マルチリンク8×8MIMOチャネル測定系の構築と評価実験
Multi-Link 8 × 8 MIMO Channel Measurement System
Construction and Evaluation Experiment

2023年12月14日
IEICE TC-AP@機械振興会館〇池上十五，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
 パッシブ型屋内測位の需要
 スマートホームへの利用
 GPSの届かない原子炉建屋内でのロボット・作業員の位置推定

 電波トモグラフィーイメージング法 Radio Tomographic Imaging: RTI法
 対象エリアに複数のアンカーノードを配置
 遮蔽による受信電力（RSS）の変化から人の位置を画像化

2

多重波RTI法
 従来のRTI法
 見通し線上の経路のみを仮定
 多重波環境では測位性能が劣化
 精度はノード数に依存 多重波RTI法[1]見通し経路のみエリアをカバーするためにはノード数を増やす必要がある

 多重波を利用• 多重波干渉を受けにくい• ノード数の低減

反射による経路も利用少ないノード数で広いエリアをカバーできる[1]Minseok Kim, Yuto Miyake, Togo Ikegami, Keiichiro Kumakura, Hibiki Tsukada, “Device-Free
Localization Using Millimeter-Wave Double-Directional Channel Sounding Measurements,” 2022
European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Mar. 2022.​3伝搬路の抽出 実在する多重波の伝搬路をどのように分離・抽出するかが課題
 伝搬路抽出手法の検討
 伝搬路はレイトレーシングシミュレーションにより推定
 測定値を伝搬路ごとに分離・紐づけ マルチリンクMIMOシステム[2] マイクロ波帯狭帯域システム
 各アンカーノードにアレイアンテナを採用
 ビームフォーミングによって多重波を分離・経路抽出

各ノードにアレイアンテナを利用

ビームフォーミングにより伝搬路を分離・抽出[2] 池上十五, 金ミンソク, “分散MIMOセンサを用いたパッシブ測位システム構築の机上検討,”信学技報,
vol. 122, no. 214, AP2022-127, pp. 137-142, 2022年10月.

4多重波RTI法の実験的検討
 ミリ波を用いた実験

TxRx

 障害物のない部屋
 半径0.3mの電波吸収体を人体モデルとして設置
 Tx・Rxの位置を移動させながら全リンクを順に測定
人体モデル
388 cmwindow
4482 cm3215

 ソフトウェア無線機（USRP）を用いた
Sub-6 GHz帯アンテナスイッチング方式MIMOチャネルサウンダを開発[2] 開発した系を拡張
複数台のサウンダを用いて短時間マルチリンク測定を目指す[2] 池上十五, 金ミンソク, “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,” 信学技報, vol. 123, no. 103, AP2023-30, pp. 1-6, 2023年7月.

5サウンダ概要
 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
 ドーターボードの差し替えで様々な周波数帯に対応
 USRP X310
• UBX-160 ドーターボードを使用

 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

Tx

送受信回路は1系統

Rx

スイッチングによりアンテナ切り替え
6

サウンダ構成
 MIMOサウンダ構成（単一リンク）

同期用信号（ルビジウム発振器から共有）

 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

FFTIFFT

7

サウンダ概要
 各種パラメータ
項目

仕様

項目

仕様

搬送波周波数

4.85001 GHz

副搬送波間隔781.25 kHz

サンプリング周波数

200 MHz

シンボル長

1.28 μs

信号帯域幅

100 MHz

遅延時間分解能

10 ns

送信信号

ニューマン位相マルチトーン信号

FFT点数

256

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）

USRPのロールオフ特性

Spectrum
2：トーン数：信号帯域幅：トーン間隔

Magnitude

1.5
10.500：ニューマン位相50

𝐵𝐵 = 100 MHz(128 tones)
100

150

200

250

Tone Index

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 信号長：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 ルビジウム発振器からPPS（1秒周期のパルス）・10 MHz Ref. 信号を共有
 PPSに合わせてデバイス時間をすべてのUSRPで同期
 送信は一定間隔でMIMO信号を送信 受信は送信周期に合わせて任意の時間で受信
PPS信号に合わせて内部時間の小数点以下は同期
送受信機内部時間（小数点以下）[s]0

