従来のネットワークに組み込み、観測者の水中サブネットに送信します。水中音響センサー ネットワークのいくつかの特徴がわかります。 1 つ目は可動性です。移動可能なネットワークであるため、自己組織化して特定のネットワーク ルーティング方法に従うことができる自律的なネットワークである必要があります。 2つ目は、水中無線および水中音響通信です。水中音響通信を使用するため、海洋環境の特性に適応し、物理層の技術的課題を解決する必要があります。第三に、ワイヤレスであり、バッテリー駆動であるため、エネルギーが限られています。第四に、データがあります。中継機能により監視データを海岸に送信できます。データを効果的かつ確実に送信するには、特定のネットワーク プロトコルに従う必要があります。ネットワーク トポロジは、ルーティング方法、エネルギー損失、ネットワーク容量、ネットワークの信頼性を決定するため、最初にネットワーク トポロジを導入する必要があります。

2 水中音響センサーネットワークのトポロジー構造

陸上の無線センサー ネットワーク構造と同様に、水中水音響センサー ネットワークのトポロジー構造は、集中型ネットワーク (集中型ネットワーク) と分散型ピアツーピア ネットワーク (分散型ピアツーピア ネットワーク) の 2 つのカテゴリに分類できます。集中型ネットワークでは、ノード間の通信はセントラル ノードを介して実現され、ネットワークはこのセントラル ノードを介してバックボーン ネットワークに接続されます。この構成の主な欠点は、単一障害点が存在することです。つまり、このノードの障害がネットワーク全体の障害につながることです。また、単一モデムの範囲は限られているため、集中型ネットワークのカバー範囲も制限されます。図 1 は、集中型ネットワークのトポロジの概略図です。ピアツーピア ネットワークは、ネットワークを「管理」する中央ノードが存在せず、各ノードが比較的同等の権限を持つことを意味します。ルーティング方法の違いにより、ピアツーピア ネットワークにはいくつかの違いがあります。完全に接続されたピアツーピア ネットワークは、ネットワーク内の 2 つの任意のノードに直接「ポイントツーポイント」接続を提供します。このトポロジにより、ルーティングの必要性が軽減されます。ただし、ノードが広範囲に分散している場合は通信が必要になります。威力が大幅にアップしました。また、「近くと遠く」の問題も発生します。つまり、ノード A がリモート ノードにデータ パケットを送信するときに、ノード A の隣接ノードが他の信号を受信するのをブロックしてしまいます。

 

