JP6169294B2

JP6169294B2 - スルー・ジ・アース緊急無線システム

Info

Publication number: JP6169294B2
Application number: JP2016573019A
Authority: JP
Inventors: ジェームズローパー，マイケル; クヴァスニオク，ピーター; プーザコヴ，ウラディミール
Original assignee: ヴァイタルアラートコミュニケーションインコーポレイテッド
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: CA2946441A1; ZA201607217B; US10277335B2; CA2946441C; US20180091237A1; JP2017517986A; US20170187471A1; WO2015161360A1; EP3134975A1; US9866333B2; EP3134975A4; CN106256109A

Description

本発明は、スルー・ジ・アース（Through-the-Erath（TTE））通信の分野に関し、より具体的には、緊急的な状況の間に使用するTTEシステムに関する。

地表の下にある地下鉄のトンネル又は他の構造の中での火災又は爆発の直後等の緊急的な状況においては、そのトンネル内に入り、救助や消火活動を行う緊急作業員が必要となる。この種の出来事の場合には、既に設置されているいずれの既存の通信システムも、もはや動作可能ではない。それらの作業を連携させ、緊急作業員の安全を確保するためには、それらの緊急作業員が地表への通信リンクを確保していることが強く望まれる。スルー・ジ・アース（TTE）通信システムは、地下鉄トンネルの上方の表土等の硬い岩盤及び他の硬い物質を通して通信を行うことが可能である。上記の表土は、通常、さまざまな種類の岩、粘土、砂、砂利、及びコンクリートを含む材料からなり、これらの材料の中には、溶液によって運ばれるイオン又はコンクリートの場合には鋼鉄の補強材の存在により高い導電性を有するものも存在しうる。多くの地下鉄のトンネル及び地下室空間は、地表の下100mよりも下にあるが、上記の材料を通して通信リンクを提供するためには、TTE通信システムは、通常、300Hzと3kHzとの間のULF周波数帯域内の低い周波数で動作する必要がある。

対象となる信号が極めて大きな波長を有しているため、伝統的なアンテナ構造を使用することによっては、上記の周波数帯域で電磁平面波を放射することができない。代わりに、TTE通信システムは、固体材料を通して信号を送信するために、磁気誘導又は電流注入のいずれかを使用する。磁気誘導では、変調される電流で駆動されるワイヤーループから構成される送信アンテナは、時間的に変化する磁界を生成し、その生成された磁界は、その後、リンクの遠端にある第2のループアンテナによって傍受される。受信ループは、変調される磁界に比例する出力電圧を生成する。上記の電圧は、その後、フィルタリングされ、そして復調され、従来の無線システムにおけるのと同様に、変調されたデータを回復する。電流注入法では、送信機は、大地又は表土に直接挿入される広く間隔をあけて配置された一対の電極に接続される。変調される送信機出力は、上記の一対の電極の間で電位差を生じさせ、それらの一対の電極は、電流が表土を通して流れて拡散するようにさせる。表面に配置される第2の対の電極は、上記の電流によって引き起こされる電位差を検出することになる。出力電圧は、フィルタリングされ、そして復調されて、上記のように、変調されたデータを回復する。

これらの磁気誘導及び電流注入の双方は、通常、1つ又は複数の配線を必要とし、それらの1つ又は複数の配線は、100mの深さでの動作のために通常は30mよりも長い長さを有し、ループアンテナを形成する又は複数の電極を接続するように配置される。上記のことは、緊急的な状況では実際的ではなく、そのような緊急的な状況では、空き空間が制限される可能性があり、送信アンテナ用の配線は、動作中に破損する可能性がある。水又は有害な空気の存在下では、送信アンテナ用の配線は、また、使用される大電流又は高電圧により安全上の問題を提示しうる。電流注入のための電極の据え付けも、また、運搬可能でなければならず、かつ迅速に配置できなければならない装備という点では実際的ではない。さらに、都市部では、ULF周波数帯域は、電気的機械類及び給電線によって生成される大量の人工の電磁雑音を含んでいる。このような雑音は、地上及び地下の双方で遭遇し、緊急事態の後も存在し続け、そのような出来事によって影響を受けていない給電線から生じる。

本明細書で説明される実施形態は、緊急的な通信のためのスルー・ジ・アース（Through-The-Earth）送受信機を提供する。

本明細書で説明される複数の実施形態は、地球又は他の硬く厚い障害物を通り抜けることができるきわめて低い周波数の磁界又は電界によって無線通信を提供する方法及び装置を提供する。本明細書で説明される複数の実施形態は、緊急的な通信のために運搬することができ、また配置することができ、そして、AC電力線及びAC電力機器から生じる人工的な電磁雑音に耐性があるシステムを提供する。さらに、地球を通じて信号を送信し、高いレベルの人工の電磁雑音に耐性がある方法が説明される。本発明にかかるシステムは、配置されるのに長い配線のアンテナを必要とせず、有害な状況の中でも安全であり、かつ、電力線の雑音の影響に対しても頑健である。

1つの態様によれば、ハウジングと、送信機と、送信アンテナと、受信機と、少なくとも1つの受信アンテナと、無線通信ポートと、送信機及び受信機に接続され、少なくとも2つの個別の次数間高調波周波数を有する波形を変調し、そして復調するように構成される信号プロセッサとを含むスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機が提供される。

