JP2023021836A - 水中無線通信装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】音響を用いる無線通信と光を用いる無線通信とを組み合わせて水中でより安定した通信を行うことができるようにすること。【解決手段】水中無線通信装置１０は、水上または水中を移動可能な移動体２，３に設けられ、音と光を用いて水中で無線通信する水中無線通信装置であって、音響を用いて無線通信する音響無線通信部１１と、光を用いて無線通信する光無線通信部１２と、音響無線通信部および光無線通信部を制御する通信制御部１３とを備え、通信制御部は、音響無線通信部の使用タイミングと光無線通信部の使用タイミングとを通信遅延時間に基づいて規定する所定の通信管理情報ＴＳにしたがって、音響無線通信部および光無線通信部を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、水中無線通信装置および方法に関する。

近年、海洋資源調査の高効率化を目的として、ＡＵＶ（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ：自律型無人潜水機）を複数運用する技術の開発が盛んであり、母船とＡＵＶとの間に用いられる水中無線通信技術が注目されている。水中における無線通信技術としては、音響技術や光技術を利用した方式が提案されている。

音響技術を用いた無線通信は、伝搬損失が少ないため、長距離通信に適している。しかし、音響技術を用いた無線通信では、数ｋｂｐｓ程度の低速データ通信に限定されるため、資源調査等のために収集される大容量データをＡＵＶから母船へ伝送するには適していない。

一方、光技術を用いた無線通信では、１０Ｍｂｐｓ程度の高速データ通信が可能であるが、光波は水中で減衰するため、長距離通信には適していない。

そこで、特許文献１では、音響技術を用いた無線通信に加えて、電波を用いた無線通信が提案されている。特許文献１では、深度情報に応じて、異なる複数の通信方式を切り替えるようになっている。

特開２０１８－６１１５９号公報

特許文献１には、音響通信と光通信とを組み合わせて使用する技術が開示されているが、音響通信の場合、水中機器間で音波が衝突するのを防止するために、音波の送受信タイミングを考慮しなければならない。さらに、音速は遅いことから、水中での音響通信の確立には、時間を要する。一方、光通信の場合、通信速度は早いが、水中での光波の減衰が著しいため、水中において安定した光無線通信をするのは難しい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、音響を用いる無線通信と光を用いる無線通信とを組み合わせて水中でより安定した通信を行うことができるようにした水中無線通信装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点に従う水中無線通信装置は、水上または水中を移動可能な移動体に設けられ、音と光を用いて水中で無線通信する水中無線通信装置であって、音響を用いて無線通信する音響無線通信部と、光を用いて無線通信する光無線通信部と、音響無線通信部および光無線通信部を制御する通信制御部とを備え、通信制御部は、音響無線通信部の使用タイミングと光無線通信部の使用タイミングとを通信遅延時間に基づいて規定する所定の通信管理情報にしたがって、音響無線通信部および光無線通信部を制御する。

本発明によれば、音響無線通信部の使用タイミングと光無線通信部の使用タイミングとを通信遅延時間に基づいて規定する所定の通信管理情報にしたがって、音響無線通信部および光無線通信部を制御することができる。

複数の異なる移動体の間で、音響無線通信と光無線通信とを切り替えて水中無線通信を行う水中無線通信システムの全体概要図である。 水中無線通信装置のブロック図である。 音響通信制御部のブロック図である。 音響パケットの構成例である。 送受信時刻決定部のブロック図である。 水中無線通信処理のフローチャートである。 水中無線通信の例を示すタイムチャートである。 システム起動時に実施される送信方法決定処理のフローチャートである。 第２実施例に係り、大容量データ伝送による通信の例を説明するタイムチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態に係る水中無線通信装置は、通信遅延時間に基づいて生成された所定の通信管理情報にしたがって、音響無線通信と光無線通信とを切り替えて使用する。以下に述べる、送受信タイムスロットテーブルＴＳは「所定の通信管理情報」の例である。送受信時刻決定部１３は「通信制御部」の例である。