マルチホップ ピアツーピア ネットワークは隣接するノード間でのみ通信し、メッセージは送信元から宛先までのノード間の複数のホップによって完成します。マルチホップ システムは、ネットワークの範囲がノードの数に依存し、単一のモデムの範囲によって制限されなくなるため、より広いエリアをカバーできます。図 2 は、マルチホップ ピアツーピア ネットワーク トポロジの概略図です。このネットワークは、マルチホップ ピアツーピア ネットワークに属するワイヤレス モバイル アプリケーション用のネットワークです。事前にインフラを構築する必要がなく、インフラレスネットワーク（インフラストラクチャーネットワーク）とも呼ばれます。その特徴は、自律ネットワーク、動的トポロジー、帯域幅制限と可変リンク容量、マルチホップ通信、分散制御、エネルギーが制限されたノード、およびセキュリティが制限されたことです。インフラストラクチャに依存しないため、迅速に導入でき、より広いエリアをカバーできます。水中で信頼できるインフラストラクチャは限られており、移動可能な AUV は水中音響センサー ネットワークの重要な部分となるため (AUV は水中センサー ネットワークのパフォーマンスを向上させることができます)、その自己組織化能力と動的トポロジーにより、アドホック ネットワークは水中音響センサー ネットワークでの使用に非常に適しています。アドホックネットワークは水音響ネットワークの応用に適していますが、その安全性の問題は常に研究課題となっています。実際、 水中ハイドロフォン センサー ネットワークは、集中型ネットワークとピアツーピア ネットワークのハイブリッドである必要があります。文献 [16] では、2 次元および 3 次元の水音響センサー ネットワークが紹介されています。二次元とは、得られる情報の次元を指します。 2 次元水中音響センサー ネットワークでは、センサー ノードとデータ トランスポンダー (シンク) がシンクを中心とした狭いエリアの海底に配置され、各センサーのデータは水平リンクに直接またはマルチホップ方法 (マルチホップ ピアツーピア ネットワーク) でシンクに到達でき、センサー データはシンクを介して垂直リンクで転送された場合にのみ水上ステーションに到達できます。海底の一定領域の情報しか得られないため、二次元センサーネットワークと呼ばれます。三次元水中音響センサーネットワークでは、水中のターゲットの深さを制御できるため、特定のエリア内のマルチセンサーノードが異なる深さに配置され、特定のエリアと異なる深さの海洋情報を取得できるため、三次元水中音響センサーネットワークと呼ばれます。ネットワーク トポロジでは、マルチホップ ピアツーピア ネットワークでもあります。 AUV は海のさまざまな深さに到達でき、固定底センサー ネットワークと組み合わせることで、3 次元の水中音響センサー ネットワークを形成することもできます。水中音響センサー ネットワークのため、水上の他の従来のネットワークへのアクセスには常に問題が存在することを指摘しておく価値があります。この作業を完了するには、サーフェス ステーション、ゲートウェイ、またはマスター ノードと呼ばれる特別なノードがあります。水中ネットワークと通信するための音響モデムだけでなく、衛星または陸上ネットワークと通信するための無線モデムまたはケーブル モデムも備えている必要があります。水上ステーションはブイを輸送体として使用することも、水上艦を輸送体として使用することもできます。ネットワーク トポロジは、ルーティング方法、エネルギー損失、ネットワーク容量、ネットワークの信頼性を決定します。完全に接続されたピアツーピア ネットワークのルーティング方法によると、直線に沿って等間隔に分散された複数のセンサー ノードで構成されるネットワークは、マルチホップ ピアツーピア ネットワークよりも多くの電力を消費することが研究で示されています。また、ネットワーク容量はネットワーク トポロジにも影響されます。

 

3 水中音響センサーネットワーク層の関連概念

水中音響センサー ネットワークは確かに新しい分野ですが、それに従う概念は一般的に使用されているネットワーク プロトコル スタックの概念と同じです。表 1 は、一般的に使用されるネットワーク層の概念です。わかりやすくするために、この記事では、物理層、データリンク層、ネットワーク層という基本的な 3 つの層についてのみ説明します。物理層で解決すべき問題は伝送媒体をどう使うか

 

 

この特性 (チャネル特性) と対応する変調方式により、効果的なデータ伝送が可能になります。水媒体に基づく音響通信は、ネットワーク プロトコル層における典型的な物理層の問題です。送信側では、情報ビットをチャネルで送信できる信号 (音響信号) に変換する必要があり、受信側では、媒体内の信号を情報ビットに戻す必要があります。これは水中音響モデムの役割であり、主にメディア変換 (電気音響信号変換など)、周波数帯域利用効率、チャネル適応性の 3 つの側面が関係します。水中音響通信で一般的に使用される変調方式は、周波数偏移変調（FSK）などの非コヒーレント変調方式と、位相偏移変調（PSK）や直交振幅変調などのコヒーレント変調方式の2つに分類されます。 (QAM)。非コヒーレント変調は、過酷な水中音響環境に対して優れた堅牢性を備えていますが、レートは低いです。コヒーレント変調方式は符号化効率が高く、周波数帯域の利用率が高いですが、伝送距離に制限があります。一部のテクノロジーは両方とも物理層です。

 

水中音響センサー ネットワークの伝播媒体は水であり、地上センサー ネットワークの媒体である空気とは大きく異なります。したがって、陸上で有効に使用できるネットワークプロトコルを水中の音響ネットワークに適用することはできません。水の音響伝播特性から始めて、音の影響について説明します。通信の要素を学習し、それがネットワーク プロトコル スタックのさまざまな層に引き起こす問題を分析します。

 

