JP7017367B2 - Underwater acoustic MIMO communication system using parametric method - Google Patents
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Description
本発明は、水中での音響通信の通信品質を向上させるパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムに関するものである。 The present invention relates to an underwater acoustic MIMO communication system using a parametric method for improving the communication quality of underwater acoustic communication.
従来から、海中における無線通信技術は、ＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle）を用いた沈没船探査や、深海生物調査、海底調査・地質調査、海底資源探査などに役立っている。本国においては、水深７００～１８００ｍ地点に海底熱水鉱床や、マンガン団塊、メタンハイドレートの存在が確認されており、探査と探索、開発が進められている。 Traditionally, underwater wireless communication technology has been useful for submerged ship exploration using AUVs (Autonomous Underwater Vehicles), deep-sea biological surveys, seafloor surveys / geological surveys, and seafloor resource exploration. In the home country, the existence of submarine hydrothermal deposits, manganese nodules, and methane hydrate has been confirmed at depths of 700 to 1800 m, and exploration, exploration, and development are underway.
また、探査には、海中における伝搬減衰が電波や可視光より小さい音波を用いるＳＯＮＡＲ（SOund Navigation And Ranging）が使用される。このＳＯＮＡＲを用いた探査方法には、数百ｋＨｚの音波を用いて海底地形を測定するサイドスキャンソナーや、透過性の高い数十ｋＨｚの音波を用いて海底下の地層を測定するサブボトムプロファイラがある。このうち、サブボトムプロファイラは、低い周波数の音波を狭いビームで放射するために、パラメトリック方式が用いられている。 In addition, SONAR (SOund Navigation And Ranging), which uses sound waves whose propagation attenuation in the sea is smaller than that of radio waves and visible light, is used for exploration. The exploration method using this SONAR includes a side scan sonar that measures the seafloor topography using sound waves of several hundred kHz, and a subbottom profiler that measures the seafloor layer using sound waves of several tens of kHz with high transparency. There is. Of these, the sub-bottom profiler uses a parametric method to radiate low-frequency sound waves with a narrow beam.
このパラメトリック方式を利用した技術については、例えば、特許文献１に開示されている技術は、２周波の音波を同時に音場媒質に送波した時、音場媒質の非線形特性によって音波同士が相互作用を起こし、前記２周波の和と差の周波数成分を発生し、この場合の差の周波数成分が極めて鋭い指向性を有する音波となるパラメトリック効果を利用している。
Regarding the technique using this parametric method, for example, in the technique disclosed in
また、特許文献２には、超音波を送信する超音波送波器と、該超音波送波器を周波数ｆｈで励振する励振信号の生成回路と、該励振信号を該励振信号の周波数ｆｈに比して充分低い繰り返し周波数ｆ１のパルス列でパルス変調するパルス変調回路と、該パルス変調された変調信号を上記超音波送波器に導いて超音波信号を送信する送信器と、上記超音波送波器と同方向に指向して配置され、周波数ｆ１で到来する超音波信号を受信する超音波受波器とを具備してなるパラメトリック探知装置が開示されている。
Further,
さらに、特許文献３には、超音波信号の伝搬媒体の非直線性によるパラメトリック効果より発生する２つの高い周波数の差の低い周波数を受信し、この２つの受信信号を合成することにより目標物を探知するアクティブソーナ方式が開示されている。また、特許文献４に開示されているように、水底埋没物探査装置にパラメトリック方式による送波器と受波器を設ける技術も知られている。
Further, in
またさらに、特許文献５には、音響を用いた埋設物検出方法において、パラメトリックアレイよりなる音響センサの送波器に異なる２つの周波数の信号を印加し、音波の伝播する媒質中において前記周波数の差の周波数を有する音響ビームを形成し、前記音響ビームのビーム方向を変化させて走査し、前記音響ビームの埋設物からの反射音を検出して埋設物を検出することを特徴とする埋設物検出方法が開示されている。 Further, in Patent Document 5, in the method of detecting a buried object using acoustics, signals of two different frequencies are applied to a transmitter of an acoustic sensor composed of a parametric array, and the above frequencies are used in a medium in which sound waves propagate. A buried object characterized in that an acoustic beam having a difference frequency is formed, the beam direction of the acoustic beam is changed and scanned, and the reflected sound from the buried object of the acoustic beam is detected to detect the buried object. The detection method is disclosed.