本開示には、以下の構成が含まれる。一つの開示は、音響無線通信部１１と光無線通信部１２と送受信時刻決定部１３とを備える水中無線通信装置１０において、送受信時刻決定部１３は、他の水中無線通信装置１０Ｓとの間で音波若しくは光が遅延する時間を考慮した音波および光波の送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成し、音響無線通信部１１または光無線通信部１２は、生成された送受信タイムスロットテーブルＴＳを他の水中無線通信装置１０Ｓへ送信し、音響無線通信部１１と光無線通信部１２とは送受信タイムスロットテーブルＴＳに従って、音波または光波を送受信する。

他の一つの開示では、送受信タイムスロットテーブルＴＳは、他の水中無線通信装置１０Ｓとの間で、音波の送受信、および光の送受信の夫々が重ならないように、音波および光波の送受信のタイミングを設定する。

さらに他の一つの開示では、「環境測定部」の例である測位処理部１１１４は、音速、水深、姿勢のいずれかを測定し、測位結果として送受信時刻決定部１３へ送信し、送受信時刻決定部１３は、受信した測位結果に基づいて送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成する。

他の一つの開示では、さらに、送信方法決定部１３２を備えており、送信方法決定部１３２は、送信予定データの優先度（または重要度）と通信状況とに応じて、送信予定データを音響無線通信部１１または光無線通信部１２のいずれかで送信するかを決定し、この決定に基づいて音響無線通信部１１または光無線通信部１２は送信予定データを送受信する。データの優先度は、データの重要度または緊急度と言い換え可能である。

さらに他の一つの開示では、通信状況記憶部１３３を備えており、通信状況記憶部１３３は、音響無線通信部１１および光無線通信部１２の通信状況を測位結果と共に記憶しており、送信方法決定部１３２は、最新の測位結果とデータの優先度と通信状況記憶部１３３に記憶された情報とに基づいて、音響無線通信部１１または光無線通信部１２のうちいずれを選択するか決定する。

本実施形態によれば、音響通信と光通信との２種類の通信方式を組み合わせて、安定した水中無線通信を行うことができる。例えば、水中または水上を移動する移動体同士の相対位置は時々刻々と変化し、水深や水温なども変化するが、このような変化にも適合して通信することができる。以下、音響通信を、例えば音響無線通信、音通信と呼ぶ場合がある。光通信を、例えば光無線通信、光通信と呼ぶ場合がある。

図１～図８を用いて第１実施例を説明する。

［水中無線通信システムの全体構成］

図１は、水中無線通信システム１の全体構成を示す。水中無線通信システム１は、第１移動体２に搭載された水中無線通信装置１０Ｍと、第２移動体２に搭載された水中無線通信装置１０Ｓとを含む。

第１移動体２および第２移動体３は、「水上または水中を移動可能な移動体」の一例である。第１移動体２は、例えば有人または無人の船舶である。第１移動体２は、ＡＳＶ（小型無人ボート）やブイであってもよい。第２移動体３は、例えば無人または有人の潜水艇である。以下、移動体２，３を「水中機器」と呼ぶことがある。この場合の「水中機器」とは、常に水中に存在する機器を意味するものではなく、その本体の少なくとも一部が水中に位置する機器である。

本実施例では、第１移動体としての母船２に搭載された水中無線通信装置１０Ｍをマスター機器とし、第２移動体としてのＡＵＶ３に搭載された水中無線通信装置１０Ｓをスレーブ機器として説明する。マスター機器とスレーブ機器の関係が逆でもよい。すなわち、水中側の水中無線通信装置をマスター機器とし、水上側の水中無線通信装置をスレーブ機器としてもよい。

以下では、母船側の水中無線装置に主に着目して説明する。水中無線装置１０Ｍ，１０Ｓを特に区別しない場合、水中無線通信装置１０と呼ぶ。水中無線通信装置１０の詳細な構成は後述する。先に簡単に説明すると、水中無線通信装置１０は、例えば、音響無線通信部１１と、光無線通信部１２と、送受信時刻決定部１３を含む。送受信時刻決定部１３は、送受信タイムスロットテーブル生成部１３１と、送信方法決定部１３２を含む。

送信方法決定部１３２は、相手方の移動体３と通信を開始する前に、テストデータを音響無線通信部１１および光無線通信部１２の両方で送受信し、音波と光波のいずれを用いて通信するか決定する。

