Prototyping and Evaluation ofIEICE CS, TCSR July Conference 2010 Panel Discussion on GNU Radio

Prototyping and Evaluation of Software Defined Radio using g

GNU Radio-USRP(GNU Radio-USRPを用いた

ソフトウェア無線機の試作と評価)ソフトウェア無線機の試作と評価)July 29 2010July 29, 2010

TCSR July Conf. @ ATR

Minseok Kim

Tokyo Institute of Technology

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本発表では

Outline

本発表では

GNU Radio・USRPの紹介

開発経緯 開発経緯

フリーソフトウェア・GPL オープンソース

USRPの機能 制約 USRPの機能・制約

USRPにおける免許問題USRPにおける免許問題

USRPを用いた研究動向

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GNU R di に対する反応

Two Different Viewpoints for GNU Radio

GNU Radioに対する反応反応1） 反応1）すごいね！簡単に無線機が実現できるじゃない？ 良く分からなかった物理層の実装がプログラムでできてしまう

上位層の人，一般人（ホビースト）

反応2）面白いね！でも何ができるか？面白いね でも何ができるか 安くて面白いね．しかし仕事に使うにはハードの制約が気になる．気になる

ホビーで一つ買って遊びたい

物理層の人 物理層の人

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GNU R di は 体何？

What is GNU Radio ?

GNU Radioは一体何？

“GNU Radio is a free software development toolkit that provides the signal processingtoolkit that provides the signal processing runtime and processing blocks to implement software radios using readily-available low-software radios using readily available, lowcost external RF hardware and commodity processors ” GNU Radio Wiki (gn radio org)processors. GNU Radio Wiki (gnuradio.org)

PC based Radio

USRP

PC-based Radio

ただです 安いです動作保証はありません

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GNU R di 開発経緯

History of GNU Radio

GNU Radio開発経緯

開発目的：ソフトウェア無線技術がパソコンと安価なハードウソフトウェア無線技術がパソコンと安価なハ ドウェアでより手軽に実現できるツールの開発

年 氏 より開発プ ジ クトが 2001年，Eric Blossom氏により開発プロジェクトが始まり，NSFから支援を受け初期版が完成

GNUプロジェクトの一つであり，GPL version 3 ラオセンスに準拠オセンスに準拠

現在の安定版は3.3.0（2010年3月）

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GNU R di 開発経緯（2）History of GNU Radio

GNU Radio開発経緯（2）

ディジタル通信理論が何でも試せる汎用ＰＣ上で動く信号処理フラットフォームく信号処理フラットフォ ム

Academiaでは，実験のための評価機

Industryでは，製品開発時の試作機

ハードウェアのノウハウに直接には依存せず ソフト ハ ドウェアのノウハウに直接には依存せず，ソフトウェアで色々とできてしまう ⇒ 上位レイヤー技術者 Hobb istにまず歓迎者，Hobbyistにまず歓迎

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フリ ソフトウ アとGPLFree software and GPL

フリーソフトウェアとGPLフリーソフトウェアとは フリーソフトウェアとは

1984年にアメリカのリチャードストールマン氏により主唱

ソフトウェアは特定の国・企業・団体・人の所有物ではなく共有財産 ソフトウェアは特定の国 企業 団体 人の所有物ではなく共有財産

⇒ コピーレフト

ソースコードを“自由”に（無料で）入手，“自由”に変更可能

機能・動作についての保証は一切ない

FSF(free software foundation)を設立し，GNUプロジェクトを展開

GNU General Public License (GPL) GNU RadioはGPLに準拠する

複製 改変 再配布も自由だが「条件付き 複製・改変・再配布も自由だが「条件付き」⇒

無償でソースコードが入手可能に⇒ソースコードの公開が義務

再配布するものは 複製・変更する自由を継承しなければならない 再配布するものは，複製・変更する自由を継承しなければならない：元著作者が著作権を放棄したことではなく，永遠に残している（コピーレフト）

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オ プンソ スとは

Open source software

オープンソースとは

ソースコードが入手でき，“自由”に再配布が可能

しかし “自由”（ 無償）とははっきりといわない点で しかし， 自由 （ 無償）とははっきりといわない点で，フリーソフトウェアとは異なる

199 年 立 直しプ ジ 1997年，Netscape Navigatorの立て直しプロジェクトが発端 ⇒ ソースコードを公開し，誰でも開発・供給に参加できる「開発スタイル」として提唱

