ソフトウェア無線機を⽤いた
アンテナスイッチング⽅式
MIMOチャネルサウンダの開発

Development of an Antenna Switching
MIMO Channel Sounder with Software Defined Radio
2023年7⽉12⽇
IEICE TC-AP@北海道⽴道⺠活動センター〇池上⼗五，⾦ミンソク
新潟⼤学⼤学院 ⾃然科学研究科

本研究は，JAEA 英知を結集した原⼦⼒科学技術‧⼈材育成事業 JPJA22P22683407 の助成を受けたものです．

研究背景｜伝搬路測定装置
 伝搬路情報：通信システムの設計に必要

 測定装置‧アンテナを空間的に配置しインパルス応答を取得

 動的測定の要求

 ⾞⾞間通信における特性評価• 経路損失‧信号フェージング‧遅延広がり‧ドップラー広がり 多重波伝搬を⽤いた屋内測位• 複数のMIMO伝搬路測定装置で短時間測定 既存の測定装置

 VNA
 MIMOチャネルサウンダ
 ⾼価‧対応周波数が限定的

 ソフトウェア無線機（SDR）に着⽬VNAMIMO
チャネルサウンダ ソフトウェアを使⽤して様々な通信⽅式に対応
 複数の周波数帯で柔軟に測定可能
2

研究背景｜空間特性の取得
 アンテナスイッチング⽅式
 複数の送受信アンテナをスイッチにより切り替えて使⽤
 フルMIMO⽅式と異なり1系統の送受信回路で測定可能
 ⼀般に切り替えに時間を要するため低速または静的な環境に有効 ⾼速なスイッチングにより動的測定を可能に

送受信回路は1系統スイッチングによりアンテナ切り替え ⽬的：動的測定可能な伝搬路測定装置の開発
 ソフトウェア無線機を使⽤して周波数帯を容易に変更
 ⾼速なアンテナスイッチング
3ソフトウェア無線機｜概要
 USRP（Universal Software Radio Peripheral）

 Ettus Research社製ソフトウェア無線機
 回路図‧FPGAプログラムが公開された
オープンソースのソフトウェアプラットフォーム
 豊富な開発環境• C / C++‧Python⽤のオープンソースAPI• GNURadio‧LabVIEWのようなグラフィカルプログラミング• MATLAB‧Simulink ドーターボードの差し替えで様々な周波数帯に対応

ドーターボード

USRP外観USRP内部“USRP x310 high performance software defined radio,“ Ettus Research, https://www.ettus.com/allproducts/x310-kit/

4ソフトウェア無線機｜仕様
 本研究の構成
 USRP X310
• 2 チャネル（それぞれTx/RxとRx）• ホストとの接続インターフェース：USB‧PCIe‧1G/10G bit Ethernet（最⼤200 MSps / channel）• 最⼤伝送電⼒：約 20 dBm

 ドーターボード：UBX-160
 開発環境はUHD C++ API (v4.4.0) を使⽤
X310+UBX-160 の仕様
項⽬仕様

対応周波数帯10 MHz – 6 GHz

最⼤パスバンド帯域幅

160 MHz

DAコンバータの性能

16 bit, 800 MS/s

ADコンバータの性能

14 bit, 200 MS/sブロック図5

サウンダ構成
 MIMOサウンダ構成

同期⽤信号（GPSDO）

 信号処理 チャネルのインパルス応答を導出 伝達関数を求め逆フーリエ変換

FFTIFFT6サウンダ構成
 各種パラメータ
項⽬

仕様

項⽬

仕様

搬送波周波数6 GHz（最⼤）副搬送波間隔781.25 kHz

サンプリング周波数200 MHz

シンボル⻑

1.28 μs

信号帯域幅

100 MHz

遅延時間分解能10 ns

ニューマン位相マルチトーン信号

FFT点数

256

送信信号

送信電⼒

15 dBm (typ.)

副搬送波数

128

測定時間

164 μs（8×8MIMO）

 ニューマン位相マルチトーン信号（NPM信号）：トーン数：信号帯域幅：トーン間隔USRPのロールオフ特性

𝐵 100 MHz(128 tones)：ニューマン位相
7サウンダ構成
 RFスイッチ SR-J030-8S (Universal Mirowave Components Corp.)
 X310の15ピン汎⽤GPIOを使⽤• UHD APIでは制御⽤関数が提供
スイッチ仕様項⽬

仕様

動作周波数帯0.5 GHz – 12.4 GHz

挿⼊損失

3.0 dB Max

アイソレーション

0.5 – 6 GHz: 60 dB Min6 GHz – 12.4 GHz: 50 dB Min

VSWR（オン状態）

1.8:1 Max⽴上り/⽴下り時間(10% to 90 % RF, 90% to 10%RF)

