MITの研究者が水中と空気中での通信を可能にするワイヤレス技術を開発

MITの研究者が水中と空気中での通信を可能にするワイヤレス技術を開発

2018年8月22日、米国。MITの研究者が、水中と空気中で無線データを伝送する技術を発表した。


水中からの音響ソナー信号を水面を介して中継する技術

 水中ドローンの進化における大きな課題は、水中と空気中では相互に無線で通信する手段がないこと。水中にWiFi電波は届かない。そのため、多くの水中ドローンは長いケーブルの端にコントローラーと通信するターミナルをセットしている。水中と空気中は、それぞれのメディアでのみ動作する異なる無線信号を使用している。空気中を移動する無線信号は、非常に急速に水中で消滅する。水中から送信される音響信号またはソナーは、ほとんどが反射してしまう。そのため、海洋探査や海底間通信など、さまざまな用途に非効率やその他の問題が発生している。
 SIGCOMM会議で発表された論文では、MIT Media Labの研究者がこの問題に新しい方法で対処するシステムを設計した。水中トランスミッタは水面にソナー信号を送り、デジタルビットの1と0に対応する微振動を引き起こす。表面上では、高感度の受信機がこれらの微小な振動波を読み取り、ソナー信号をデコードする。
 研究をリードしているMedia Labのファデル・アディブ(Fadel Adib)助教授は「無線信号で空気と水の境界を横切ることは、障害となっています。我々の考えは、障害物そのものをコミュニケーションの媒体に変えることです」と話す。「音響翻訳 RF 通信(translational acoustic-RF communication:TARF)」と呼ばれるこのシステムは、まだ初期段階にあるが「マイルストーン」を意味する技術であり、水上通信における新しい能力を発揮する可能性があると同教授は説明する。例えば、軍用潜水艦と航空機の間で通信が可能になる。また、海洋生物を監視する水中ドローンは、研究者にデータを送るために再浮上する必要がなくなる。
 もう一つの有望なアプリケーションは、水中で行方不明になった飛行機の捜索支援。アディブ氏は「TARFシステムは、飛行機のブラックボックスに実装できます。そこから音響信号を送信すれば、システムを使ってその信号を受信できるようになる」と話す。

TARFシステムの基本構造

TARFシステムの技術構造

 TARFシステムでは、一般的な音響スピーカーを使用してソナー信号を送信する音響送信機を水中にセットする。信号は、異なるデータビットに対応する異なる周波数の圧力波として処理する。例えば、送信機が0を送信するために、100ヘルツで移動する波を送信する。1の送信では、200ヘルツ波を使用する。それぞれの信号が表面に当たると、周波数に対応した高さがわずか数マイクロメートルの小さな波紋が生じる。高いデータレートを達成するために、TARFシステムは、直交周波数分割多重化と呼ばれる無線通信で使用される変調方式をベースにして、同時に複数の周波数を送信する。これにより、数百ビットを一度に送信できる。
 水中の送信機の上空には、30〜300ギガヘルツのミリ波帯の無線送信信号を処理する新しいタイプの超高周波レーダーが用意される。この周波数帯は、今後の高周波5G無線ネットワークが動作するバンドになる。空中に設置された一対のコーンのように見えるレーダーは、振動面から反射してレーダーに戻ってきた電波信号を処理する。信号が表面振動と衝突するため、信号はソナー信号によって送信されたデータビットに正確に対応する。例えば、0ビットを表す水面上の振動は、反射信号の角度を100ヘルツで振動させる。
 アディブ氏は「レーダーの反射は、水面のような変位がある場合は少し変わるだろう。これらの小さな角度の変化を拾うことで、ソナー信号に対応する変化を判断できる」と説明する。
 TARFシステムの重要な課題は、レーダーが正確に水面を検出する技術の確立にあった。そこで研究者は、環境内の反射を検出し、距離とパワーによってそれらを構成する技術を採用した。水は新システムの環境で最も強力な反射を持つので、レーダーは表面までの距離を検知し、それが確立されると、距離の振動を拡大し、他のすべての妨害を無視した。
 次の大きな課題は、より大きな自然の波に囲まれたマイクロメーター波を捕捉することだった。穏やかな日の最も小さな海洋波紋は、約2センチメートルの高さだが、それでも検知する振動の10万倍になる。より荒れた海は、100万倍の波を作り出す。アディブ氏は「これは水面上の小さな音響振動を妨げます。誰かが叫んでいるときに、同時に囁いている人を聴くようなものです」と表現する。
 この課題を解決するために、研究者は高度な信号処理アルゴリズムを開発した。自然波は、約1〜2ヘルツで発生する。また、1秒ごとに信号の発生する領域をひとつの波かふたつの移動が起きる。しかし、100〜200ヘルツのソナー振動はその100倍も速い。この周波数差を応用し、アルゴリズムで遅いものを無視しながら速い動きの波を検知した。

水中ソナーから発信されたメッセージを空気中で受信

実証試験

MITのプールでの実証試験の様子

 研究者は、水タンクとMITのキャンパスにある2つの異なるスイミングプールで、500回のテストを行った。
 タンク内では、レーダーは表面上20センチメートルから40センチメートルの範囲に配置され、ソナートランスミッタは表面下5センチメートルから70センチメートル下に置かれた。プール内では、レーダーは約30センチメートル上に位置し、トランスミッターは約3.5メートル下に置かれた。これらの実験では、約16センチメートルに上昇する波を作り出すスイマーも協力した。どちらの設定でも、TARFシステムは、「Hello! from underwater」などのさまざまなデータを正確に受信した。アディブ氏は「水泳選手が泳いで乱れや水流を引き起こしていたとしても、これらの信号を迅速かつ正確に解読することができました。しかし、16センチメートル以上の波では、システムは信号をデコードできません。次のステップは、とりわけ、システムをより荒い海域で動作させるように洗練させることです。波の穏やかな日であれば、機能します。しかし、実用的にするために、私たちはこれをすべての日とすべての天気で動作させる必要があります」と話す。
 カリフォルニア大学サンディエゴ校のコンピュータサイエンス&エンジニアリング助教授のアーロン・シュルマン氏は「TARFは、レーダーを使って水中音響伝送を受信することが可能であることを実証する最初のシステムです。この新しいレーダー・アコースティック技術は、水中音響(例えば、海洋生物学)に依存する分野の研究者にとって有益で、レーダー音響リンクを実用的かつ堅牢にする方法を調査する科学界を鼓舞すると期待しています」と述べる。
 研究者は、TARFシステムが最終的に水面上を飛行するドローンや飛行機が、水中からのソナー信号を受信してデータを解析できることを目標に、今後も研究を進める。

近い将来、潜水艦と航空機やドローンが交信できるかもしれない

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