水中「音響通信」「可視光通信」「電波通信」のメリットとデメリット、そして期待される「電波通信」の利用例~水中通信技術の種類と最新研究

INTERVIEW

情報通信研究機構(NICT)
ワイヤレスネットワーク総合研究センター
博士(工学) 滝沢 賢一

陸上に住む私たちが当たり前に使っているスマートフォンやWi-Fiなどは電波通信技術によって支えられています。一方、陸上とは違う水中ではどんな通信技術が使われているでしょうか。従来水中における通信技術は、「音響」が一般的でしたが、長距離通信ができる反面、浅い海では通信速度が低いという課題があります。今回は、水中通信技術に注目し、従来の「音響通信」、最近研究が進んでいる「可視光通信」、「電波通信」のメリットとデメリットについて触れつつ、期待される「電波通信」の利用例について、情報通信研究機構(NICT)の滝沢賢一氏にお話を伺いました。

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近年、海中や海底、海底下などを対象とした探査技術の研究開発が進められています。海底下資源の調査発掘、洋上風力発電などの洋上設備の建設、パイプラインの敷設、海底プラントの開発など、海の利用が拡大しているためです。そこで、海底の状況を調査したり、点検・整備するための無人潜水機やロボットの開発も進んでいます。

そうした技術の発展に伴い、海中におけるワイヤレス通信技術の開発も求められています。海底での調査データを数百mから数kmも離れた洋上(船)や陸上にリアルタイムで送ったり、洋上や陸上から海底の無人潜水機やロボットを操作したりするのに、すべて有線で繋ぐのは理想的ではありません。海中で使える無線通信技術の確立が求められています。

従来、海中でのワイヤレス通信は音響のみでした。昨今、新たなワイヤレス通信手段として期待されているのが、「可視光」と「電波」です。現在、情報通信研究機構(National Institute of Information and Communications Technology、NICT)と海洋研究開発機構(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology、JAMSTEC)は共同で、海中における「電波」利用に関する研究開発に取り組んでいます。

今回、情報通信研究機構(NICT)ワイヤレスネットワーク総合研究センター 博士(工学)の滝沢賢一(たきざわ・けんいち)氏に研究開発の内容について話を聞きました。


「音響通信」のメリットとデメリット~水中通信技術①

情報通信研究機構(NICT)ワイヤレスネットワーク総合研究センター博士(工学) 滝沢賢一(たきざわ・けんいち)氏
情報通信研究機構(NICT)ワイヤレスネットワーク総合研究センター博士(工学) 滝沢賢一(たきざわ・けんいち)氏


スマートフォンやWi-Fiなどの通信機器、IoTデバイスなど、私たちの生活において当たり前に使われている「電波」。 5G(第5世代移動通信システム)も活用が進み、インターネットを利用したり、離れたところにあるものを操作したり、今や必要不可欠なものとなっています。

陸上では利用しやすい電波ですが、海中では大きく変わります。空気中における比誘電率が約1、導電率が約0 S/mなのに対し、海中は比誘電率が約81、導電率も約4 S/mであり、空気中とは大きく異なった電気特性を持ちます。これはどういうことかというと、空気中と違って水中では電波は減衰が非常に大きく、数mの近距離でしか通信できないということです。そのため、これまで電波は水中では利用できないと考えられてきました。


音響通信のメリット

従来、水中における通信技術は、「音響」が一般的でした。水中音響通信は空気中に比べても減衰が少なく、長距離通信ができる点がポイントです。数十kmも離れたクジラ同士が会話をすることができると言われているのも、この特性があるからです。実際、長い間にわたって漁業、海運等で利用されてきました。音響を使ったソナーは、船や潜水艦が水中で音を発信し、海底や、船、潜水艦、魚の群れなどに当たって跳ね返ってきた音を拾って、その位置や形状を特定することができます。

音響通信のデメリット

しかし、海底設備点検や海底資源探査などを目的とした調査では、音響通信では不可能なケースが出てきています。水中音響通信のデータ転送レートは数十kbpsほどと少なく、写真や映像などの通信ができないのです。

海中利用の進展に向け、ROV(Remotely operated vehicle、遠隔操作型無人潜水機)やAUV(Autonomous Underwater Vehicle、自律型無人潜水機、または水中ドローン)などが進化し、小型化も進んだことによって、海底探査や海中利用拡大が可能になりつつあります。しかしそれらの潜水機が撮影する情報を、音響通信では地上に送れません。