送受信タイムスロットテーブル生成部１３１は、通信遅延時間を考慮した送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成し、生成した送受信タイムスロットテーブルＴＳにしたがって相手方の移動体３とデータを送受信する。詳しくは、送受信タイムスロットテーブルＴＳでは、第１移動体２の音響無線通信部１１から送信される音波と第２移動体３の音響無線通信部１１から送信される音波とが途中で干渉しないように、通信遅延時間を考慮して、送受信タイミングが決定されている。

通信遅延時間には、一方の音響無線通信部１１から送信した音波が他方の音響無線通信部１１へ到着するまでに要する時間と、他方の音響無線通信部１１からの返信（音波）が送信されるまでの時間とを含むことができる。

光無線通信部１２についても同様に、一方の光無線通信部１２からの送信と他方の光無線通信部１２からの送信とが重ならないように、通信遅延時間を考慮して送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成することができる。

［水中無線通信装置の構成］

図２は、水中無線通信装置１０の一例を示すブロック図である。上述の通り、本実施例の水中無線通信装置１０は、音響無線通信部１１と光無線通信部１２との通信方式の異なる複数の（２種類の）無線通信部を有する。音響無線通信部１１は、音波を送受信する通信部である。光無線通信部１２は、光波を送受信する通信部である。音響無線通信部１１と光無線通信部１２は、送受信時刻決定部１３で生成される送受信タイムスロットテーブルＴＳに従って、無線通信を実現する。以下、音響無線通信部１１の構成例を先に説明し、次に光無線通信部１２の構成例を説明する。

［音響無線通信部１１の機能構成］

音響無線通信部１１の機能構成について説明する。音響無線通信部１１は、例えば、送波部１１２と、受波部１１３と、音響通信制御部１１１とを備える。音響無線通信部１１は、センサ部１５に接続されており、センサ部１５から各種の測定データを受領することができる。

図３は、音響通信制御部１１１の機能構成を示すブロック図である。音響通信制御部１１１は、例えば、送信データ生成部１１１１と、変調部１１１２と、復調部１１１３と、測位処理部１１１４とを有する。

送信データ生成部１１１１は、送信時刻情報と送受信時刻決定部１３で決定された送受信タイムスロットテーブルＴＳと送信方法とを含む送信データ（デジタル信号）Ｄ１４を生成する。送信データＤ１４の例は、図４で後述する。音響無線通信では、送信できるデータ量が少ないため、データを符号化する。音波による通信状況を把握するために、データに誤りが発生した場合の検出および訂正のための仕組みを送信データに組み込む。

変調部１１１２は、送信データ生成部１１１１により生成されたデジタル信号を変調し、音響パケットを生成する。これにより、変調部１１１２は、送信データＤ１４を音波で送信するための送波信号（アナログ信号）を生成する。

変調部１１１２は、任意の変調方式を用いることができる。変調部１１１２は、例えば、ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：位相偏移変調方式）、ＱＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：直交振幅変調）方式等のデジタル変調を用いてもよい。変調部１１１２により、送波部１１２を駆動して水中を効率よく伝搬可能な音波を発生するのに適した送波信号に変調される。

図４は、音響パケットＤ１０の構成例を示す模式図である。音響パケットＤ１０には、送信データＤ１４以外に、例えば、同期信号Ｄ１１、トレーニング信号Ｄ１２、制御情報Ｄ１３、その他情報Ｄ１５が含まれる。

同期信号Ｄ１１は、水中機器（移動体）２，３を識別するためと、水中機器の相対位置を測位するための信号である。トレーニング信号Ｄ１２は、音波の伝搬路特性を推定するための信号である。制御情報Ｄ１３は、音波を発生した時刻を示す送信時刻情報と、各水中機器の送受信タイミングを制御するための送受信タイムスロットテーブルＴＳと、送信方法決定部１３２で決定された送信方法とを含む。

図２に戻る。送波部１１２は、送受信タイムスロットテーブルＴＳの送信時刻に基づいて、送波信号を電力増幅し、全方向へ音波を送波（送信）する。送波部１１２には、圧電セラミック振動子を送波素子として備えた圧電型の送波器を用いることができる。圧電セラミック振動子は、電界を印加すると歪みまたは応力を発生する性質を有する。