さらに、特許文献６には、音波の非線形効果を利用したパラメトリック送波器と、このパラメトリック送波器からの音波を受波する受波器を備えたソナーであって、２つの周波数の１次波信号をそれぞれ特定の高速符号で変調して前記パラメトリック送波器へ出力する送信回路と、前記受波器より検出された信号と前記送信回路の同一の高速符号との相関積分により、前記送波器より出力され被検出物より反射した信号を求める受信回路を備えたことを特徴とするパラメトリック拡散ソナーが開示されている。
Further,
ところで、パラメトリック方式を用いた技術に、パラメトリックスピーカがある。馴染みがあるものとしては、超指向性スピーカが知られており、狭い範囲に音波を放射することができ、その鋭い指向性は、伝搬媒質の非線形性により実現できるものである。なお、音波は微小な振幅であれば伝搬媒質の非線形性は無視できるが、振幅が大きくなると非線形現象が現れることが知られており、このような音波を有限振幅音波と呼ぶ。 By the way, there is a parametric speaker as a technique using a parametric method. As a familiar one, a super-directional speaker is known, which can emit a sound wave in a narrow range, and its sharp directivity can be realized by the non-linearity of the propagation medium. It should be noted that the non-linearity of the propagation medium can be ignored if the sound wave has a small amplitude, but it is known that a non-linear phenomenon appears when the amplitude becomes large, and such a sound wave is called a finite amplitude sound wave.
１次波として有限振幅音波を２つの周波数成分ｆ１、ｆ２で放射すれば、各々の高調波の他に、和音ｆ１＋ｆ２や、差音ｆ１－ｆ２といった結合波が１次波のビーム内に２次的に発生する（２次波）。一般的に、周波数が低ければ指向性は広くなるが、パラメトリックスピーカでは、１次波のビームに沿って２次波が生成されるため、周波数が低い差音を鋭い指向性で放射することができる。 If a finite amplitude sound wave is radiated as a primary wave with two frequency components f 1 and f 2 , in addition to the respective harmonics, a coupled wave such as a chord f 1 + f 2 and a difference tone f 1 −f 2 will be the primary wave. It is secondarily generated in the beam of the wave (secondary wave). Generally, the lower the frequency, the wider the directivity, but in a parametric speaker, a secondary wave is generated along the beam of the primary wave, so it is possible to radiate a low frequency difference tone with sharp directivity. can.
１次波のビーム上に２次波の仮想音源が伝搬方向に存在すると捉えられるため、このような２次的に発生する仮想的な縦型アレイのことをパラメトリックアレイと呼ぶ。２次波は、１次波の伝搬に伴い振幅が増し、この作用は１次波の振幅が音波吸収や拡散により減衰するまで持続する。 Since it is considered that the virtual sound source of the secondary wave exists on the beam of the primary wave in the propagation direction, such a virtual vertical array generated secondarily is called a parametric array. The amplitude of the secondary wave increases with the propagation of the primary wave, and this action continues until the amplitude of the primary wave is attenuated by sound wave absorption or diffusion.
一般的に２次波の生成効率は１％と言われているが、２次波のうち差音は、１次波に比べ周波数が低いため音波吸収が小さく、１次波が減衰しても遠方まで伝搬する性質を持つ。このような性質から、海底探査以外にも特定の領域に音を伝えるオーディオスポットといった利用や、超音波医療などに応用されている。 It is generally said that the generation efficiency of the secondary wave is 1%, but the difference sound of the secondary wave has a lower frequency than the primary wave, so the sound wave absorption is small and even if the primary wave is attenuated. It has the property of propagating to a long distance. Due to these properties, it is used not only for seafloor exploration but also for audio spots that transmit sound to specific areas, and for ultrasonic medicine.