「水中音響通信は長距離通信できる反面、設備点検等での浅い海では通信速度に課題があります。海面・海底や構造物からの反射、雑音などによって、テキストデータは送れたとしても、映像などの大容量データはもちろんのこと、静止画の送受信すらスムーズに行えない可能性があります」(滝沢氏)

また、水中音響通信は海中温度の不均一性がもたらす音波の屈折によって、通信可能な方向が制約されるほか、音波同士が干渉しやすいため双方向通信が苦手という課題がありました。

「ROVやAUVの小型化が進んだことで、以前よりも手軽に海中探査や海底探査を行えるようになったのは良いのですが、この通信の課題により、リアルタイムなデータのやり取りが難しかったのです。例えば、ROVやAUVで探査したとしても、その無人探査が終わって海面に戻ってくるまでデータが回収できない。つまり、例えば無人機がプログラムに従って半日かけて探査しても、回収してパソコンに繋いで見るまで何が写っているかわからないわけです」(滝沢氏)


「可視光通信」のメリットとデメリット~水中通信技術②

そんな水中音響通信の課題を解決する通信手段として研究開発が進んでいる「第2の水中通信手段」が、LED(Light Emitting Diode、発光ダイオード)などの可視光線を使う「可視光通信」です。

可視光通信は人間の目には判別できないほど、高速に光を明滅させることで信号を伝達する技術。「昔から可視光通信に関する研究は行われていました」と滝沢氏は語りますが、高出力で青色光を発し、なおかつ高速に明滅させられるデバイスを低コストに開発できる技術がなく、なかなか実用化に至っていませんでした。

そうした中、2014年にノーベル物理学賞を受賞した「青色LED」の登場によって、可視光通信の研究開発が加速します。実際、2017年には海洋研究開発機構(JAMSTEC)が無人探査機「かいこう」を使って水中光通信試験を実施。高出力半導体レーザー(Laser Diode、周波数や位相の揃った光(レーザー)を半導体(ダイオード)から発生させる素子、半導体レーザー。)を用いて、通信距離120mで20Mbps速度のデータの伝送に成功しています。


可視光通信のメリット

「可視光通信の強みは、高速ワイヤレス通信ができる点にあります。また、濁度が低ければ散乱による減衰も少なく、発光部と受光部の軸を合わせれば、100mほど先まで数Gbpsで通信が可能です。また電磁波を活用しているので、遅延もほとんどありません」。

つまり可視光通信を使えば、水中での画像や映像の通信が可能になります。非常に高い期待がもてる通信技術です。


可視光通信のデメリット

その一方で、弱みもあります。可視光は指向性が強いため、発光部と受光部の軸が合っている必要があります。

「発光部と受光部がズレると通信速度が落ちてしまうため、常に位置合わせが必要です。また、可視光通信は濁りの影響を受けやすいのも特徴です。海水中の微生物死骸などのマリンスノーによる水の濁り、水中機器などが海底で巻き上げた汚泥などの濁りによって、通信できる距離が短くなってしまいます。また、常に発光部と受光部を綺麗にしておかなければならず、海中に備え付けた場合は、メンテナンスコストもかかってしまうといったデメリットが考えられます」(滝沢氏)


「電波通信」のメリットとデメリット、そして最新研究~水中通信技術③

海水中においても放射効率の高い「真水バッファ層付きアンテナ」(海中電波通信アンテナ)
海水中においても放射効率の高い「真水バッファ層付きアンテナ」(海中電波通信アンテナ)


このように、水中音響通信、可視光通信、それぞれにメリットとデメリットがあります。これらの通信技術のデメリットを埋める、「第3の水中通信手段」として、注目を集めているのが「電波」を用いた海中ワイヤレス技術です。この研究を現在、情報通信研究機構(NICT)と海洋研究開発機構(JAMSTEC)が共同で行い、2025年の実用化を目指しています。

電波通信のメリット

水中で電波を使った通信は、水中音響通信よりも通信速度が速く(可視光通信よりは遅い)、また指向性がほとんどない(全方位に発信できる)、アンテナは周辺環境の影響を受けにくくほぼメンテナンスフリー、といった特長があります。ちょうど、水中音響通信と水中可視光通信の短所を埋めるような特性があると言えます。

電波通信のデメリット

水中電波の最大の短所は、前述したように、距離による減衰が大きいことです。そのため、長距離通信には向いていません。しかし近い距離では有効です。

電波通信の最新研究

こうした特性を生かせる技術や利用方法を探るため、情報通信研究機構(NICT)は2016年頃から研究を開始しました。まずは海中における電波の伝わり方の研究から始め、その後は海中における電波を用いた通信方式を研究してきました。