受波部１１３は、アレイ型受波部として構成される。すなわち、アレイ型受波部は、一つのアレイに複数の受波部１１３が配列される。各受波部１１３は、送波部１１２から全方向へ送波された音波に対する返信を、送受信タイムスロットテーブルＴＳの受信時刻情報に基づいて、受波（受信）する。

各受波部１１３は、受信した受波信号（アナログ信号）を増幅し、ノイズを除去した後、Ａ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）を行う。各受波部１１３には、例えば、圧電セラミック振動子を受波素子として備えた圧電型の受波器を用いることができる。

図３に示す復調部１１１３は、各受波部１１３で受信された複数の受波信号を、信号処理可能な信号に復調する。復調部１１１３は、復調に際して、誤り検出および誤り訂正処理を行い、受波信号のＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ－Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏｎ）に対するビットエラー率（ＢＥＲ）を測定する。復調部１１１３は、その測定結果を通信状況として、測位処理部１１１４および送受信時刻決定部１３へ送信する。

さらに、復調部１１１３は、音響パケットＤ１０内の制御情報Ｄ１３（送信時刻情報、送受信タイムスロットテーブルＴＳ、送信方法等）と送信データＤ１４とを復号する。復調部１１１３は、音響パケットＤ１０内の同期信号Ｄ１１を検出した時刻を受信時刻情報とする。復調部１１１３は、制御情報Ｄ１３から取り出した送信時刻情報と同期信号Ｄ１１の受信時刻情報とを、測位処理部１１１４へ送信する。

測位処理部１１１４は、復調部１１１３から出力された各受波信号に対する復調結果である送信時刻情報および受信時刻情報と、センサ部１５の測定結果である水中での音波の伝搬速度とから、水中機器２，３間の相対距離を求める。測位処理部１１１４は、各受波信号の受波状況の位相差から、水中機器２，３間の相対方位を算出することもできる。測位処理部１１１４は、算出された相対方位を、センサ部１５の測定結果である水深情報および姿勢情報で補正することもできる。そして、測位処理部１１１４は、水中機器２，３間の相互位置を測位結果として、送受信時刻決定部１３へ送信する。

図２に示すように、センサ部１５は、複数種類のセンサ１５１，１５２を含む。センサ部１５は、水中機器の周辺環境を検出して信号を出力する。センサ部１５は、例えば、水中の音速および圧力を検出するセンサ１５１、水中機器の姿勢を検出する姿勢センサ１５２が含まれる。センサ部１５による検出結果は、音響通信制御部１１１へ送信され、測位処理部１１１４による水中機器間の相互位置の補正に使用される。なお、センサ部１５は、送波部１１２と受波部１１３の近傍に設けられる。

［光無線通信部１２の機能構成］

図２に示す光無線通信部１２の機能構成について説明する。光無線通信部１２は、例えば、光通信制御部１１２と、照射部１２２と、受光部１２３とを有する。

光通信制御部１１２は、他の水中機器に対して、送信データを変調し、光信号として送信する。すなわち、光通信制御部１１２は、送信時刻情報と送受信時刻決定部１３で決定された送受信タイムスロットテーブルＴＳと送信方法とを含む送信データを生成し、生成された送信データを搬送レーザー光に乗せるために変調処理し、変調された発光信号を照射部１２２から送信させる。

光通信制御部１１２は、送受信時刻決定部１３で決定された送受信タイムスロットテーブルＴＳの受信時刻情報に従い、受光部１２３で受信された受光信号を信号処理可能な信号に復調および復号する。このとき、光無線通信部１１２は、誤り検出処理および誤り訂正処理を行い、受光信号のＳＮＲに対するビットエラー率（ＢＥＲ）を測定し、この測定結果を通信状況として、送受信時刻決定部１３へ送信する。

照射部１２２は、送受信タイムスロットテーブルＴＳに記載された送信時刻情報に基づいて、予め定められた広角範囲へ向けてレーザー光を照射（送信）する。レーザー光の発信源としては、例えば、半導体レーザー、ガスレーザー、ＬＥＤがある。さらに、照射部１２２は、照射角度を調整する回転機構、または可動光学レンズを備えてもよい。照射角度は、姿勢センサ１５２で検出された動揺量と水中機器間の測位結果とに基づいて、調整することができる。