しかしながら、上記従来からの技術は、無線通信への応用はされていない。近年では、海中通信ネットワークの構築に向けた音響通信技術の関心も高まっているが、音響は電波に比べて使用可能な帯域が狭いことや、伝搬路が厳しい時間選択性と、周波数選択性を持つことから、通信速度の高速化や、信頼性の向上が難しいとされている。 However, the above-mentioned conventional technology has not been applied to wireless communication. In recent years, there has been increasing interest in acoustic communication technology for the construction of underwater communication networks, but acoustics have a narrower usable band than radio waves, time selectivity with strict propagation paths, and frequency selectivity. It is said that it is difficult to increase the communication speed and improve the reliability because it has.
これに対し、地上の無線通信で広く使われるＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）や、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）といった通信や、信頼性を向上させる技術を適用することも考えられる（例えば、国際特許公開公報ＷＯ２００８／０５９９８５参照）。 On the other hand, it is conceivable to apply communication such as OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), which are widely used in terrestrial wireless communication, and technologies for improving reliability (for example). International Patent Publication Publication WO2008 / 059985).
本発明は、上述の課題を解決するためのもので、パラメトリック方式と、ＭＩＭＯ通信技術を相適用し、水中（海中など）における音響通信の通信品質や、信頼性を向上させることができるパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムを提供することにある。 The present invention is for solving the above-mentioned problems, and is a parametric method capable of improving the communication quality and reliability of acoustic communication underwater (underwater, etc.) by applying a parametric method and MIMO communication technology in phase. It is an object of the present invention to provide an underwater acoustic MIMO communication system using the above.
上述の課題に対応するため、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、複数のパラメトリック送波器と、送信する単一のベースバンド信号をＡＳＫ変調した周波数ｆ１の変調波と、周波数ｆ２
の搬送波を前記パラメトリック送波器に１次波として送波させる送信回路と、前記パラメトリック送波器によって送波された１次波と、当該１次波により生じる結合波である前記１次波の周波数の差音（ｆ２－ｆ１）と、和音（ｆ２＋ｆ１）を２次波として受波可能とする複数のパラメトリック受波器と、前記パラメトリック受波器が受波した１次波及び／又は２次波をベースバンド信号に変換する受信回路と、を備えることを特徴とするパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムである。
In order to cope with the above-mentioned problems, the present invention takes the following technical measures.
That is, the invention according to
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムであって、前記２次波は、前記１次波である搬送波と変調波が、水中の非線形性による歪みで自己復調されることにより生じる変調波の包絡線情報を含んだ差音（ｆ２－ｆ１）と、和音（ｆ２＋ｆ１）であることを特徴としている。
The invention according to
さらに、請求項３記載の発明は、請求項２記載のパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムであって、前記受信回路は、前記パラメトリック受波器が受波した１次波及び／又は２次波について包絡線検波を行い、当該１次波及び／又は２次波が含む包絡線情報を取り出すことで、前記１次波及び／又は２次波をベースバンド信号に変換するものであることを特徴としている。
Further, the invention according to
本発明によれば、パラメトリック方式と、ＭＩＭＯ通信技術を相適用することにより、水中においても音響通信の通信速度の高速化や、通信の信頼性の向上を図ることが可能となる。 According to the present invention, by applying the parametric method and the MIMO communication technology in phase, it is possible to increase the communication speed of acoustic communication and improve the reliability of communication even underwater.
本発明に係るパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムの実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯ通信システムの実施形態における構成概略図である。符号については、１０が水中音響ＭＩＭＯ通信システム、１２がパラメトリック送波器、１４が送信回路、１６がパラメトリック受波器、１８が受信回路を示している。 An embodiment of an underwater acoustic MIMO communication system using the parametric method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of an underwater acoustic MIMO communication system using the parametric method according to the present invention. Regarding the reference numerals, 10 indicates an underwater acoustic MIMO communication system, 12 indicates a parametric transmitter, 14 indicates a transmission circuit, 16 indicates a parametric receiver, and 18 indicates a reception circuit.