世界中のユーザーコミュニティ 世界中のユ ザ コミュニティ

オープンソース，オープンテクノロジーによる製品開発 ビジネ デ 変革が進行中開発・ビジネスモデルへの変革が進行中

GNU Radioの魅力 GNU Radioの魅力

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GNU R di の仕組み

Hardware Architecture

GNU Radioの仕組み送信側 送信側

USRP (Hardware)GNU Radio

RF USB / FPGA

Motherboard Daughterboard(Software)

DACApplicationFront endGbE FPGA DACpp

(Python, C++)

受信側

Motherboard DaughterboardUSRPGNU Radio

RF Front endFPGAUSB /

GbEApplication

(Python, C++) ADC

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GNU R di の仕組み

Hardware Architecture

GNU Radioの仕組み

USRPGNU Radio

RF Front endFPGAUSB /

GbEADC /DAC

Motherboard DaughterboardApplication

(Python C++) Front endGbE DAC(Python, C++)

データ転送インタフェース

USB2.0 (USRP) : 32MB/sec Gigabit Ethernet (USRP2): 100 MB/sec

デ タ転送インタフ ス

g ( ) 16-bit signed integers in IQ 形式(4 Bytes)

Realtime 帯域幅 = 8 MHz (USB2.0), 25 MHz (Gigabit Ethernet)

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GNU R di の仕組み

Hardware Architecture

GNU Radioの仕組み

USRPGNU Radio

RF Front endFPGAUSB /

GbEADC /DAC

Motherboard DaughterboardApplication

(Python C++) Front endGbE DAC(Python, C++)

FPGA上の高速信号処理

デジタルダウンコンバージョン(DDC)・レート変換フィルタ（Decimation)

IF周波数から複素ベースバンドに変換 ⇒ ダイレクトコンバージ周波数補償( 次周波数変換) 役割ョンの周波数補償(2次周波数変換)の役割

データ転送インタフェースの転送速度に合わせるためにデータレートの変換を行うトの変換を行う

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GNU R di の仕組み

Hardware Architecture

GNU Radioの仕組み

USRPGNU Radio

RF Front endFPGAUSB /

GbEADC /DAC

Motherboard DaughterboardApplication

(Python C++) Front endGbE DAC(Python, C++)

ＡＤ・ＤＡ変換機機

4 high-speed 14-bit DA converters： 128 MS/s 4 high-speed 12-bit AD converters： 64 MS/s 4 high speed 12 bit AD converters： 64 MS/s

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GNU R di の仕組み

Hardware Architecture

GNU Radioの仕組み

USRPGNU Radio

RF Front endFPGAUSB /

ETHADC /DAC

Motherboard DaughterboardApplication

(Python C++) Front endETH DAC(Python, C++)

4スロット

DC ~ 5.9GHz 範囲で幾つかの無線基板が市 され る板が市販されている

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RFフロントエンド

RF Daughter Boards

RFフロントエンド

XCVR2450(2.4~2.5 GHz, 4.9 ~ 5.85GHz)

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ソフトウ ア構成

Software Architecture

基本は 以下のような階層構造

ソフトウェア構成 基本は，以下のような階層構造

Python上位層のアプリ 上位層のアプリ

既存＋新規開発したモジュールを繋ぐだけモジュールを繋ぐだけ

SWIGC++をスクリプト言語うで実行 C++をスクリプト言語うで実行するためのラッパー

C++ C++ 信号処理ブロック：

ライブラリ化されている

Verilog FPGA リアルタイム処理

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USRPの特徴と制約

Features and Known Limitations

USRPの特徴と制約 周波数帯域： 周波数帯域：

DC~5.9 GHz

RF信号帯域幅： RF信号帯域幅：

8 MHz (USRP), 25 MHz (USRP2)

R ll ff Ch t i ti i DDC Roll-off Characteristic in DDC Multiple Channel Extension and Synchronization

MIMO拡張できる機構は実装されている（煩雑）

Analog Filters： No specific bandpass filter No anti-aliasing filter for maximum flexibility

DC offset and I/Q Imbalance Compensation 様々なデジタル補償の機構が実装されている様々なデジタル補償の機構が実装されている

クロックの精度 (20~50ppm),安定度問題 (1 kHz/h)

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USRPにおける電波の扱い

License Issues

USRPにおける電波の扱い

USRPはテスト機器（「Radio Test Parts/Equipments」）として無免許ユーザに販売されている．⇒ 信号発生器（SG))と同様

ユーザが送受信機を組み立て，プログラミングによりラジオとして機機 機能させる

USRPを用いて電波を放射する場合，各国の周波数・出力電力などの電波法に従わないといけない．

電波法を守ることはユーザの責任電波法を守る とは ザの責任

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USRPにおける電波の扱い(2)License Issues