受光部１２３は、送受信タイムスロットテーブルＴＳに記載された受信時刻情報に基づいて、他の水中機器から送信されるレーザー光信号を受信する。レーザー光の検出器としては、フォトダイオード等がある。さらに、センサ部１５の姿勢センサで検出した動揺量および水中機器間の測位結果に基づき、受光角度を調整する回転機構または可動光学レンズを有してもよい。

［送受信時刻決定部１３の機能構成］

図５を用いて、送受信時刻決定部１３の機能構成について説明する。図５は、送受信時刻決定部１３の機能構成の一例をすブロック図である。送受信時刻決定部１３は、データ入力部１４に接続されている。送受信時刻決定部１３は、送受信タイムスロットテーブル生成部１３１と、送信方法決定部１３２と、通信状況記憶部１３３を備える。

データ入力部１４は、原子時計からの時刻情報と図示せぬメモリから読み出される送信予定データとを、送受信時刻決定部１３へ入力する。原子時計は、高精度な周波数標準に基づいて正確な時間を刻む時計であり、音波または光波を送受信するタイミングを決める送受信タイムスロットテーブルＴＳの基準となる。送信予定データは、図示せぬ入力装置から手動で入力してもよい。入力装置には、キーボード、マウスなどのポインティングデバイス、タッチパネルなどがある。

送信予定データは、他の水中機器との間での通信対象となるデータパケット（データ信号）である。データパケットには、例えば、優先度およびデータサイズ等の送信情報と、通信データとが含まれる。

送受信タイムスロットテーブル生成部１３１は、測位処理部１１１４により算出された水中機器間の相互位置と、センサ部１５により検出された音速とに基づいて、他の水中機器との間での通信遅延時間を算出する。

送受信タイムスロットテーブル生成部１３１は、算出された通信遅延時間とターンアラウンドタイム（音波を受波してから音波を送波するまでの時間）とに基づき、音波の送受信が重ならないように、かつ光の送受信が重ならないように、送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成する。

送受信タイムスロットテーブルＴＳでは、音響無線通信部１１が音波を送信中の場合、すなわち音波の送信モードである場合、光無線通信部１２は光波を受信するモードにあるように設定されている。音波送信モードでは、音波の受信は休止されている。光波の受信モードでは、光波の送信は休止されている。このとき、他の水中機器３では、音響無線通信部１１は音波受信モード（送信は休止中）とし、光無線通信部１２は光波送信モード（受信は休止中）とする。

生成された送受信タイムスロットテーブルＴＳは、音響無線通信部１１または光無線通信部１２から他の水中機器３へ送信（通知）される。これにより、水中機器２の水中無線通信装置１０Ｍと他の水中機器３の水中無線通信装置１０Ｓとの間で、送受信タイムスロットテーブルＴＳが共有される。したがって、水中機器２，３間での音波の衝突および光波の衝突を抑制することができ、水中機器２，３間で光波と音波を利用した全二重通信が実現される。すなわち、水中機器２と水中機器３との間で、音波と光波を切り替えて送受信することにより、ほぼ同時にデータをやり取りすることができる。

送信方法決定部１３２は、送信予定データのデータパケットに含まれる送信情報（優先度とデータサイズ）と、測位結果と、通信状況とに基づいて、データパケットの送信方法を決定する。

送信方法は、通信方式（音響通信、光通信）、周波数（波長）、周波数帯域幅、変調方式、再送回数、誤り訂正符号の符号化率、送信パルス幅（送信時間長）のうち少なくとも何れかを含んで決定される。

例えば、送信情報の優先度が高い場合、確実に送信できる、ロバストな送信方法が決定される。ロバストな送信方法では、例えば、通信方式は音響通信、周波数は２０ｋＨｚ、周波数帯域幅は２ｋＨｚ、変調方式はＢＰＳＫ、再送回数は５回、誤り訂正の符号化率は１／２、送信パルス幅は１００ｍｓと決定される。

通信状況記憶部１３３に記憶された情報（過去の音波および光波の、ＳＮＲとＢＥＲの関係と測位結果）を用いて、公知技術の機械学習により、現状の測位結果および通信状況における最適な送信方法を決定してもよい。