まず、本実施形態における水中音響ＭＩＭＯ通信システム１０は、複数のパラメトリック送波器１２と、送信するベースバンド信号をＡＳＫ変調した周波数ｆ１の信号を変調波として、さらに、周波数ｆ２の信号を搬送波として、それぞれパラメトリック送波器１２に１次波として送波させる送信回路１４を備えている。なお、上記周波数は、ｆ１＜ｆ２の関係である。
First, in the underwater acoustic
さらに、パラメトリック送波器１２に送波された１次波と、当該１次波により生じる結合波である１次波の周波数の差音（ｆ２－ｆ１）と、和音（ｆ２＋ｆ１）を２次波として受波可能とする複数のパラメトリック受波器１６と、パラメトリック受波器１６が受波した１次波及び／又は２次波をベースバンド信号に変換する受信回路１８を備えている。
Further, the difference in frequency between the primary wave transmitted to the
続いて、本実施形態における水中音響ＭＩＭＯ通信システム１０について詳細に説明する。まず、本実施形態における水中音響ＭＩＭＯ通信システム１０は、水中（海中など）にて用いられるもので、図１に示すように、送波側（図中、左側）と受波側（図中、右側）との間で、音波によるＭＩＭＯ通信システムを採用しているものである。
Subsequently, the underwater acoustic
送波側では、送信回路１４が、送波するベースバンド信号をＡＳＫ変調することで周波数ｆ１の信号を変調波とし、さらに、周波数ｆ２の信号を搬送波とする処理を行い、パラメトリック送波器１２にこれらを１次波として送波させる。なお、図中、パラメトリック送波器１２は、２つとなっているが、これは本発明を限定するものではない。
On the transmission side, the
次に、パラメトリック送波器１２から送波された１次波（搬送波ｆ２と、変調波ｆ１）は、水中の非線形性の歪みにより自己復調し、変調波の包絡線情報を含んだ１次波の周波数の差音（ｆ２－ｆ１）と、和音（ｆ２＋ｆ１）が、２次波（結合波）として、１次波のビームに沿って発生することになる。なお、周波数が低い差音は、特に鋭い指向性で放射できることになる。そして、パラメトリック送波器１２から所定の距離に設置されるパラメトリック受波器１６が、１次波及び／又は２次波を受波し、受波した１次波及び／又は２次波について包絡線検波を行い、それらの包絡線情報を受信回路１８が取り出すことで、１次波及び／又は２次波をベースバンド信号に変換する。
Next, the first-order waves (carrier wave f 2 and modulated wave f 1 ) transmitted from the
ここで、本実施形態において採用される海中におけるＭＩＭＯ通信システムについて説明していく。ＭＩＭＯ通信システムにおいて複数のパラメトリック送波器１２から送信された複数の異なる信号は、海面や海底、浮遊物によって反射や散乱することによるマルチパスフェージングの影響を受ける。
Here, the underwater MIMO communication system adopted in the present embodiment will be described. In a MIMO communication system, a plurality of different signals transmitted from a plurality of
異なるフェージングの影響を受けた各々の送信信号は、通信路で多重化される。この多重化された通信路のことをストリームと呼ぶ。受信側では、パラメトリック受波器１６によって受信した複数の多重化された信号を分離することで元の信号を取り出すことができるようになっている。
Each transmitted signal affected by different fading is multiplexed in the channel. This multiplexed communication path is called a stream. On the receiving side, the original signal can be taken out by separating a plurality of multiplexed signals received by the
ここで、図７に示すような送波器７０からＮｔ個の信号ｓｊ（ｊ＝1, ..., Nt）を送信するシステムを考えてみる。このとき、送信信号ベクトルは、次式（数１）で表される。
Now, consider a system that transmits N t signals s j (j = 1, ..., N t ) from the
各送信信号はチャネル係数ｈｉ,ｊが乗算され、受波器７２にてＮｒ個の受信信号ｒｉ（i＝1, ..., Nr）が得られる。このとき、次式（数２）の受信信号ベクトルは、次式（数３）と表される。
Each transmitted signal is multiplied by the channel coefficients h i and j , and N r received signals r i (i = 1, ..., N r ) are obtained by the
ここで、次式（数４）は、雑音ベクトルであり、また、次式（数５）はチャネル行列であり、次式（数６）と表される。 Here, the following equation (Equation 4) is a noise vector, and the following equation (Equation 5) is a channel matrix, which is expressed as the following equation (Equation 6).