他の態様によれば、スルー・ジ・アース（TTE）通信リンクを提供する方法であって、交流電流（AC）電力線雑音の基本周波数を決定するステップと、テキストメッセージ、ディジタル的に符号化される音、又は他のデータを表すデータストリームを入力するステップと、N個のデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルの1つのブロックに逆フーリエ変換を実行し、N個の個別の変調された搬送波を含む単一の次数間高調波変調（IHM）波形を生成するステップとを含む、方法が提供される。いくつかの実施形態によれば、M番目の搬送波の周波数F_mは、F_m=(M+0.5)*F_acであらわされ、Mは、1からNまでの範囲の正の整数であり、F_acは、基本AC周波数である。

1つの態様において、本明細書で説明される実施形態は、ある与えられる通信リンクの上でSNRを改善する手段として、マルチキャリア変調方法を実装することができる。方法又はデバイスは、系統的に関連付けられる複数の搬送波を介してデータを送信し、それによって信号が人工的な雑音の複数の高調波周波数の間に位置するようにするステップを伴う。

1つの態様において、本明細書で説明される実施形態は、1つの方法又はデバイスを提供してもよく、その方法又はデバイスは、大振幅制限を使用して、高電力効率を得るステップを伴い、2400[bps]より低いビットレートで動作するショートテキストメッセージ及び音声コーデックを特徴づける坑道用の複数の緊急事態通信のための最適頂点ファクタは、1.4であってもよく、又は、あらかじめ規定される範囲にあってもよい。実際の例示的な実装は、坑道通信用であってもよい。

1つの態様において、本明細書において説明される実施形態は、（リードソロモン符号化等の）誤り訂正符号化を使用して、振幅クリッピングによって生ずるデータの誤りを訂正するステップを伴う方法又はデバイスを提供することができる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付の図面との組み合わせとともに以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
TTE緊急用無線システムのシステムブロック図である。都市環境における人工的な雑音のスペクトラムをプロットした図である。 TTE緊急用送受信機のハウジングを示す図である。 TTE緊急用送受信機のブロック図である。 TTE緊急用送受信機のハウジングの断面図である。次数間高調波変調信号のスペクトラムをプロットした図である。単一の送信機及び送信アンテナに関する代替的な実施形態のブロック図である。 100[Hz]から10[kHz]までのTTEチャネルの振幅及び位相をプロットした図である。試験結果の例示的なグラフである。

添付の図面全体を通じて、同様の特徴は同様の参照数字によって特定されているということに留意すべきである。

1つの実施形態において、スルー・ジ・アース緊急用送受信（TER）は、スルー・ジ・アース（TTE）通信リンクの各端において使用され、地表と地表の下にある場所との間の通信を提供する。図1は、上記の構成のシステムレベルの線図である。大地の下では、作業者1が、モバイル送受信機2を使用して、従来の無線リンク4を介してTER3に音声データ又はテキストデータを送信し、TER3は、大地の下に位置している。TER3は、変調された磁界によって提供されるTTEリンク6により第2のTER5に音声情報及びデータ情報を送信し、その第2のTER5は地表に位置している。変調された磁界6の周波数は、その変調された磁界6が表土7を通り抜けることができるような値になっており、通常は、800[Hz]乃至4000[Hz]の範囲内にあってもよい。TER5は、その後、第2の送受信機9により従来の無線リンク10を介して地表に位置する作業者8に音声情報及びデータ情報を送信する。データは、また、音声又はデータネットワーク11に送信されてもよい。

磁気誘導は、TTEリンク6のために使用されてもよく、システムが移動可能となり、そして迅速に配置されることが可能となるようにしてもよい。電磁誘導に使用される送信ループアンテナ及び受信ループアンテナの双方は、TER3のハウジング及びTER5のハウジングの中に組み込まれてもよく、TER3のハウジング及びTER5のハウジングは、外部コネクタを持たない完全に密閉されたユニットであってもよい。ハウジングは防水ハウジングであってもよい。内部故障により発生する火花によって発火する可能性のあるあらゆる危険なガスの侵入は、内部にクローズドセル発泡体を充填することにより防止されうる。TER3及びTER5の各々によって送信される磁界の大きさは、携帯性のために要求されるアンテナの小さな面積と、リチウムイオン技術に基づいてその重量を最小化することができるバッテリーの電圧及び容量とによって制限される。リン酸鉄リチウム、ニッケル水素又はニッケルカドミウム等の他のバッテリー技術を使用してもよい。