通信状況記憶部１３３には、測位結果に応じた通信状況が記憶される。例えば、記憶される通信状況には、水中機器が受信した信号のＳＮＲに対するビットエラー率（ＢＥＲ）の測定値を含む。なお、通信状況記憶部１３３には、揮発性または不揮発性メモリが使用される。そのようなメモリとしては、例えば、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリ等がある。

［水中無線通信装置を用いた通信］

母船２に搭載された水中無線通信装置１０ＭとＡＵＶ３に搭載された水中無線通信装置１０Ｓとの間での通信動作について説明する。以下、母船側の水中無線通信装置１０Ｍをマスター機器１０Ｍ、ＡＵＶ側の水中無線通信装置１０Ｓをスレーブ機器１０Ｓと称して説明する。

母船２およびＡＵＶ３は、自律的な協調行動をするものとし、母船２とＡＵＶ３との間の距離と両者の位置関係とは、常に同じとなるよう協調制御される。母船２とＡＵＶ３の間の距離と両者の位置関係とは、図示せぬ位置補正部により制御されてもよい。位置補正部は、測位処理部１１１４の測位結果に基づき、母船２とＡＵＶ３の距離および位置関係が常に同じとなるように制御する。

図６は、水中無線通信装置１０Ｍの動作の一例を示すフローチャートであり、図７は、水中無線通信装置１０Ｍと水中無線通信装置１０Ｓとの間の通信例を示すタイムチャートである。図７では、母船側のタイムチャートを上側に示し、ＡＵＶ側のタイムチャートを下側に示す。それぞれのタイムチャートでは、その上側が送信を示し、その下側が受信を示す。各タイムチャートには、送受信時刻決定部１３により決定された送受信時刻および送信方法に基づいて、データパケットが送信および受信された時期が示されている。

水中無線通信装置１０Ｍは、送信方法を決定する（Ｓ１１）。送信方法決定処理の詳細は図８で述べる。簡単に説明すると、水中無線通信装置１０Ｍは、テストパターンの音波信号および光波信号を相手の水中無線通信装置１０Ｓへ送受信することにより、各無線通信部１１，１２の通信状況と水中機器２，３間の相互位置とを取得し、送信予定データの送信情報（優先度、データサイズ）に基づいて送信方法を決定する。

図８を用いて、ステップＳ１１の処理手順を説明する。母船側のマスター機器１０Ｍは、ＡＵＶ側のスレーブ機器１０Ｓとの間で、予め定められた時刻に予め定められたテストパターンの音波信号を送受信することにより、通信状況および測位結果（通信距離）を取得するとともに、通信状況記憶部１３３に測位結果に応じた音響通信状況を記憶する（Ｓ１１１）。

同様に、マスター機器１０Ｍは、スレーブ機器１０Ｓとの間で、予め定められた時刻に予め定められたテストパターンの光信号を送受信することにより、通信状況および測位結果（通信距離）を取得するとともに、通信状況記憶部１３３に測位結果に応じた光通信状況を記憶する（Ｓ１１２）。

マスター機器１０Ｍは、送信予定データの送信情報（優先度、データサイズ）を取得する（Ｓ１１３）。

マスター機器１０Ｍは、ステップＳ１１１～Ｓ１１３で取得した、通信状況と測位結果と送信情報とに基づき、送信方法を決定する（Ｓ１１４）。マスター機器１０Ｍは、ステップＳ１１３にて決定された送信方法を、音響無線通信部１１または光無線通信部１２を用いて、スレーブ機器１０Ｓへ送信し、マスター機器１０Ｍおよびスレーブ機器１０Ｓで送信方法を共有する（Ｓ１１５）。

図６に戻る。マスター機器１０Ｍは、スレーブ機器１０Ｓから応答信号を受信すると、スレーブ機器１０Ｓとの間で通信が確立したと判断する（Ｓ１２：ＹＥＳ）。応答信号は、マスター機器１０Ｍから送信された送信方法をスレーブ機器１０Ｓが正常に受信したことを示す信号である。これに対し、マスター機器１０Ｍがスレーブ機器１０Ｓへ送信方法を送信した後で一定時間が経過しても、マスター機器１０Ｍがスレーブ機器１０Ｓからの応答信号を受信できない場合、マスター機器１０Ｍは通信が確立していないと判定し（Ｓ１２：ＮＯ）、ステップＳ１１へ戻る。