続いて、本実施形態におけるパラメトリック方式の一連の流れを図８に示す。パラメトリック方式では、１次波として周波数ｆ１である変調波と、周波数ｆ２である搬送波を大音量で放射する。音波が大振幅であれば、伝搬媒質への応力と歪みの関係が非線形となる。 Subsequently, FIG. 8 shows a series of flow of the parametric method in the present embodiment. In the parametric method, a modulated wave having a frequency f 1 and a carrier wave having a frequency f 2 are radiated at a loud volume as primary waves. If the sound wave has a large amplitude, the relationship between stress and strain on the propagation medium becomes non-linear.
非線形過程における音速ｃは、次式（数７）で表される。ここで、ｃ０は微小振幅における音速で、βは非線形係数であり、水の場合は、β＝３．５となる。 The speed of sound c in the non-linear process is expressed by the following equation (Equation 7). Here, c 0 is the speed of sound at a minute amplitude, β is a nonlinear coefficient, and in the case of water, β = 3.5.
また、次式（数８）は、粒子速度であり、ｐは音圧、Ｚは媒質密度ρ０とｃ０で表される比音響インピーダンスである。ｕの振幅をＵとすれば、正のピークでは、次式（数９）となるから、ｃ０より早く伝搬し、負のピークでは、次式（数１０）となるからｃ０より遅く伝搬する。 The following equation (Equation 8) is the particle velocity, p is the sound pressure, and Z is the specific acoustic impedance represented by the medium densities ρ 0 and c 0 . If the amplitude of u is U, the positive peak has the following equation (Equation 9), so it propagates faster than c 0 , and the negative peak has the following equation (Equation 10), so it propagates later than c 0 . do.
この音速の違いにより、伝搬した距離に伴って波面の傾きが垂直に近づいていき、衝撃波が形成される。このときの距離は、衝撃波面形成距離と呼ばれ、次式（数１１）で表される。 Due to this difference in sound velocity, the slope of the wavefront approaches vertically with the propagated distance, and a shock wave is formed. The distance at this time is called the shock wave surface formation distance and is expressed by the following equation (Equation 11).
ここで、Ｍは、Ｕ／ｃ０で表されるマッハ数、ｋは、ω／ｃ０で表される波数であり、ωは、各周波数である。この波形の歪みにより高調波が生じるが、それと同時にそれぞれの周波数間における差音と、和音の成分も生成されることになる。 Here, M is a Mach number represented by U / c 0 , k is a wave number represented by ω / c 0 , and ω is each frequency. Harmonics are generated by this distortion of the waveform, but at the same time, a difference tone between each frequency and a chord component are also generated.
差音と和音のうち、１次波の周波数の差音ｆ２－ｆ１、和音ｆ２＋ｆ１が２次波として利用される。１次波の変調方式には振幅変調が多く用いられており、１次波の包短線が、２次波の波形として現れる。従って、音声データを振幅変調して１次波を生成し、２次波のうち差音の包短線情報が空間で復調されることで、可聴領域に音声を再現することができる。 Of the difference tone and the chord, the difference tone f2-f 1 and the chord f 2 + f 1 of the frequency of the primary wave are used as the secondary wave. Amplitude modulation is often used as the modulation method of the primary wave, and the short line of the primary wave appears as the waveform of the secondary wave. Therefore, the audio data can be amplitude-modulated to generate a primary wave, and the short line information of the difference tone of the secondary waves is demodulated in space, so that the audio can be reproduced in the audible region.