10[kHz]より小さな周波数で動作するということは、受信機が、特に、近傍の電力分配線からの人工の雑音にさらされるということを意味している。図2は、TTE通信に使用される周波数帯域に至るまで、雑音がどの程度広がるかを示す上記の雑音波形のスペクトラムのプロットである。雑音のスペクトラムの中の明確に規定された複数のピークが、AC電力分配ネットワークの複数の高調波周波数で生じている。上記の雑音が存在すると、データシンボルが誤って復調される可能性があり、雑音レベルの広い範囲にわたって、受信したデータ内に誤りが発生し、それらの受信したデータ内の誤りは、エンドユーザの端末においてひずんだ音声通信又は文字化けしたテキストデータとして現れる。雑音レベルが十分に高い場合には、その雑音は、受信機が送信機と周波数同期又は位相同期をとることを妨害し、TTE送信を完全にブロックする可能性がある。雑音は、通常、電力線周波数の高調波に集中する。送信機及びアンテナに関する制約のために、100mの距離で受信される磁界は、FSK又はQPSK等の伝統的な変調方法を使用して信頼性の高い通信を可能とするほどの強度を有していない可能性がある。したがって、TER3及びTER5は、次数間高調波変調を使用し、次数間高調波変調においては、複数の変調された搬送波で信号を送信し、それらの複数の変調された搬送波の中心周波数は、電力線の複数の高調波の間の周波数に位置しており、その雑音レベルは、高調波周波数における雑音レベルよりも通常20dB乃至30dB低くなる。上記のことは、従来の単一搬送波TTE変調と比較して、受信機の感受性という点でそれに応じた改善をもたらし、2つのTER3及び5の間の信頼性のより高い通信リンクをもたらす。

いくつかの実施形態において、TERハウジングは、ファイバガラスエポキシ、ビニルエステル化合物、又は、アクリルプラスティック、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ABS）、シリコンゴム、ファイバ強化プラスティック、エチレン―プロピレン―ジエン―モノマーゴム、若しくは化合物ポリマー材料等の他の非導電性材料から形成される密閉された環状リングの形態であってもよい。TERハウジングの例示的な寸法は、70[cm]×50[cm]×9[cm]であってもよく、例示的な重量は、TERハウジングが1人の人間によって容易に運搬でき容易に配置することができるように、8[kg]よりも小さくなっていてもよい。TERハウジングは、単純な装着帯を使用して又は既存の呼吸装置に取り付けて、背負って両手が自由な状態で運搬することができる。図3は、TERハウジング31の例示的な実施形態を図示しており、TERハウジング31は、送信アンテナ、受信アンテナ、及び送受信機のすべての構成要素を含んでいてもよい。電子機器及びバッテリーは、ハウジング31の肥厚端部32に位置するシールドされたシャーシ内に収容されてもよく、一方、受信アンテナは、ハウジング31の対向する端部33に位置して、能動的な電子機器から拾われる雑音を最小化してもよい。この実施形態においては、オペレータは、ハウジング31の外側に配置されている磁気的on/offスイッチ34を制御するのみであり、磁気的on/offスイッチ34は、ユニットの内側のリレーを制御する。LED状態インジケータのセットも、また、ユニットの内側に収容され、ハウジング31に形成された透明な窓35を通して視認することができる。

図4は、TER3及びTER5の例示的なブロック線図であり、TER3及びTER5は、通信に使用される電子機器及びアンテナを囲むハウジング31と、TER3及びTER5が使用されていないときにTER3及びTER5を充電し、TER3及びTER5を支持するのに使用する充電用架台41とを含んでいる。充電用架台41は、外部のAC電源42から給電されてもよく、電力変換機43と誘導性充電ループ44とを含んでいる。誘導性充電ループ44は、ハウジング31の中に位置する第2のループ46を介して電力を充電用架台41からTERバッテリー充電器45に移動させる。この方法により、TERバッテリー47は、TER3及びTER5が充電用架台41に接触して位置している間、筐体を貫いて存在するであろう配線接続を必要とすることなく、完全に充電された状態に維持されてもよい。

TER3及びTER5がオンにされると、電源48は、バッテリー電圧を、信号プロセッサ49及び送信機410、受信機411及び無線モジュール412が必要とする複数の異なる電源電圧に変換する。3つのTER受信アンテナ413は、複数の直交する軸にそって配置されてもよく、それによってハウジングを整列させなくても、いずれかの任意の方向からの信号をTER3及びTER5によって受信することができる。TER3及びTER5は、図1に示されているように、水平表面にTER3及びTER5を置くことにより、単純に配置されることができる。受信機アンテナ413は、ハウジング31の他の電子機器と対向する端部に位置していてもよく、残りの電子回路内の雑音源との結合を最小化してもよい。受信機アンテナ413からの信号は、信号プロセッサ49にディジタル形式で送信される前に、3チャネル受信機411によって増幅され、フィルタリングされ、そしてサンプリングされてもよい。信号を受け取る際に、信号プロセッサ49は、3つのアンテナ413から受信した信号に対してタイミング回復、同期、復調、及び復号化の機能を実行してもよい。

信号を送信する際に、信号プロセッサ49は、パルス幅変調（PWM）信号414の形式でマルチキャリア波形を合成し、PWM信号414は、送信機410を駆動させるのに使用される。いくつかの実施形態において、送信機410は、（PWM増幅器である）4つの個別のフルブリッジ回路415を含んでもよく、4つの個別のフルブリッジ回路415の各々は、1つの個別のアンテナループ416に接続されていてもよい。これらのループの各々からの磁界が結合して、送信される磁界の強度を相加的に増加させるように、これらのループを接続し配列してもよい。