一定間隔で繰り返し送信

0.1

0.2

Tx 送信信号Rx 受信信号
任意の時間で1サンプル分受信

例：0.1秒ごとに送信を繰り返す場合
10

マルチリンク測定系
 マルチリンク測定系への拡張
 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

 開発した測定系
 4ノード6リンク
 Master PC 1台とSlave PC 4台を使用
 Master PCからSlave PCへ送受信開始命令を順に送信
 各Slave PCはUSRPを制御 ルビジウム発振器を用いて全USRPを同期

Antenna
Rb.
Oscillator

USRP

11

マルチリンク測定系
ブロック図12

マルチリンク測定系
 測定シーケンス
 3段階に分けて6リンク測定
 Masterは各送受信命令発行後正常にプロセスが開始されたことを確認するまで待機 受信信号の保存方法は2通り• UDPでMasterに集約• 各Slave PCに保存

 全リンク測定時間は 4 秒程度
152

613

動作のようす（単一リンク）14

動作のようす（マルチリンク）

15

検証実験
 伝搬実験を実施
 アンテナ高さに測位ターゲット以外の障害物のない部屋 ターゲット（電波吸収体）
あり・なしでそれぞれ測定
 双方向角度電力スペクトル（DDAPS）を構築
 多重波RTIを適用

アンテナ・ターゲット座標
1(3.8, 0)2(0, 1.5)

3(3, 5.68)

4(7.04, 3.8)

ターゲット

(3.52, 3.15)

ターゲット

16

結果（ターゲットなし）
 各チャネルの伝達関数（TF）及びインパルス応答（IR）
TF@Link1

IR@Link1

4.86

-100

4.88

Frequency [GHz]-500

TF@Link3

4.84

4.86-60-80
-100

4.88

Frequency [GHz]-500

TF@Link5-80

4.82

4.84

4.864.88

Frequency [GHz]-800

Delay [ns]500-80

4.82

500

4.84

4.86-60-80-1004.88

Frequency [GHz]-5000

Delay [ns]500

IR@Link6-40-60-80-1004.80

Delay [ns]IR@Link4-40-500-500

TF@Link6-60-100-100

4.88-60-1004.8500

Power [dB]

Power [dB]

Power [dB]0

Delay [ns]-40-604.86-40

IR@Link5-40

4.84-80

Frequency [GHz]-40

Power [dB]

Power [dB]

Power [dB]

-80

4.82

4.82-60

TF@Link4-40-60-100
4.8-1004.8500

IR@Link3-40-1004.80

Delay [ns]-80Power [dB]4.84-80-60

Power [dB]4.82-60-40

Power [dB]-80

IR@Link2-40

Power [dB]-60-100
4.8

TF@Link2-40

Power [dB]

Power [dB]

-40

4.82

4.84

4.86

4.88

Frequency [GHz]-60-80-100-5000

Delay [ns]50017

結果（ターゲットあり）
 各チャネルの伝達関数（TF）及びインパルス応答（IR）
TF@Link1

IR@Link1

4.86-100

4.88

Frequency [GHz]-500

TF@Link3

4.84

4.86-60-80-100

4.88

Frequency [GHz]-500

TF@Link5-80

4.82

4.84

4.86

4.88

Frequency [GHz]-800

Delay [ns]500-804.82

5004.844.86-60-80-1004.88

Frequency [GHz]-5000

Delay [ns]500

IR@Link6-40-60-80-1004.80

Delay [ns]IR@Link4-40-500-500

TF@Link6-60-100-1004.88-60-1004.8500

Power [dB]

Power [dB]

Power [dB]0

Delay [ns]-40-604.86-40

IR@Link5-40

4.84-80

Frequency [GHz]-40

Power [dB]

Power [dB]

Power [dB]

-80

4.82

4.82-60

TF@Link4-40-60-100
4.8-100
4.8500

IR@Link3-40-1004.80

Delay [ns]-80Power [dB]4.84-80-60

Power [dB]4.82-60-40Power [dB]-80

IR@Link2-40

Power [dB]-60-1004.8

TF@Link2-40

Power [dB]

Power [dB]

-40

4.82

4.84

4.86

4.88

Frequency [GHz]-60-80-100-500

0Delay [ns]

50018

結果
 一部チャネルを抜粋
 リンク 2（ノード 1 - 3）
 ターゲットの遮蔽による受信電力の減衰を確認-30-30Tx3 - Rx4

Tx4 - Rx4-40

Tx5 - Rx4-50-50-60-60

Power [dB]