本実施形態では、包短線が変化するデジタル変調方式であるＡＳＫ（Amplitude-Shift Keying）変調を１次波の変調に用いて、１次波と２次波の包短線情報をデータとして復調するものである。 In the present embodiment, ASK (Amplitude-Shift Keying) modulation, which is a digital modulation method in which the packet short line changes, is used for modulation of the primary wave, and the packet short line information of the primary wave and the secondary wave is demodulated as data. Is.
次に、図１に示すように、２次波は、伝搬媒質の非線形性により１次波を送信した後に遅れて生成されるため、ＭＩＭＯにおけるチャネルを１次波を放射した後と、２次波が生成された後について考える必要がある。２次波生成前の１次波のチャネル行列をＨ（１）とすれば、次式（数１２）で表される。 Next, as shown in FIG. 1, since the secondary wave is generated with a delay after transmitting the primary wave due to the non-linearity of the propagation medium, the channel in MIMO is radiated from the primary wave and then the secondary wave. We need to think about after the waves are generated. If the channel matrix of the primary wave before the generation of the secondary wave is H (1) , it is expressed by the following equation (Equation 12).
送波器からの送信信号数と、受波器での受信信号数の関係は変化していないことから、従来のＭＩＭＯにおけるＨと同じ行列サイズで表される。次に、２次波生成後のチャネル行列Ｈ（２）を次式（数１３）のように置く。 Since the relationship between the number of transmitted signals from the transmitter and the number of received signals in the receiver has not changed, it is represented by the same matrix size as H in conventional MIMO. Next, the channel matrix H (2) after the generation of the second wave is placed as in the following equation (Equation 13).
これは、各パスで１次波に加えてＮｓ－１個の２次波が生成され、１次波と２次波を合わせたＮｓ個の信号が伝搬することを表している。２次波は、２次波生成前のチャネルの影響を受けた１次波から、伝搬媒質の非線形性により１次波の波形が歪むことで生成される。また、１次波と２次波は、周波数が大きく異なることから、異なるフェージングを受けると考えられるため、各波のチャネル係数が異なっている。 This means that N s -1 secondary wave is generated in addition to the primary wave in each path, and N s signals including the primary wave and the secondary wave propagate. The secondary wave is generated by distorting the waveform of the primary wave from the primary wave affected by the channel before the generation of the secondary wave due to the non-linearity of the propagation medium. Further, since the primary wave and the secondary wave have significantly different frequencies, they are considered to be subject to different fading, so that the channel coefficients of the respective waves are different.
２次波生成前後のチャネル情報を含んだチャネル行列をＨ（１，２）とすれば、次式（数１４）のように表される。 If the channel matrix including the channel information before and after the generation of the second wave is H (1, 2) , it is expressed as the following equation (Equation 14).
ここで、Ｈ（１，２）の各ベクトルは、Ｈ（１）とＨ（２）のパス毎のチャネルの積として、次式（数１５）のように表される。
Here, each vector of
そして、各パスでＮｓ個の信号が伝搬することで、Ｎｓ×Ｎｒ個の信号が受信される。このとき、次式（数１６）の受信信号ベクトルは、次式（数１７）と表される。 Then, by propagating N s signals in each path, N s × N r signals are received. At this time, the received signal vector of the following equation (Equation 16) is expressed as the following equation (Equation 17).
１次波の周波数をｆ１、ｆ２としたとき、２次波の周波数は、その差音ｆ２－ｆ１と、和音ｆ２＋ｆ１の周波数で生成される。ある距離ｌで音波が伝搬した場合、周波数により減衰の大きさが異なってくる。海中における伝搬損失ｄは、次式（数１８）として、拡散損失ｐを持つ項と、吸収減衰ａを持つ項で表される。 When the frequency of the primary wave is f 1 and f 2 , the frequency of the secondary wave is generated by the difference tone f 2 −f 1 and the chord f 2 + f 1 . When a sound wave propagates at a certain distance l, the magnitude of attenuation differs depending on the frequency. The propagation loss d in the sea is expressed by a term having a diffusion loss p and a term having an absorption attenuation a as the following equation (Equation 18).