TER3及びTER5は、1つの無線通信ポートとして動作してもよく、ともにハウジング31内に取り付けられる個別の低電力無線モジュール412及びアンテナ417を含んでいてもよい。例えば、地表のTTEリンクの遠端から信号プロセッサ49で受信される音声又はデータは、双方向無線モジュール412に送信され、そして、TERの外側に位置するモバイル送受信機2及び9に送信されてもよい。モバイル送受信機2及び9によって送信される音声通信及びデータ通信は、無線モジュール412によって受信され、信号プロセッサ49に送信され、そして、TTEリンクの遠端に送信される。無線モジュール412は、大地の上の緊急作業員によって通常使用される800[MHz]、UHF帯域又はVHF帯域内で動作する無線モジュール等の公衆安全無線モジュールであってもよい。代替的に、無線モジュール412は、モバイルWiFiに使用可能なデバイスと通信することができるWiFiアクセスポイントであってもよい。音声及びデータの双方は、TER3及びTER5に送られ、そして、TER3及びTER5から外部の送受信機2及び9に送られてもよい。

図5は、TERハウジング31の例示的な実施形態の断面図であり、TERハウジング31は、4つの個別のらせん形状ループ416を含む送信アンテナを収容し、4つの個別のらせん形状ループ416は、絶縁導線によって単一平面内に構成されている。個別のループおよび各ループの複数のターンは、間隔をあけて配置されて、送信機負荷のインピーダンスを最小化してもよく、また、筐体の内側のすべての空間を満たしている発泡体コア51によって支持されている。TERは、2つの鏡面配置されたハウジングの半分のもの52及び53の中に組み込まれてもよく、それらのハウジングの半分のもの52及び53は、送信アンテナループ416が、設置されカプセル化するのを可能とする。残りの電子機器を設置しそして接続した後に、ハウジングの半分のもの52及び53は、一体にして接着され、その後、外周54の周りを密閉され、すべての組み立て部品は防水とされていてもよい。TER筐体は、開口を含んでおらず、電子機器のシャーシを除き発泡体で満たされているので、わずかな量のみの外部の気体がハウジングにはいることが可能である。最大内部電圧及び最大内部電流を小さな値に制限することにより、エネルギーの放電又は火花を生じるあらゆる内部故障は、外部の危険な空気における発火を生成することが可能ではなくなる。

上記のように、TER送信アンテナは、小さなハウジングに中に全体的に囲まれていてもよく、1人の人間によって容易に運搬され、そして単純な方法で配置されるのに十分小さなユニットを形成してもよい。アンテナによって生成される磁界は、ループの面積、ターンの数、及びループ電流に比例する。TERアンテナの小さな面積は、複数のターンを使用することで補償することが可能である。所与の周波数における電流を決定するアンテナのインダクタンスは、ターンの数の二乗に比例しており、自由に大きくすることはできない。例えば、サイズが70[cm]×50[cm]×9[cm]で、各々のらせん形状が5ターンから形成され、ループおよびそれぞれの巻きが各々2[cm]だけ間隔をあけられている試作のTERアンテナは、4[kHz]で1.5[Ω]のインピーダンスを有する。12[V]の最大出力電圧を有するPWM送信機によって駆動される場合に、各ループのAC電流は、ピークが8[A]となる。アンテナインピーダンスの抵抗成分によって生じるI²R損失に起因するPWM送信機のDC電力消費は、12[W]よりも小さくなる。100[m]の範囲では、上記のアンテナは、4×10^-12[T]の磁束密度を生成する。これは、最も都市部の環境における人工的な雑音よりも低い。したがって、人工的な雑音に対して高い耐性を示すTTEリンクを使用することで、このサイズのアンテナを用いて信頼性の高い通信リンクを提供する。上記のことは、次数間高調波変調（IHM）と称されるTTE通信のための変調方法を使用して達成され、次数間高調波変調（IHM）は、TTEチャネルの既知の特性、特に、人工的な雑音のスペクトル分布を利用している。

図4の信号プロセッサ49は、TTE通信リンクを介して送信されるIHM波形の合成を含むTER3及びTER5内でのすべての変調機能及び復調機能を実行してもよい。上記の波形は、複数の個別の搬送波周波数を含み、それらの複数の搬送波の各々は、入力データビット及びオーバーヘッドビットを表す複数のシンボルで変調されている。複数の搬送波周波数は、局所的なAC電力分配システムの1つの基本周波数の複数の次数間高調波周波数に位置しており、M番目のIHM搬送波の周波数は、F_m=(M+0.5)×F_acであり、ここで、Mは、0乃至Nの範囲の正の整数であり、F_acは、基本AC周波数である。各搬送波の占有帯域幅が次数間高調波周波数間隔よりも小さくなるように、変調シンボルレートを設定し、次数間高調波周波数間隔は、F_acに等しい。上記の波形によって生成される磁界は、周波数スペクトラムの中の複数の周波数位置に集中しており、それらの複数の周波数位置においては、雑音は、上記のAC電力の複数の高調波周波数において生じる雑音のピークレベルよりも通常20dB乃至30dB低くなる。図6は、60[Hz]離して間隔をあけた32個の変調された搬送波を持つIHM波形の例示的なスペクトラムのプロットである。