Power [dB]Tx3 - Rx4

Tx4 - Rx4-40-70-70-80-80-90-90-100

Tx5 - Rx4-100-600-400-2000200

Delay [ns]ターゲットなし400600-600-400-2000200

400600Delay [ns]ターゲットあり
19DDAPS（測定・ターゲットなし）-100-20-50-305050-100-20-50-30-40-50Az@Node2 [deg]-100-20-50-300link:5050-5050Az@Node3 [deg]50-40-100-20-50-30-40-500-20-50-3050Az@Node4 [deg]50link:60-1000-40Az@Node4 [deg]50-50050Az@Node3 [deg]Az@Node2 [deg]Az@Node2 [deg]link:40-40Az@Node3 [deg]0link:30Az@Node1 [deg]50-50link:20Az@Node1 [deg]Az@Node1 [deg]link:1050-100-20-50-30-50050-40Az@Node4 [deg]20BF（シミュレーション）-100-20-50-305050-100-20-50-30-40-50Az@Node2 [deg]-100-20-50-300link:5050-5050Az@Node3 [deg]50-40-100-20-50-30-40-500-20-50-3050Az@Node4 [deg]50link:60-1000-40Az@Node4 [deg]50-50050Az@Node3 [deg]Az@Node2 [deg]Az@Node2 [deg]link:40-40Az@Node3 [deg]0link:30Az@Node1 [deg]50-50link:2

0Az@Node1 [deg]Az@Node1 [deg]link:1050-100-20-50-30-50050-40

Az@Node4 [deg]21多重波RTI結果
 シミュレーション結果と実験結果を比較
 LoS を遮るため理想的な結果を得られた

シミュレーション結果

実験結果
22

まとめ
 実施内容 マルチリンクMIMOチャネルサウンダの開発• 複数のUSRPを連携し送受信を適宜切り替え• 約 4秒で 4ノード 6リンク測定

 伝搬実験を実施• 妥当性を確認

 ビームフォーミング・多重波RTIを適用• 手法の有効性を確認

 今後の予定 測定時間の短縮
 多重波RTIの精度向上

23

RTI法の原理
 概要
 対象エリアに複数のアンカーノードを配置
 遮蔽による受信電力（RSS）の変化から人の位置を画像化

 手順
1. 対象エリアを画素（voxel）として表す
2. 各ノード間経路（リンク）上の画素に重みづけ3. 遮蔽物がない状況で各リンクのRSSを測定
4. 遮蔽物によるRSSの変化を測定（3.と比較）
5. 重みとRSS変化を合成し画素値を算出

24

観測データと画素値の変換
 観測行列 𝐲𝐲RSSベクトル

重みづけ行列

ノイズベクトル
画素ベクトル 重みづけ行列 𝐖𝐖

直接波
1回反射
（2回反射は省略）

 楕円パラメータ 𝛾𝛾 ：重みづけを行う範囲を決定
25

観測データと画素値の変換
 画素ベクトルの導出
事前に測定したRSS（遮蔽物なし） 重みづけ行列 𝐖𝐖 ∈ ℝ𝑁𝑁×𝑀𝑀 は逆行列が存在しない
 1つの解 Δ𝐱𝐱 を求めることはできない（不良設定問題）
 推定解 Δ�𝐱𝐱 を求める→正則化

Elastic Net 𝜆𝜆：正則化パラメータ• 正則化の強度を制御

 𝛼𝛼：𝐿𝐿2 正則化と𝐿𝐿1 正則化のバランスを(0 1]の区間で決定• 𝛼𝛼が1に近いほど疎に

26

伝搬路の抽出 各伝搬経路の受信電力変化

ステアリングベクトル

MIMOチャネルベクトル

 MIMOチャネルベクトル𝚪𝚪 : 複素受信信号
𝑨𝑨 : レスポンスベクトル
𝐿𝐿 : リンク数
𝐾𝐾 : MIMOアンテナ素子数

𝑑𝑑 : MIMOアンテナ間隔
𝑁𝑁 : 遅延時間ビーム数
𝑀𝑀 : 対象リンクの伝搬経路数
27

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

Rx

Tx

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
28

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/

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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
30

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 Min
6 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31

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）
キャリブレーションキットの伝達関数
ハードウェア特性を除去した伝達関数
32