ここで、吸収減衰ａは、Thorpの経験式より、周波数ｆを用いて次式（数１９）で表される。 Here, the absorption attenuation a is expressed by the following equation (Equation 19) using the frequency f from the empirical equation of Thorp.
この式は、水温４℃、塩分３５‰、水素イオン指数ｐＨ８、水深１０００ｍの条件で導出される。本実施形態でのシミュレーションにおいては、１次波と２次波の差音と和音の伝搬損失を求め、１次波の伝搬損失との差を求めることで、各波の信号電力を表現するために使用する。 This formula is derived under the conditions of water temperature of 4 ° C., salt content of 35 ‰, hydrogen ion index pH of 8, and water depth of 1000 m. In the simulation in this embodiment, the signal power of each wave is expressed by obtaining the propagation loss of the difference tone and the chord between the primary wave and the secondary wave and the difference between the propagation loss of the primary wave. Used for.
続いて、ＭＩＭＯシステムにおけるチャネル推定の方法として、ＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）法を用いる。ＭＭＳＥでは、等化器出力に含まれる干渉及び雑音成分の電力を最小化する。 Subsequently, the MMSE (Minimum Mean Square Error) method is used as a channel estimation method in the MIMO system. The MMSE minimizes the power of interference and noise components contained in the equalizer output.
上式（数２０）の目的関数を最小化する次式（数２１）の受信ウェイトは、次式（数２２）となる。 The reception weight of the following equation (Equation 21) that minimizes the objective function of the above equation (Equation 20) is the following equation (Equation 22).
ここで、［ ］Ｈはエルミート転置、γはＳＮＲ（Signal to Noise power Ratio）を表す。ＭＭＳＥは干渉成分とともに雑音成分の影響を同時に抑えるため、ＳＩＮＲ（Signal to Interference and Noise power Ratio）が最大化する。そのため、低ＳＮＲ時において特性が改善される傾向がある。このとき、次式（数２３）の推定送信信号は、次式（数２４）となる。 Here, [] H represents Hermitian transposition, and γ represents SNR (Signal to Noise power Ratio). Since the MMSE suppresses the influence of the noise component as well as the interference component at the same time, the SINR (Signal to Interference and Noise power Ratio) is maximized. Therefore, the characteristics tend to be improved at low SNR. At this time, the estimated transmission signal of the following equation (Equation 23) becomes the following equation (Equation 24).
続いて、ＭＩＭＯシステムのシミュレーション諸元を図２に示す。また、シミュレーションにより評価したＢＥＲ特性及びチャネル容量をそれぞれ、図３、図４に示す。本シミュレーションでは、距離ｌに応じて、Thorpの経験式より１次波の伝搬損失ｄ１ｄＢと、２次波の差音と和音の伝搬損失ｄ２ｄＢ、ｄ３ｄＢを求め、その差であるｄ１－ｄ１、ｄ２－ｄ１、ｄ３－ｄ１ｄＢを電力として表す。 Subsequently, FIG. 2 shows the simulation specifications of the MIMO system. The BER characteristics and channel capacities evaluated by simulation are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. In this simulation, the propagation loss d 1 dB of the primary wave and the propagation loss d 2 dB and d 3 dB of the difference tone and chord of the secondary wave are obtained from Thorp's empirical formula according to the distance l, and the difference is used. A certain d 1 -d 1 , d 2 -d 1 , d 3 -d 1 dB is expressed as electric power.