いくつかの実施形態において、信号プロセッサ49は、N個のデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルの1つのブロックに逆フーリエ変換を実行して、N個の個別の変調された搬送波を生成することにより、送信される信号を合成する。上記の送信スキームによってサポートされる総計の送信データレートRは、R=N×S×Bで与えられ、Nは、サブキャリア（変調された搬送波）の数であり、Sは、シンボルレートであり、Bは、シンボルあたりのビット数である。直角位相シフトキーイング（QPSK）変調が上記の変調を実行するのに使用される場合には、B=2であり、単一のサブキャリアが次数間高調波周波数間隔の50%である30[Hz]の帯域を占有している場合には、S=33.3[シンボル/s]であり、結果として、サブキャリアあたり66.6[bit/s]のデータレートとなる。600[b/s]で音声を送信するためには、2方向（全二重通信）で、少なくとも18個の搬送波を必要とする。しかしながら、逆FFTを使用して波形を合成するためには、Nは、2の累乗の整数でなければならない。このようにして、音声データを送信するためには、必要とされる搬送波の最小数は、N=2⁵=32であり、1920[b/s]の総計のスループットを提供する。追加の（余った）の容量は、オーバーヘッドシンボル並びにシグナリングデータシンボル又は誤り訂正及び検出ビットを運ぶのに使用することができる。複数の高調波の間の間隙にある残りの雑音は、通常、白色雑音であるので、受信機の感受性をさらに改善するために、例えば、リードソロモン符号、畳み込み符号又はターボ符号等の順方向誤り訂正符号を使用してもよい。最初の同期の間、又はデータ送信の間、各変調された搬送波によって占有される帯域幅を、例えば、12[Hz]又は次数間高調波周波数間隔の20%までさらに減少させるために、変調シンボルレートを低くしてもよい。変調された各搬送波に適用される受信フィルタの帯域幅も、また、減少させてもよく、受信機の信号対雑音比を改善することができる。

複数の搬送波を含む波形の複数の特性のうちの1つの特性は、平均信号レベルと比較して、ピーク信号電圧又はピーク信号電流が極めて高いということである。上記の高いピークが、結果として送信増幅器の非線形動作につながる場合には、出力波形がひずむ可能性があり、復調の際に誤りを生じる。低ビットレートの音声コーデックを使用する音声通信については、ビットエラーレート（BER）は、了解度における容易に気付く劣化を防止するために、0.2%（1000ビット当たり2つのビット誤り）より小さく維持されるべきである。

平均信号レベルに対するピークの比、すなわち、頂点ファクタ（CF）は、√Ｎに比例し、Nは、搬送波の数である。

普通、波形のあらゆるひずみを回避するために、最大送信機電流は、そのピークレベルに対応しているべきであるが、このことは、平均送信機電流が、単一搬送波システムの平均送信機電流と比較してより一層小さくなるということにつながり、結果として、遠端受信機におけるそれに対応してより低い信号につながる。しかしながら、最大頂点ファクタ（FC）はめったに生じない。32個のQPSK変調された搬送波を有する波形については、2.9又は9dBよりも大きい頂点ファクタが生じるのは、時間の0.2%より少ない。このようにして、音声品質を劣化させることなく2.9のCFを与えるために、信号を制限し又はクリップすることができるが、このことは、単一搬送波のシステムと比較して、依然として、平均受信信号レベルの9dBの低減につながる。上記の問題を軽減するために、N個のデータシンボルが、4つの個別のIHM波形に割り当てられてもよく、それらの4つのIHM波形の各々は、N/4個の搬送波を含み、4つの個別のPWM増幅器415のうちの1つのPWM増幅器によって送信され、4つの個別のPWM増幅器415の各々は、1つの個別のPWM信号414によって駆動され、4つの個別の送信アンテナループ416のうちの1つのアンテナループ416に接続される。

このことは、√４＝２又は6dBだけ各信号の最大頂点ファクタを減少させる。

各ループにおける平均電流は、6dB高くなる、すなわち、最大値よりも3dB小さくなるにすぎないが、信号プロセッサ49は、4つの個別のIFFT演算を実行して、上記の4つの個別のPWM波形を合成することを要求される。

1つの代替的な実施形態においては、単一のPWM波形が、すべてのN個の搬送波を同時に合成するのに使用される。上記の手法は、TERリンクにおいて使用される低シンボルレートを利用し、このことは、送信信号電流の中の複数のピークが、時間的に広く間隔をあけられるということを意味する。最も緊急的な通信においては、音声メッセージは、（60秒より小さい、すなわち）短く、したがって、BERは、上記の時間長に対して0.2%よりも小さく維持されることを要求されるにすぎない。N=32QPSKシステムのシミュレーションを通じて、0.2%のBERについて、ピーク対平均比が1.4又は2.9dBまで減少させられるように振幅を制限する場合に、実現可能性のある好適な感受性を得ることができるということが確かめられている。上記の実施形態において、TERによって生成される磁界の平均レベルは、比較可能な単一搬送波システムの磁界の平均レベルと同等であるが、信号プロセッサ49は、単一のFFT演算を実行するだけでよく、このことは、処理要件を単純化させる。上記の実施形態においては、信号プロセッサ49が1つのみのPWM波形を合成するので、代替的な送信機構成は、図7に示されているように使用されてもよい。上記の構成においては、単一のPWM信号71が信号プロセッサ49によって生成され、図4の4つの個別の送信機415は、単一の送信アンテナループ73を駆動する単一の送信機72と置き換えられる。同等の磁界を提供するためには、アンテナループ73は、図4に示されている4つの個別のアンテナループ416と同等の面積を持ち、かつ、4倍の数のターンを有している必要がある。TERのブロック線図の残りのものは、図4と同様である。