理論値に比べ、実際の海中では、塩分、水圧、濁り、海流などの環境の影響を受ける可能性があり、海中で試験を行う必要があります。そこで、海洋研究開発機構(JAMSTEC)と共同で、海中における電波伝搬特性を明らかにするための研究を実施。具体的には海中における電波伝搬測定系(チャネルサウンダ)を開発し、それをもとに、駿河湾などで実証実験を繰り返しています。

「これは海の中でいかに電波が伝わるかを見るための実験です。海中用アンテナや海中用測定装置を製作し、それらをすべてチャネルサウンダに載せて、海中でアンテナを動かすなどして海中における電波伝搬特性を確認しています」(滝沢氏)

「電波の伝わり方が少しずつ分かってきてからは、通信だけでなくセンシングにも活用できることがわかった」(滝沢氏)ため、電波の通信応用と同時に、電波によるセンシング(探査)の研究も進めています。


期待される「電波通信」の利用例

海中電波利用のイメージ図(提供:情報通信研究機構(NICT)
海中電波利用のイメージ図(提供:情報通信研究機構(NICT)


情報通信研究機構(NICT)と海洋研究開発機構(JAMSTEC)の共同研究では、電磁界シミュレーションによる海中での電波伝搬モデリングおよび解析、深度10〜70m程度において10kHzから10MHzの海中における電波伝搬の測定や多値変調を用いた海中高速通信の研究、さらに、海底下資源探査を目的とした電磁波を用いた海底下センシングの研究も行ってきました。

その成果として、①海水中においても放射効率の高い「真水バッファ層付きアンテナ」を共同開発、②多重反射波がない海水中においても電波の位相変化を利用した高速通信技術「海中用MIMO通信」を開発、に成功しています。

電波通信の利用例(1)

今後、実際の電波の利用が期待されるものの1つは、自律型自動潜水機(AUV)を使った海底での調査や自動点検です。

これまで港湾施設などの点検はダイバーが潜り、問題ないか確認していました。しかし技術者のダイバー自体が減っており、省人化、無人化が求められた結果、自律型無人潜水機(AUV)などが開発されています。そんな自律型無人潜水機(AUV)が撮影したデータなどを送受信する通信手段としても、この技術が活用できないかと言われています。

例えば、海底の状況を調査したい海域の海上の基地(船など)から海底プラントに光ファイバーケーブルを落とし、海底に通信基地を作っておきます。複数の自律型無人潜水機(AUV)がその周辺海域を探査した後、海底の通信基地に数mの距離まで近づいて、電波通信によって撮影した情報を受け渡します。距離数mであれば、1Mbps以上の速度での通信が可能です。海上の基地ではそのデータをその場で確認し、自律型無人潜水機(AUV)に次のミッションを与えることができます。そうすることで、自律型無人潜水機(AUV)を水面に浮上させて回収しなくても作業を続けることができます。

「AUVと通信基地との通信であれば、可視光通信でいいのではないかと思われるのですが、遊動するAUVと通信基地の軸を合わせる技術が必要になります。また、基地が浅瀬にある場合は濁度が上がりやすく、安定した通信がしづらくなります。また、さらに、海中に設置した通信基地の受発光部のクリーニングも必要になります。電波はこうした課題をクリアできます」


電波通信の利用例(2)

他にも期待が寄せられるのは、海底の地中を掘り進めて資源探査する海底下の探査ロボットとの通信です。

「地中はレーザーや光が透過せず、音波も海底面で多くのエネルギーが反射してしまうので、可視光も音波も使えません。電波は地中でもある程度の距離は透過するので、海底下探査ロボットと潜水機などとのワイヤレス通信としても期待できます。

また、電波は海水では減衰が大きいけれど、むしろ海底下の方が電波が通りやすい場合もあります。音波などのセンシングでは検知できなかった海底下の埋設物を見つける技術としての研究開発にも取り組んでいるところです」(滝沢氏)

具体的には、海底下に向けて取り付けられた海中アンテナアレイ間の電波伝搬特性(振幅及び位相)を測定することで、海底下の埋設物を検知するというシステムを開発し、金属や誘電体、またはその複合物といったさまざまな埋設物に対して測定を行い、得られたデータから埋設物の大きさや形を推定する方式も検討しているとのこと。さらに、滝沢氏は「海中だけでなく、川や湖などでも活用できることがわかってきました」と語ります。

2025年の実用化に向けて研究開発が進んでいる海中ワイヤレス技術。同技術の活用の幅は今後、さらに広がっていきそうです。


文/新國翔大 


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