図４、図５より、本シミュレーションにおける距離ｌ＝０．１，１．０ｋｍの電力差では、２×２ＭＩＭＯシステムの理論値よりもＢＥＲ特性、チャネル容量が劣化していることが分かる。ただし、ｌ＝４．０ｋｍ以上では改善し、２×４ＭＩＭＯシステムの理論値に近づいている。 From FIGS. 4 and 5, it can be seen that the BER characteristics and the channel capacitance are deteriorated from the theoretical values of the 2 × 2 MIMO system at the power difference of the distance l = 0.1,1.0 km in this simulation. However, when l = 4.0 km or more, it is improved and approaches the theoretical value of the 2 × 4 MIMO system.
ここで、２次波生成効率を考慮した各波の伝搬損失の差ｄ１－ｄ１、ｄ２－ｄ１、ｄ３－ｄ１を表した図６を見ると、距離ｌ＝５．０ｋｍに近づくにつれて、１次波と２次波の差音の差ｄ２－ｄ１ｄＢが０ｄＢに近づいていることが分かる。これは、差音が１次波よりも低い周波数であるため伝搬減衰が小さくなるからである。そのため、距離ｌ＝４．０ｋｍ以上では、差音と１次波の電力差が小さくなり、２×４ＭＩＭＯシステム程度の性能になる。 Here, looking at FIG. 6, which shows the difference in propagation loss of each wave in consideration of the secondary wave generation efficiency, d 1 − d 1 , d 2 − d 1 , and d 3 − d 1 , the distance l = 5.0 km. It can be seen that the difference d2 - d 1 dB of the difference tone between the primary wave and the secondary wave is approaching 0 dB as it approaches. This is because the propagation attenuation is small because the difference tone has a frequency lower than that of the primary wave. Therefore, when the distance is l = 4.0 km or more, the power difference between the difference tone and the primary wave becomes small, and the performance is about that of a 2 × 4 MIMO system.
一方で、距離ｌ＝４．０ｋｍ未満では、２次波の差音、和音ともに電力が小さくなるため、性能の向上に寄与せず、２×２ＭＩＭＯシステム程度の性能になる。また、２次波の和音は、いずれの場合も電力が小さいため、性能向上には寄与しないと考えられる。 On the other hand, when the distance l = less than 4.0 km, the power of both the difference tone and the chord of the secondary wave becomes small, so that the performance does not contribute to the improvement of the performance and the performance becomes about 2 × 2 MIMO system. Further, since the power of the chord of the secondary wave is small in each case, it is considered that the chord does not contribute to the performance improvement.
本シミュレーションによれば、距離ｌが長くなると差音と１次波の電力差が縮まることにより、２×２ＭＩＭＯシステムより性能が改善することが確認できた。しかし、図６によれば、距離ｌ＝５．０ｋｍ地点での１次波と差音の減衰は、おおよそ－５６ｄＢと非常に大きくなる。従って、海中での伝搬において、伝搬減衰以外にも特性劣化に繋がる要因が多く存在するために、性能を改善できる所要ＳＮＲを満たすことが難しくなることに注意が必要である。 According to this simulation, it was confirmed that the performance is improved as compared with the 2 × 2 MIMO system by reducing the power difference between the difference tone and the primary wave as the distance l becomes longer. However, according to FIG. 6, the attenuation of the primary wave and the difference tone at the distance l = 5.0 km is very large, about −56 dB. Therefore, it should be noted that in propagation in the sea, there are many factors that lead to characteristic deterioration other than propagation attenuation, and it is difficult to satisfy the required SNR that can improve the performance.
本発明に係るパラメトリック方式を用いた水中音響ＭＩＭＯシステムは、水中（海中など）において音響通信の通信品質や、信頼性を確保させる必要があるデジタル通信システムの構築に好適に用いることができる。 The underwater acoustic MIMO system using the parametric method according to the present invention can be suitably used for constructing a digital communication system that needs to ensure the communication quality and reliability of acoustic communication underwater (underwater, etc.).
１０ 水中音響ＭＩＭＯ通信システム
１２ パラメトリック送波器
１４ 送信回路
１６ パラメトリック受波器
１８ 受信回路
10 Underwater acoustic
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