4.1 「影響を与える物理的要因」 水中音響通信

4.1.1 「長い伝播遅延と大きな遅延分散 空気中の電磁波の伝播速度は、水中の音波の伝播速度の 20 万倍です。音速が遅いため、伝播遅延が非常に大きくなり、1 キロメートルあたり約 0.67 秒の遅延になります。同時に、水中の音響チャネルの時間変化特性により、遅延分散が非常に大きくなります。前者はネットワークのスループットに影響します。後者は、一部の時間ベースのプロトコルを動作不能にします。

 

4.1.2 「大きな伝播損失 (経路損失とも呼ばれます)」

Urick の伝播モデルによれば、伝播損失は拡大と減衰によって生じる損失の合計です。減衰損失には、吸収、散乱、および音響チャネルから漏れる音響エネルギーの影響が含まれます。吸収は音エネルギーが熱エネルギーに変換されることによって引き起こされ、周波​​数と距離に応じて増大します。膨張損失とは、波面の膨張によって引き起こされる音響エネルギーの膨張を指します。これには主に、深海環境における点源の球状拡大 (全方向への拡大) が含まれます。伝播損失は距離の二乗に応じて増加します。浅い水域では円筒状に膨張します。水平面上に拡大すると、伝播損失は距離とともに増加します。音響信号の伝播損失は周波数や距離の増加に伴って増加するため、水中音響チャネルの利用可能な周波数帯域は非常に限られており、伝播距離も限られています。したがって、水中通信ネットワークで長距離通信を行うには、低いコードレートしか選択できません。高いコードレートを選択したい場合は、短距離通信のみを実行できます。一般に、伝播距離を 10 ～ 100km に達させるには、利用可能な帯域幅は 2 ～ 5kHz の範囲になります。中距離伝送は 1 ～ 10km、帯域幅は 10kHz 程度です。使用周波数帯域が 100kHz を超える場合、伝播距離は 100m 未満でなければなりません。

 

4.1.3 「重大な複数のルート」

マルチパス現象は、音源と受信機の間に複数の伝播経路が存在することによって引き起こされ、浅い海や長距離伝播でよく発生します。簡単に言えば、単一の音源からの信号は、複数のパスが存在するため、受信側で異なる時間に到着する複数の信号を受信することができます。マルチパスは信号の振幅と位相の変動を引き起こします。異なるパスの伝播時間の違いにより、深刻な信号歪みが発生し、異なる受信機間で受信信号の無相関化が生じ、さらにマルチパスにより帯域幅の拡大も引き起こされます。これらは通信信号を著しく劣化させ、シンボル間干渉を引き起こします。マルチパスは、音源と受信機の間の位置と距離にも関係します。海底面を基準にすると、垂直航路のマルチパスの影響は小さく、水平航路のマルチパスの影響は大きくなります。

 

環境騒音は、潮汐、乱気流、海の風と波、雷雨に関連する多くの要因の集合体です。船舶騒音も重要な騒音源です。深海の騒音が比較的確実である状況とは異なり、浅海の環境騒音、特に沿岸海域や湾、港湾などの環境騒音は、時間や場所によって大きく変化します。騒音は主に船舶騒音、産業騒音、風騒音、生物騒音から構成されます。環境ノイズは信号の S/N 比を低下させ、水中音響通信のパフォーマンスに影響を与えます。 4.1.5 インチのドップラー分散 深刻なドップラー シフトは、音源と受信機の相対的な動きによって引き起こされます。音の速度は電磁波の速度より 20 万倍遅いため、非常に小さな速度でもドップラー周波数シフトが発生する可能性があり、チャネルのせいで水中の音響搬送波周波数は低くなります。これら 2 つの要因が合計され、水中でのドップラーの影響は空中での無線通信よりもはるかに大きくなります。ドップラーのみが発生すると、単純な周波数変換であれば、受信機の補償は比較的容易ですが、複数のパスが存在するため、音響信号が複数回海面に到達すると、各パス間で異なるドップラーシフトが発生し、高速データ通信時に符号間干渉が発生し、周波数帯域効率が低下します。