マスター機器１０Ｍは、送受信タイムスロットテーブル生成部１３１により、送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成する（Ｓ１３）。すなわち、マスター機器１０Ｍは、測位処理部１１１４で算出された通信距離とセンサ部１５で検出された音速とに基づいて、水中機器２，３間の音波伝搬時間（通信遅延時間）を算出する。そして、マスター機器１０Ｍは、この通信遅延時間およびターンアラウンドタイム（音波または光波を受信してから送信するまでの時間）に基づき、音波の送受信および光波の送受信の夫々が重ならないように、送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成する。

マスター機器１０Ｍは、生成された送受信タイムスロットテーブルＴＳを音響無線通信部１１または光無線通信部１２を用いて、ＡＵＶ側のスレーブ機器１０Ｓへ送信し、各水中機器２，３間で送受信タイムスロットテーブルＴＳを共有する（Ｓ１４）。

マスター機器１０Ｍは、ステップＳ１３で生成された送受信タイムスロットテーブルＴＳとステップＳ１１で決定された送信方法とに基づいて、スレーブ機器１０Ｓとの間でデータ通信を行う（Ｓ１５）。これにより、図７のタイムチャートに示すように、全二重通信が可能となる。同様に、スレーブ機器１０Ｓも、送受信タイムスロットテーブルＴＳと送信方法に基づいて、マスター機器１０Ｍとの間でデータ通信を行う。

マスター機器１０Ｍは、測位処理部１１１４により受信した音波からスレーブ機器１０Ｓとの間の通信距離を算出し、算出された通信距離が所定値以上変化したか監視している（Ｓ１６）。例えば、マスター機器１０Ｍは、通信距離が所定値として１０ｍ以上変化した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ステップＳ１３へ戻り、送受信タイムスロットテーブルＴＳを更新する。マスター機器１０Ｍとスレーブ機器１０Ｓとの間の通信距離が所定値以上変化していない場合（Ｓ１６：ＮＯ）、ステップＳ１５へ戻る。

ステップＳ１６の判定は、通信距離だけでなく、環境ノイズを含む通信状況の変化でもよい。すなわち、マスター機器１０Ｍは、スレーブ機器１０Ｓとの間の通信距離の変化に加えて、通信状況の変化も監視することができる。これにより、通信環境の変動に応じた最適な送信方法を決定でき、より安定した無線通信を実現することができる。

図７のターゲットを説明する。図中の白い四角形は音波により通信が行われていることを示す。図中、斜線の描かれた四角形は光により通信が行われていることを示す。

このように構成される本実施例によれば、音響を用いる無線通信と光を用いる無線通信とを組み合わせて水中でより安定した通信を行うことができる。

本実施例では、送受信タイムスロットテーブルＴＳをマスター機器１０Ｍおよびスレーブ機器１０Ｓで共有し、送受信タイムスロットテーブルＴＳにしたがって音響無線通信または光無線通信を行うため、効率的にデータを送受信することができる。

本実施例では、マスター機器１０Ｍとスレーブ機器１０Ｓとの間で、光無線通信の送受信が重ならず、かつ音響無線通信の送受信も重ならないように送受信タイムスロットテーブルＴＳを生成して共有するため、音波の衝突などを抑制でき、全二重通信を実現することができる。

本実施例では、無線通信が行われる水中の音速または水深、水中機器２，３の姿勢変動など測定して送受信タイムスロットテーブルＴＳを更新するため、水中の環境変化に追従して安定した通信を行うことができる。

図９を用いて、第２実施例を説明する。本実施例では、第１実施例との相違を中心に述べる。本実施例では、例えば、潜航しているＡＵＶ３が資源調査により収集した大容量データを母船２へ伝送する場合の通信動作を説明する。

このとき、送信予定データのデータパケットに含まれる送信情報の優先度は、高速通信モードに設定される。送信方法および送受信タイムスロットテーブルＴＳは、ＡＵＶ側のスレーブ機器１０Ｓの光無線通信部１２の送信パルス幅（送信時間長）が最大になるように設定される。このときの通信の例を示すタイムチャートを図９に示す。