送信アンテナ及び受信アンテナを含むとともに地球を通り抜ける伝搬経路を有するTTEチャネルの振幅応答及び位相応答は、送信される波形をひずませる可能性もある。送信アンテナのインダクタンスによって、送信機ループ内の電流を周波数に比例して減少させるようにしてもよい。このようにして、N=2で60[Hz]の次数間高調波周波数間隔を有するマルチキャリアシステムについては、占有される帯域幅は1920[Hz]である。第1の搬送波周波数が1050[Hz]に位置している場合には、最も高い搬送波周波数は、2910[Hz]となる。上記の周波数においては、送信機電流、したがって、放射される磁界は、1050[Hz]の送信機電流及び放射される磁界と比較して2.77分の1となる。一方で、受信アンテナの出力は、ファラデー効果により周波数の関数として増加し、したがって、組み合わせられるアンテナ応答の正味の効果は、おおよそ均一な振幅応答を生成することである。

TTEチャネルの応答は、弱導電性の表土内で生成される渦電流により低域通過応答特性を有している。上記の減衰は、周波数とともに、そして、表土の深さ及び伝導度とともに増大してきわめて顕著となり、より高い周波数で、受信した信号のレベルを減少させる。受信機は、電力線の基本周波数を減衰させるために複数のフィルタを使用してもよく、電力線の基本周波数成分は、きわめて高いレベルにある可能性があり、受信機を飽和させる可能性がある。上記の低い周波数成分を減衰させることは、全体的な周波数応答に、図8に例示的に示されている帯域通過特性を与える。図8は、深さが100[m]で、100[Hz]乃至10[kHz]の間で0.02[S/m]のバルク伝導率を有するTTEチャネルの全体的な振幅変動及び位相変動をプロットしている。2[kHz]乃至4[kHz]の間で、上記のTTEチャネルは、6[dB]の振幅変動を示している。

いくつかの実施形態において、信号プロセッサ49は、各々の送信される搬送波の振幅を調整して、送信アンテナ、受信機、及びスルー・ジ・アース送信経路の不均一な振幅特性を補償することにより、TTEチャネルにわたる振幅変動を補償することができる。送信アンテナと受信アンテナの相殺の効果及び受信機のフィルタの周波数応答は既知であるので、応答の変動は、スルー・ジ・アース送信経路の深さ及び複数の導電性パラメータによって決定される。各搬送波に適用される振幅調整は、既知の受信機の応答特性及びスルー・ジ・アース送信経路の複数のパラメータから信号プロセッサ49により自動的に算出されてもよい。これらの複数のパラメータは、ユーザインターフェイスを介して、又は外部のモバイル送受信機において提供されるアプリケーションによりシステムに入力される。代替的に、振幅のひずみが、TTE通信リンクの対向する端から受信される複数の搬送波の相対的な振幅から推定されてもよい。

TTEチャネルは、送信機及び受信機の間の位相シフトを生成してもよく、その位相シフトは、送信されるIHM波形の帯域幅にわたって変動する。周波数の関数としての位相の変動は、群遅延を生じさせ、群遅延は、受信したシンボルが重なるようにし、シンボル間干渉を生じさせる。上記の群遅延は、受信機の周波数応答及びアンテナの周波数応答、そして、上記のように入力されてもよいTTE送信経路の深さ及び伝導度から、信号プロセッサ４９によって自動的に算出されてもよい。信号プロセッサ49は、データの送信されるブロックの各々にサイクリックプレフィックスを添付することにより、シンボル間干渉を排除することができ、上記のサイクリックプレフィックスの長さは、推定される群遅延の最大値の2倍よりも大きい。

上記のように、人工的な雑音の既知のスペクトル分布を利用することにより、次数間高調波変調と称される通信方法を使用して、上記の人工的な雑音の存在下でスルー・ジ・アース通信を可能とすることができる。いくつかの実施形態において、上記の通信方法は、AC電力線の雑音の基本周波数を決定するステップと、テキストメッセージ、ディジタル的に符号化された音声又は他のデータを表すデータストリームを入力するステップと、N個のデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルの1つのブロックに逆フーリエ変換を実行して、N個の個別の変調された搬送波を含む単一の次数間高調波変調波形を生成するステップとを含み、M番目の搬送波の周波数は、F_m=(M+0.5)×F_acとなり、Mは、1乃至Nの範囲にある正の整数であり、F_acは、基本AC周波数である。

上記の通信方法は、TTEチャネルの動作の深さ及びバルク伝導度を推定するステップを含んでもよい。誤り検出又は訂正ビット及び/又は他のオーバーヘッドビットが、データに加えられてもよい。上記の波形は、１つ又は複数のPWM信号に変換されてもよく、これらの1つ又は複数のPWM信号は、1つ又は複数のループアンテナに接続されるPWM送信機からの出力を制御するのに使用されてもよい。次数間高調波変調（IHM）された磁界は、1つ又は複数のアンテナを使用して受信機で検出されてもよい。受信された信号は、増幅され及び/又はフィルタリングされ、帯域外干渉を取り除いてもよい。1つ又は複数のループアンテナからの信号を組み合わせて、受信機での信号対雑音比を最大化してもよい。受信した次数間高調波変調（IHM）された信号にFFT演算を実行して、送信されたデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルを回復してもよい。データストリームを再組立てして、テキストメッセージ、ディジタル的に符号化された音声又は他のデータの形式の出力を提供してもよい。