40 ns Max

On/Off 時間(50% TTL to 90% RF,50% TTL to 10% RF)

90 ns Max

GPIOポート

GPIO⽤Pin

電源スイッチ外観8

送受信シーケンス
 アンテナスイッチング
 信号を2回送信→後半1信号を受信 信号⻑：1.28 μs （256 samples / 200Msps）
 8×8MIMOチャネル測定にかかる時間：164 μs（=1.28 μs×2×8×8）

9送受信タイミング同期
 USRP間の送受信タイミング同期のためにPPS信号を利⽤
 PPS信号：周期1秒のパルス信号（USRP内部GPSDOで⽣成）
 送信機と受信機でPPS信号‧Clock信号を共有
 PPSに合わせてUSRP内部時間を設定
 Tx-Rx間で内部時間の⼩数点以下が同期

例：1秒ごとに送受信を⾏う場合
10

Back-to-back キャリブレーション
 Back-to-back校正 正確な伝搬路測定のために無線機のハードウェア特性を除去
 送信機と受信機を減衰器‧ケーブルを介して直接接続
 送受信信号から回路の伝搬特性を測定‧逆特性を掛け合わせて校正

受信信号
受信信号（校正⽤）
減衰器
ハードウェア特性を除去した伝達関数11

Back-to-back キャリブレーション（実験） 校正前後の伝達関数‧インパルス応答を⽐較 30 dB 減衰器を介して送受信機を直接接続 10回測定した平均をB2Bデータとして保存
 同様のセットアップで測定した結果をB2Bデータでキャリブレーション
10

Before Calibration
After Calibration

020

Before Calibration
After Calibration

0-20-10-40-60-20-80-30
2350

2400

Frequency [MHz]伝達関数

2450-100-600-400-2000200400600

delay [ns]インパルス応答12

評価｜位相変動
 スイッチング⽅式MIMOにおける位相変動
 空間特性を正確に測定するためには素⼦間での相関特性が重要
 全チャネルを測定する間の位相ドリフトが⼤きいと空間特性測定が困難に 位相変動の測定
 1信号256サンプルのNPM信号を送信し受信信号の位相を測定
1測定（8×8MIMO）にかかる時間

1
0.8
0.6
0.4
0.2
01

1.5

2

2.5

3

3.5

Phase diff. [deg]

位相変動測定結果

1測定ごとの最⼤位相差13

評価｜空間特性測定
 放射⾓‧到来⾓推定
 ビームフォーミングにより放射⾓‧到来⾓を推定
 無指向性スリーブアンテナを⽤いた8素⼦アレーアンテナ• 半波⻑間隔で配置

Rx
アンテナ

USRP
Rx

USRP
Tx

Tx
アンテナ

測定系
14

評価｜空間特性測定
 DDADPS（双⾓度遅延電⼒スペクトル）を導出
 遅延時間⽅向に⾜し合わせてDDAPS（双⾓度電⼒スペクトルを取得）

受信BF

MIMO 送信BF
チャネル⾏列dk  d (K 1)d𝜙

アンテナ素⼦

𝑥 𝑡


𝑥 𝑡



𝑥 𝑡
15

評価｜空間特性測定
 測定結果（-30°）

 測定結果（-15°）

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評価｜空間特性測定
遮蔽による電⼒減衰を確認
 直接波
 反射波

15 dB
8 dB 程度の減衰

17マルチリンクMIMOへの拡張
 多重波RTI法
 多重波伝搬を⽤いた屋内測位法
 遮蔽による多重波経路の受信電⼒変化を利⽤
 複数のMIMOセンサを部屋に配置し送受信⾓‧遅延時間をもとに多重波経路の受信電⼒を測定

 マルチリンクMIMO
 複数のサウンダの送受信機を適宜切り替え 複数リンクのMIMOチャネルを短時間で取得
Tx

Tx/Rx

Tx/Rx

Rx
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まとめ ⽬的 ソフトウェア無線機を⽤いたチャネルサウンダの開発
 アンテナスイッチング⽅式によるMIMO測定の実現

 実施内容 UHD C++ APIを⽤いた測定プログラムの開発
 RFスイッチとGPIO制御によるアンテナスイッチングの実現
 各種性能評価‧放射⾓到来⾓推定‧遮蔽損失の確認

 今後の予定
 マルチリンクMIMOの実現• 複数台のUSRPの連携‧送受信切替の実現• 多重波RTI法への適⽤19

評価｜スイッチング
 スイッチング動作の検証
 直流信号を送信 スイッチングを⾏い1536サンプル（Rx1〜3）取得
 Rx 2 のみTxと接続
 50〜90サンプル（250〜450 ns）の遅延• 256サンプル以上の遅延はなし
切り替えタイミング 55 samples

Rx1

87 samples

Rx2

Rx320