光無線通信部１２を用いた高速通信モード時であっても、例えば、水中機器間の通信距離の増大または水中濁度の悪化等の影響により、光無線通信の通信状況が所定値以上低下した場合には、音響無線通信に切り替える。このとき、通信状況記憶部１３３の記憶情報を参照し、送信方法（周波数、周波数帯域幅、変調方式、再送回数、誤り訂正の符号化率、送信パルス幅）および送受信タイムスロットテーブルＴＳを更新する。

このように構成される本実施例も第１実施例と同様の作用効果を奏する。さらに本実施例では、光無線通信部１２による高速通信モードを使用することができるため、ＡＵＶ３により収集された大容量のデータを母船２へ短時間で伝送することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。上述の実施形態において、添付図面に図示した構成例に限定されない。本発明の目的を達成する範囲内で、実施形態の構成や処理方法は適宜変更することが可能である。

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれる。さらに特許請求の範囲に記載された構成は、特許請求の範囲で明示している組合せ以外にも組合せることができる。

１：水中無線通信システム、２：母船、３：ＡＵＶ、１０：水中無線通信装置、１１：音響無線通信部、１２：光無線通信部、１３：送受信時刻決定部、１４：データ入力部、１５：センサ部

Claims (7)

1. 水上または水中を移動可能な移動体に設けられ、音と光を用いて水中で無線通信する水中無線通信装置であって、
   音響を用いて無線通信する音響無線通信部と、
   光を用いて無線通信する光無線通信部と、
   前記音響無線通信部および前記光無線通信部を制御する通信制御部とを備え、
   前記通信制御部は、
   前記音響無線通信部の使用タイミングと前記光無線通信部の使用タイミングとを通信遅延時間に基づいて規定する所定の通信管理情報にしたがって、前記音響無線通信部および前記光無線通信部を制御する
   水中無線通信装置。
2. 前記音響無線通信部は、他の移動体に設けられる他の音響無線通信部との間で音響を用いて無線通信するものであり、
   前記光無線通信部は、前記他の移動体に設けられる他の光無線通信部との間で音響を用いて無線通信するものであり、
   前記通信制御部は、前記他の音響無線通信部および前記他の光無線通信部を制御する他の通信制御部との間で、前記所定の通信管理情報を共有する
   請求項１に記載の水中無線通信装置。
3. 前記通信制御部は、前記所定の通信管理情報にしたがって、
   前記音響無線通信部が送信モードの場合、前記光無線通信部は受信モードであり、前記音響無線通信部が受信モードの場合、前記光無線通信部は送信モードであるように制御する
   請求項２に記載の水中無線通信装置。
4. さらに環境測定部を備え、
   前記環境測定部は、無線通信が行われる水中の音速または水深、前記移動体の姿勢の少なくともいずれか一つを測定した測定結果を前記通信制御部へ供給し、
   前記通信制御部は、前記測定結果に基づいて前記所定の通信管理情報を生成する
   請求項３に記載の水中無線通信装置。
5. 前記通信制御部は、送信予定データに設定された優先度と前記測定結果とに基づいて、前記所定の通信管理情報を生成する
   請求項４に記載の水中無線通信装置。
6. さらに通信状況記憶部を備え、
   前記通信状況記憶部は、前記他の移動体と前記移動体との間で行われた音響無線の状況および光無線の状況を通信状況履歴として記憶しており、
   前記通信制御部は、前記優先度と前記測定結果と前記通信状況履歴とに基づいて、前記所定の通信管理情報を生成する
   請求項５に記載の水中無線通信装置。
7. 音と光を用いて水中で無線通信する水中無線通信方法であって、
   音響を用いて他の音響無線通信部と無線通信する音響無線通信部と、
   光を用いて他の光無線通信部１２と無線通信する光無線通信部とを備え、
   前記音響無線通信部の使用タイミングと前記光無線通信部の使用タイミングとを通信遅延時間に基づいて規定する所定の通信管理情報にしたがって、前記音響無線通信部および前記光無線通信部１２を制御する
   水中無線通信方法。

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