1つの態様において、本明細書で説明される複数の実施形態は、所与のリンクの上のSNRを改善する手段としてマルチキャリア変調方法を使用することにより通信するデバイスを提供する。

上記のデバイスは、複数の系統的に関連付けられた搬送波を介してデータを送信してもよく、それによって信号が人工的な雑音の複数の高調波周波数の間に位置するようにしてもよい。

上記のデバイスは、大振幅制限を使用して、高い電力効率を得てもよい。2400[bps]より低いビットレートで動作するショートテキストメッセージ及び音声コーデックとの坑道用の複数の緊急事態通信のための最適頂点ファクタは、1.4であってもよく、或いは、１乃至２０の範囲内にあってもよく、又は、（坑道用の通信の実装等の）状況的なパラメータに依存してもよい。

1つの態様において、本明細書で説明される実施形態は、（例えば、リードソロモン符号化等の）誤り訂正符号化を使用して、振幅クリッピングにより生ずるデータ誤りを訂正するデバイスを提供する。

図9は、試験結果の例示的なグラフを図示している。上記の例示的な実施形態について、グラフは、IHM及びQPSK変調についてビット誤り率対正規化された信号レベルをプロットしている。上記の例については、グラフは、実験的な場所におけるビット誤り率（BER）対受信信号レベルを示している。32個の搬送波を使用する新たなIHM変調方法は、従来の単一搬送波QPSK変調方法に必要とされる正規化された信号レベルよりも低い16[dB]の正規化された信号レベルで緊急事態通信のために許容可能な0.1%（1.0×10^-3）のBERを提供する。上記は、本明細書で説明されるさまざまな実施形態の1つの態様の例示的かつ非制限的な例である。

複数の異なるデータ信号接続を介して互いに通信する複数の個別の構成要素の複数のグループとして図面に図示されているが、本発明の技術分野の当業者であれば、本実施形態がハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の組み合わせによって提供され、複数の構成要素のうちのいくつかは、ハードウェア又はソフトウェアシステムの所与の機能又は動作によって実装され、図示されるデータパスのうちの多くは、コンピュータアプリケーションまたはオペレーティングシステム内のデータ通信によって実装されるということを理解することができるであろう。図示される構造は、本実施形態を効率的に教示するように提供される。本発明は、1つの方法として実行されてもよく、1つのシステム内で実現されてもよく、又は1つのコンピュータ読み取り可能な媒体上で実現されてもよい。上記で説明される発明の複数の実施形態は、もっぱら例示的なものである。

