海底無線通訊技術-啟航6G時代的未來之路
在5G通訊系統尚在如火如荼發展並擴建的時代，為了不脫離未來趨勢，各國早已開始延伸及建構6G時代的藍圖並積極投入研究開發，期望在下一個通訊時代的來臨前取得重大突破，能在2030年開始6G技術的商業層面應用。6G技術除了提升資料傳輸速度、串聯各種數位裝置外，也著重擴展通訊範圍至空中、海洋及太空等未開發領域，在這其中海洋領域的通訊發展尤受關注。
海洋一直以來都是無線通訊備受阻礙的領域，相較於陸地，海底環境的特殊性容易造成電波衰減，但若能有效利用海洋通訊，則將大幅提升海底資源開發及港口設施建設之作業效率。目前雖然有低頻電磁波通信技術，但因受限於傳輸距離與速度等問題，在應用方面尚有許多挑戰，為此日本NTT未來網路研究所正積極開發海洋通訊技術，期望能克服當前所面臨的難題。
目前，在海洋進行資源探勘及港灣工程等作業，一般是透過有線電纜連接無人探測船及海上支援船隻以進行遠端控制，除了設備及人員成本高昂，電纜還可能被浪潮沖走，作業存在效率低落與安全性問題。雖然近年來出現了可簡便操作的小型水下無人機，能替代潛水員的工作，但有線電纜的問題尚未得到解決，也限制了作業程序的自動化。隨著水下無人機等海底設備市場的擴大，對免去電纜的同時並實現精細影像傳輸的無線通訊技術的需求也日益增加。
【海洋無線通訊技術發展】
圖1：時空域等化技術
圖片來源：完全遠隔無線制御型水中ドローンを実現する海中音響通信技術 | NTT R&D Website (rd.ntt)
海洋無線通訊的媒介除了電磁波，還有聲波及可見光，各個媒介皆有其優點與缺點。與電磁波通訊技術相比，聲波通訊技術因為利用更高的頻段，因此較容易實現遠距傳輸，但由於可用的頻率範圍相對較窄，目前使用的聲波通訊速度僅有幾十kbit/s，主要應用於感測器數據傳輸等特定用途。光無線通訊技術則利用可見光，其可用頻率範圍較寬，所以能實現高速通訊，但由於易受水質濁度及陽光等外在干擾，因此傳輸的距離受到限制。
NTT未來網路研究所主要針對聲波通訊技術進行研究，目前面臨的挑戰為傳輸速度及穩定性。因海中所接收到的聲波不僅有直接波，還有被海面、海底或岸壁等反射時所產生的延遲波。在海底，聲波的傳播速度約爲1500m/s，比陸地慢20萬倍，因此各路徑的傳播延遲差異很大，經過多種路徑到達接收器的延遲波會妨礙數據傳輸速度，造成接收器所接收到的波形失真。若海面搭載通訊裝置的船隻發生晃動，則會導致每個路徑受到不同都卜勒的效應影響，使得聲音產生源與觀測者之間存在相對速度差，傳播路徑將呈現高速且複雜的變化，造成陸地無線技術所使用的誤差補償技術無法運用在傳播路徑變動上。此外，海洋生物發出的聲音也是影響聲波通訊穩定的環境噪音之一，如果環境噪音頻繁地疊加在聲波上並被接收，將會妨礙聲波通訊的穩定性。
針對上述課題，NTT未來網路研究所著重提升數據傳輸的高速化及穩定化。在提升速度方面，他們透過「時空域等化技術」去除海面反射等引起的延遲波，僅提取直接波來延長傳播路徑恆定期間，以提高傳播路徑的推定與補償性能。而「環境噪聲抗干擾技術」則是針對海洋生物產生的噪音，透過空間與時間等化技術控制及糾錯，以實現噪音環境下的穩定傳輸。
根據實際實驗的結果，驗證了透過時空域等化及噪聲抗干擾此兩項技術，可以實現Mbit/s等級的海底聲波通訊。透過結合空間與時間等化及多輸入多輸出(MIMO)技術，在發射器與接收器相距18公尺的距離，成功實現5Mbit/s的高速傳輸。同時，透過結合環境噪聲抗干擾與其他技術，達到距離300公尺距離傳輸速率1Mbit/s以上的可能性。當通訊性能提高到Mbit/s等級後，便可傳輸SD畫質（640×480px、30fps）的影像，實現海底精細影像的通訊，對比現有海底聲波的通訊技術，將能大幅提升性能並擴大應用層面。
【實際應用於無線型水下無人機】
在實現Mbit/s等級的高速通訊後，NTT未來網路研究所進一步將其應用於水下無人機，這台全球首創的水下無人機頂部安裝了4個用於發送訊號的發送器及4個用於接收訊號的接收器，除此之外，本體周圍配置了用於聲波通訊供電的電池及用於浮力調節的浮力材料，即使沒有有線電纜，也可以進行遠端操作與影像傳輸，並且在海中連續運作兩小時以上。
為了測試無線水下無人機在實際港口環境中的性能，NTT未來網路研究所進行了實證實驗，以模擬海洋設施的檢查作業。NTT未來網路研究所在海中設置類似於檢查作業用的鐵管，並在停靠現場的船舶設置遠程無線控制所需的設備，以驗證是否能在控制中心觀看影像的同時遠端操控水下無人機。
圖2：水下無人機實證實驗示意圖
圖片來源：完全遠隔無線制御型水中ドローンを実現する海中音響通信技術 | NTT R&D Website (rd.ntt)
水下無人機的遠端無線控制涉及雙向聲波通訊技術，在實證實驗中，水下無人機向控制中心傳輸影片及靜態影像資料時，上行速率達164kbit/s，驗證其可以在控制中心的電腦呈現640×420px、10fps的影片，且無解碼失敗，顯示其上行通訊之穩定性。同時，從控制中心傳輸指令至水下無人機，透過控制中心的電腦觀看影片並使用遙控器進行控制，下行速率則達13kbit/s，驗證可以順利控制水下無人機的自由移動。除了試驗透過影像逐項檢查鐵管狀態的基本操作之外，他們還嘗試了閃避鐵管、穿過船底移動等相對困難之操作，驗證了遠端無線控制所特有的高自由度優點。
除了對水下無人機進行遠端無線控制外，NTT未來網路研究所正在努力進一步加快水下通訊的速度、延長距離和穩定，以實現覆蓋範圍的擴展，讓水下無線通訊能夠應用於更多用途，加快努力將水下通訊技術的各種實證商業化。隨著6G時代臨近，海底通訊的高速及穩定化不僅解決海中作業時有線通訊所面臨的種種挑戰，同時也為未來的海洋科學、資源探勘、環境監測等更廣泛的領域應用奠定了基礎，這不僅是當前科技的里程碑，並為人類全面地認識海洋提供了新的可能，更為未來的數位化海洋世界描繪出令人振奮的藍圖！