USRPにおける電波の扱い(2)

研究評価のためにUSRPで電波を出すには 電波法上 微弱であれば免許不要 電波法上，微弱であれば免許不要⇒ 3m離れた場所で35V/m

（ワンセグの場合：-112.5 dBm）⇒ スペクトルセンシング実験も苦しい

ISMバンドの利用：技術基準適合証明の取得が必要，免許不要，他局からの干渉

特定実験試験局免許の取得：決められた周波数範囲から特定の周波数の使用を許可，他局からの干渉なし

アマチュア無線：無線設備の保証認定が必要（装置を操作する者が従事者免許を保有する と）作する者が従事者免許を保有すること）

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USRPにおける電波の扱い(3)License Issues

USRPにおける電波の扱い(3)電波を放射する方法（コミュニティでの議論 アメリカの場合） 電波を放射する方法（コミュニティでの議論，アメリカの場合）

ライセンス取得

特定のサービスに対する免許：FCCにより認証された機器のみ使用 特定のサ ビスに対する免許：FCCにより認証された機器のみ使用可能

ライセンス不要

通信目的：Intentional Radiators (Part 15) 非通信目的:Incidental Radiators （Part 15), ISM 機器 (Part 18) ＊USRPのように「キ ト」 「 回性」機器の場合 商用目的でなけれ＊USRPのように「キット」・「一回性」機器の場合，商用目的でなければPart 15またはPart 18の認証は不適である

Special Temporary Authorization (STA) : 特別一時許可（例：p p y ( )DySPAN2008）

アマチュア無線：

FCCより認証を受けていない機器を取り扱うことが可能（P t 97） FCCより認証を受けていない機器を取り扱うことが可能（Part 97） アマチュア無線ライセンスを取得し，アマチュア無線バンドを用いる（430～440MHz, 1260～1300MHz, 2400～2450MHz, 5650～（ 30 0 , 60 300 , 00 50 , 56505850MHzなどなど）

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GNU R di を用いる研究動向

Recent Researches utilizing GNU Radio

GNU Radioを用いる研究動向

IEEE DySPAN, SDR Forum Smart Radio Challenge (SRC)g ( ) 標準評価プラットフォームとしての可能性

⇒ 皆で共有できる開発環境（ソフトウェアライブラリ，ハードウェア）

⇒ 安価で構築可能

⇒ 上位層の人にやさしい

日本国内では，東工大，東大，静岡大，京大 など 「Gnu RadioとUSRPを利用した無線通信プログラミング」

チュートリアル（2009年10月21日，AN研・SR研合同企画，東北大）

第 回 クシ プ （ 年 月 東大） 第1回GNU Radioワークショップ （2010年7月14日，東大）

21IEEE DySPAN 2010 Demo Session

IEEE DySPAN 2010 Demo Session

Cognitive, Radio-Aware, Low-Cost (CORAL) Research Platform (Communication Research Centre, CA)Decomposable MAC Framework for Highly Flexible and Adaptable Decomposable MAC Framework for Highly Flexible and Adaptable MAC Realizations (RWTH Aachen, DE)

Digital and Analog Solution for Low-power Multi-band Sensing SCALDIO g g p g(IMEC, BE)

TV White-Space Video Streaming Demo (I2R, SG) OFDM Pulse-Shaped Waveforms for Dynamic Spectrum Access

Networks (Trinity College Dublin, IE) Cognitive Radio for Home Networking (RWTH Aachen University DE) Cognitive Radio for Home Networking (RWTH Aachen University, DE) Demonstration of Sequence Detection Algorithms for Dynamic

Spectrum Access Networks (University of Notre Dame, US) Software Defined Radio Implementation of SMSE Based Overlay

Cognitive Radio (Wright State University, US)OFDM based Dynamic Spectrum Access (RWTH Aachen DE) OFDM-based Dynamic Spectrum Access (RWTH Aachen, DE)

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終わりに

Concluding Remarks

終わりに

だからGNU Radio使えそうなのか？

研究：標準的な評価フラットフォーム

教育：無線通信理論が本格的に教えられるツ ルるツール

商用 オ プンソ ス開発マインド GPLで商用：オープンソース開発マインド，GPLであることに注意

ホビー：最高のおもちゃ