Claims

スルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機であって、
ハウジングと、送信機と、送信アンテナと、受信機と、少なくとも1つの受信アンテナと、電源と、無線通信ポートと、信号プロセッサとを含み、
前記信号プロセッサは、前記送信機及び前記受信機に接続され、少なくとも2つの個別の次数間高調波周波数を有する波形を変調し、そして復調するように構成され、前記送信アンテナは、マルチキャリア変調の使用により、1つの信号を生成し、前記1つの信号は、人工的な雑音の複数の高調波周波数の間に位置する、
スルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記ハウジングは、密閉されている環状リングを含み、該密閉された環状リングは、発泡体コアを有し、前記送信アンテナ、前記受信機、前記少なくとも1つの受信アンテナ、前記電源、前記無線通信ポート、及び前記信号プロセッサを囲んでいる、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記ハウジングは概ね70[cm]×50[cm]×9[cm]の寸法を有し、当該スルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機の重量は8[kg]よりも小さい、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記少なくとも1つの受信アンテナは、3つの直交する軸に沿って配置されている3つの受信アンテナを含み、前記ハウジングの中の他の電子機器と対向する端部に位置している、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記無線通信ポートは、WiFi送受信機及び前記ハウジングに全体的に囲まれているアンテナである、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記無線通信ポートは、900[MHz]、UHF又はVHFの送受信機及び前記ハウジングに全体的に囲まれているアンテナを含む、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記電源は、少なくとも1つの密閉されているバッテリー及び充電用バッテリーを含む、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記充電用バッテリーは、外部電源に磁気的に接続される、請求項７に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記送信機は、同一のパルス幅変調（PWM）信号で駆動される少なくとも2つの個別のパルス幅変調（PWM）ブリッジ回路を含む、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記送信アンテナは、少なくとも2つの個別のワイヤーループを含み、該少なくとも2つの個別のワイヤーループの各々は、前記少なくとも2つの個別のパルス幅変調（PWM）ブリッジ回路のうちの別々のパルス幅変調（PWM）ブリッジ回路に接続される、請求項９に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記少なくとも2つの個別のワイヤーループの各々のターンは、間隔をあけて離され、送信機負荷のインピーダンスを最小化し、前記ハウジングの発泡体コアによって支持されている、請求項１０に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記変調及び復調は、入力データビット及びオーバーヘッドビットを表すシンボルを使用して実行される、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
送信される信号は、32個の個別の変調される搬送波周波数を含む、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
送信される信号は、N個のデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルの1つのブロックに逆フーリエ変換を実行することにより合成され、前記逆フーリエ変換は、N個の個別の変調される搬送波を生成する、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
ターボ符号化が変調されるデータに適用され、前記変調されるデータは、追加の誤り訂正ビット及び誤り検出ビットを含む、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
送信される搬送波周波数は、局所的な交流（AC）電力分配システムの基本周波数の前記少なくとも2つの個別の次数間高調波周波数に位置しており、M番目の搬送波の周波数F_mが、F_m=(M+0.5)×F_acとなり、Mは正の整数であり、F_acは、基本交流（AC）周波数である、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
変調シンボルレートは、各搬送波の占有される帯域幅が次数間高調波周波数間隔よりも小さくなるように決定され、前記次数間高調波周波数間隔は、F_acに等しい、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
変調シンボルレートをさらに減少させることが可能であり、それによって同期又はデータ送信の間の前記受信機の信号対雑音比を改善する、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
送信される波形は、ピーク対平均電流比を減少させることによりシステムの動作範囲を狭くするように制限される振幅を有している、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記ピーク対平均電流比は1.4に維持され、最終的な出力波形を生成するのに単一のパルス幅変調（PWM）送信機が使用される、請求項１９に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
誤り訂正符号化は、振幅クリッピングによって生じる不定期のデータ誤りを訂正するためにデータに適用される、請求項１９に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
N個のデータシンボルは、各々がN/４個の搬送波を含む4つの個別の波形に割り当てられ、前記4つの個別の波形の各波形は、4つの個別のパルス幅変調（PWM）増幅器のうちの1つのパルス幅変調（PWM）増幅器によって送信され、前記4つの個別のパルス幅変調（PWM）増幅器の各々は、4つの個別の送信アンテナループのうちの1つのアンテナループに接続される、請求項１９に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
送信される各搬送波の振幅は、前記送信アンテナ、前記受信機及びスルー・ジ・アース（TTE）送信経路の不均一な振幅特性を補償するように調整される、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記スルー・ジ・アース（TTE）送信経路の前記振幅の調整は、前記スルー・ジ・アース（TTE）送信経路の深さ及び電導度パラメータから自動的に算出される、請求項２３に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
前記スルー・ジ・アース（TTE）送信経路の前記振幅は、スルー・ジ・アース（TTE）リンクの他方の端から受信する前記搬送波の相対的な振幅に基づいて自動的に調整される、請求項２３に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
チャネル遅延は、スルー・ジ・アース（TTE）送信経路の深さ及び電導度パラメータに基づいて自動的に推定され、推定される最大のチャネル遅延の2倍よりも大きい長さのサイクリックプレフィックスが、データの送信される各ブロックに添付され、復調の間のシンボル間干渉を最小化する、請求項１に記載のスルー・ジ・アース（TTE）緊急用送受信機。
スルー・ジ・アース（TTE）通信リンクを提供する方法であって、
交流（AC）電力線の雑音の基本周波数を決定するステップと、
テキストメッセージ、ディジタル的に符号化される音声又は他のデータを表すデータストリームを入力するステップと、
N個のデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルの1つのブロックに逆フーリエ変換を実行し、N個の個別の変調される搬送波を含む単一の次数間高調波変調（IHM）波形を生成するステップであって、M番目の搬送波の周波数F_mは、F_m=(M+0.5)×F_acであり、Mは、1乃至Nの範囲にある正の整数であり、F_acは、基本交流（AC）周波数である、生成するステップとを含む、
方法。
前記単一の次数間高調波変調（IHM）波形を少なくとも1つのパルス幅変調（PWM）信号に変換し、前記少なくとも1つのパルス幅変調（PWM）信号を使用して、1つ又は複数のループ送信アンテナに接続されるパルス幅変調（PWM）送信機からの出力を制御するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
少なくとも1つのループアンテナを使用して受信機で次数間高調波変調（IHM）磁界を検出し、受信する信号を増幅及びフィルタリングして、帯域外干渉を除去するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
2つ又はそれ以上のループアンテナからの信号を組み合わせて、受信機での信号対雑音比を最大化するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
受信した次数間高調波変調（IHM）信号に高速フーリエ変換（FFT）演算を実行して、送信されたデータシンボル及びオーバーヘッドシンボルを回復するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
データストリームを再組立てして、テキストメッセージ、ディジタル的に符号化される音声データ又は他のデータの形式の出力を提供するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
マルチキャリア変調技術を使用して、通信リンクのSNRを改善させるステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
系統的に関連付けられる複数の搬送波を介してデータを送信し、それによって信号が人工的な雑音の複数の高調波周波数の間に位置するようにするステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
大振幅制限を使用して、高い電力効率を得るステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
概ね1.4までの頂点ファクタを使用することにより、2400[bps]よりも小さなデータレートで動作するテキストメッセージ及び音声コーデックを使用してデータを送信するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
誤り訂正符号化を使用して、振幅クリッピングにより生ずるデータ誤りを訂正するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。