【電子技術部】

ＳＤＲ（ソフトウェア無線）を用いたローカル５Ｇ（Sub6 帯）におけるマイクロ波測定システムの開発
菅間 秀晃（電子技術部）
土屋 明久（電子技術部 電磁環境グループ）
水矢 亨（企画部 経営戦略課 新事業戦略グループ）
今井 大貴、橋本 修、須賀 良介（青山学院大学）
1.

はじめに

KISTEC では県内中小企業への DX（デジタルトランスフォーメーション）支援サービス提供を目指して、2021

2.

実験及び結果2.1

SDR と GNU Radio によるスペクトラムアナラ

年 3 月にローカル 5G（Sub6 帯）の無線局を開設した。
ローカル 5G は最新の無線通信技術を活用して高速・高イザセキュリティな無線ネットワークを構築できる。図書室（図 1）および試作実験棟の 3 つの実験室に設置したロSDR 機器は少数ではあるが市販されている 2)。本研究でローカル 5G（Sub6 帯）の周波数に対応した安価なーカル 5G を活用して企業や大学と共同研究を実施している。設置したローカル 5G 基地局は Sub6 帯と呼ばれる中心周波数 4.85GHz、占有帯域幅 100MHz のマイクロ波を使って規格上最大 1.9Gbps（上り・下りの合計）の高PA : パワー・アンプ
LNA : ロー・ノイズ・アンプ
DAC : D-Aコンバータ
ADC : A-Dコンバータ
FIR : デジタル・フィルタ

速無線通信が可能である。しかし、従来の 4G の主要周
波数 800MHz 帯に比べて 5 倍以上高い周波数帯であるため、電波の直進性が強く、障害物による反射・減衰が大きいなど通信品質の劣化が懸念されている。そこでローカル 5G 通信エリアの電波状況を評価するために簡便に電波強度測定できる小型スペクトラムアナライザが有用である。近年、SDR（Software Defined Radio；ソフトウェア無線）を用いた低価格の無線通信機器やスペクトラムアナライザ（周波数 4.4GHz まで）などの高周波計測器などが市販されるようになった 1)。SDR はソフトウェ
アで無線機能を自由に追加・変更できるため、低コスト・短期間で測定システムの開発が可能である。

図 2 ADALM-PLUTO(PlutoSDR)

本報告は、SDR を用いたローカル 5G（Sub6 帯）のマイクロ波測定システムについて報告する。

表１

PlutoSDR の性能一覧

図 1 ローカル 5G（Sub6 帯）基地局

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KISTEC研究報告2022

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は、ADALM-PLUTO（アナログ・デバイセズ製；以下、る 5)。Arduino328 互換ボードを搭載しているので、外部

PlutoSDR）を採用した。PlutoSDR は、図 2 に示すようなブロック構成で、非公式ではあるが拡張設定後の諸性能

PC から台車ロボットをシリアル通信で制御できるようにするために図 5 に示すオープンソースの Arduino IDE では表 1 に示す通りである 3)。周波数範囲が 70 MHz から6GHz、帯域幅が最大 56MHz、AD コンバータ（ADC）のプログラムを作成し、Arduino328 互換ボードのソフトウェアを書き換えた。外部 PC からのシリアル通信で前分解能が 12bit とローカル 5G（Sub6 帯）で使用される中心周波数 4.85GHz、帯域幅 100MHz、基地局出力 50mW

進・後退・右移動・左移動・右回転・左回転・停止と移動速度・回転速度の制御が可能である。の測定に適している。
また、SDR と接続する PC は安価で小型な Raspberry Pi

Raspberry Pi から台車ロボットを操作するプログラムはThonny（オープンソース Python IDE）を使用して図 6 の4B を用いて、オープンソースソフトウェアの GNU Radioでスペクトラム解析プログラムを作成した。Raspberry Piように作成した。GUI は PySimpleGUI ライブラリを使用
し、前進・後退・右移動・左移動・右回転・左回転・停

