[論文レビュー] Transmission of Video Image in Underwater Acoustic Communication

Han Zhang, Jun Yang|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2019

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、+1 から +8 の位相巻き戻し数を有する多重化された軌道的角運動量（OAM）音響ビームを用いて、オンオフキーイングで変調することで、動画画像をリアルタイムで送信する水中音響通信システムを提示する。このシステムは、8 (bit/s)/Hz のスペクトル効率を達成しており、帯域幅制限があるにもかかわらず、OAM多重化が水中通信の容量を顕著に向上させることの可能性を示している。

ABSTRACT

Acoustic communication is currently considered as the best way to transmit information over long distances under water, since acoustic waves have lower attenuation in water than the other information transmission media. However, current information transmission rates of the underwater acoustic communication is usually limited by low-frequency bandwidth due to the large attenuation which characterized in high-frequency sound waves in water. Spiral acoustic beams with helical wavefront dislocations carrying orbital angular momentum have been applied to acoustic levitation and capture. Recently, harnessing the orthogonality and the infinite dimension of Hilbert space in underwater acoustic communication has been considered promising. Here, we construct a real-time underwater acoustic communication system to transmit video image. The system multiplexes eight orbital angular momentum topology charges ranging from +1 to +8 and encoded with on-off keying modulation format, achieving a spectral efficiency of 8 (bit/s)/Hz. This demonstration suggests that multiplexed information-carrying orbital angular momentum acoustic beams presents tremendous potential for increasing the capacity of underwater communication systems.

研究の動機と目的

• 狭帯域と高周波数の減衰による水中音響通信におけるデータレートの制限を解消すること。
• 音響波における軌道的角運動量（OAM）の利用がスペクトル効率を向上させることを検討すること。
• OAM多重化を用いて動画画像を送信可能なリアルタイムシステムの設計および実装すること。
• 高容量通信に向け、水中環境における直交的OAM状態の実用可能性を検証すること。
• 制御された水中環境で、オンオフキーイング変調を用いたOAMビームを用いた実用的動画送信を実証すること。

提案手法

• データストリームを多重化するために、位相巻き戻し数が +1 から +8 の範囲で異なる8つの異なるOAMモードを採用する。
• 各OAMモードは、オンオフキーイング（OOK）を用いて変調され、デジタル情報を符号化する。
• 音響波面を整形することで、軌道的角運動量を有する波面が作成され、ヘリカル状の波面不連続性が生成される。
• 受信側で多重化信号を分離するために、ヒルベルト空間におけるOAM状態の直交性を活用する。
• OAM変調信号の生成、送信、復号を実行するリアルタイム信号処理チェーンを実装する。
• 動画送信性能のテストを実施するため、制御された水中環境で通信リンクを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水中音響通信におけるOAM多重化は、スペクトル効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 水中環境において、OAM変調音響ビームを用いたリアルタイム動画送信は可能か？
• RQ3 実際の水中チャネル条件において、OAM状態の直交性はどの程度の性能を示すか？
• RQ4 OOK変調を用いて複数のOAMモードを用いる場合、実現可能なデータレートとスペクトル効率は何か？
• RQ5 マルチパスやノイズなどの音響チャネル劣化要因が存在する中でも、システムは信頼性のある動画送信を維持できるか？

主な発見

• 本システムは、水中音響チャネルを用いてリアルタイムで動画画像を送信することに成功した。
• 位相巻き戻し数が +1 から +8 の8つのOAMモードを多重化することで、8 (bit/s)/Hz のスペクトル効率を達成した。
• OAMビームの利用により、ヒルベルト空間における直交モードを用いたデータストリームの空間多重化が可能になった。
• 各OAMモードに対して、オンオフキーイング変調形式が効果的に実装され、復号された。
• OAM多重化を用いることで、水中音響通信における帯域幅制限を克服する可能性が確認された。
• 実証により、従来の狭帯域水中音響システムと比較して、顕著なデータ容量の向上が示された。