4B は Wi-Fi5(IEEE802.11ac)と Bluetooth の無線機能を標準で搭載しており、簡単に無線通信システムを構築できる。開発環境は全てオープンソースであるため低コストというメリットがあるが、開発に必要な情報が乏しく、ソフトウェアのバージョン違いにより SDR が動作しないなど難しい一面もある。
今回は、主要な SDR 機器のドライバや GNU Radio を含む SDR 制御ソフトウェアをバンドルした Raspberry Pi
OS のディストリビューションである PiSDR（Ver.6.1, 64bit 版）を利用して開発を行った 4)。この PiSDR をコピーした SD カードを Raspberry Pi に挿入して起動すると、サポート対象の SDR 機器を USB 接続するだけで、ドライバのインストール不要で使用できる。本測定システムは広い空間で効率的に測定を行う必要があるため、台車ロボットに搭載することを考慮した。Raspberry Pi の電源定格は電圧 5 V・電流 3 A となっているので、長時間動作（目標 2 時間）させるために、定格出力が電圧 5 V・電流 3 A で容量が 10,000 mAh（37 Wh）のモバイルバッテリー（ANKER 製 PowerCore 10000 Redux）を採用した。
GNU Radio は GNU Radio Companion（GRC）を使用し

図 3 SDR と GRC によるスペクトラムアナライザてフローグラフによるプログラミングによりスペクトラ
ム解析ソフトウェアを短時間で開発することができる。
必要な信号処理ブロックをフローグラフ上で配線接続することで、任意の受信システムを開発できる。SDR では
FFT 信号処理を行うと、FFT の中心周波数に DC 成分が現れるため、DC カットの信号処理ブロックを挿入する必要がある。本研究では図 3 に示すように 4.85 GHz を中心周波数として帯域幅 50MHz でパワースペクトラム測定と Waterfall 表示する GUI を作成した。PlutoSDR は周波数拡張設定をしているが、インターフェースが USB2.0（480 Mbps）であるため、帯域幅 50 MHz では信号処理速度が不足して十分な性能が得られていないので、MaxHold の測定時間を長くとることで測定精度を高めている。また、トリガー・モードを使用して測定の取りこぼしを減らしている。

2.2

台車ロボットと制御プログラム

図 4 に示す電波を受信するホーン・アンテナ（マイクロウェーブファクトリー製 MDH0218）を取り付けた台車

図 4 ホーン・アンテナを搭載した台車ロボット

ロボット（Nexus Robot 製 3WD 100mm Omni Wheel RobotKit 10013）はオムニホイール 3 輪で移動するタイプであ23

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止のボタンスイッチと移動速度・回転速度の数値入力ボス（エプソン製 BT-30E；1280×720 pix）を装着して、実ックスを配置した。シリアル通信（通信速度 9600bps）
は PySerial ライブラリを使用した。台車ロボット前方に空間に仮想スクリーンを融合した映像を見ながら行うことができる。スマートグラスと Raspberry Pi を HDMI 接Web カメラ（解像度 1K）を搭載し、Raspberry Pi と USB接続した。Web カメラのリフレッシュレートは 15Hz 以続しすることで、実空間に 40 型相当の仮想スクリーン(仮想視聴距離 2.5 m 時)を表示して効率的な電波測定が可上を確保するために画面解像度を 640×480pix としている。

2.3

SDR 機器の電磁干渉対策

PlutoSDR の本体ケースがプラスチック製であるため、図 7 に示すように台車ロボットに搭載したときに、Raspberry Pi や Arduino ボードなどから発生する無線電波や電磁ノイズなどを受信してしまう EMI（電磁干渉）問題が発生した。 PlutoSDR はアンテナを未接続の状態でも様々な周波数の電波を受信しており、正確な電波強度測定が困難であった。このため、図 8 に示すように
PlutoSDR の本体ケースの内側に電磁シールド塗料（プラスコート製 PCS-107AgCu）を塗布することで、4.8GHz帯において 30dB 以上のシールド効果を確認した。

2.4

図 7 SDR と制御機器との電磁ノイズ干渉

スマートグラスを活用したリモート操作システム
台車ロボットの遠隔操作は、図 9 に示すスマートグラ

図 5 Arduino IDE によるロボット制御プログラム

図 8 電磁シールド塗料による SDR の電磁ノイズ対策

図 6 Python によるロボット・コントロール GUI

図 9 スマートグラスと遠隔制御

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図 10 SDR を用いたローカル 5G（Sub6 帯）におけるマイクロ波測定システム能である。ウエストポーチに入れた Raspberry Pi から台車ロボットに搭載した Raspberry Pi に無線ネットワーク接続して、空中マウス（エレコム製 M-RT1BR；Bluetooth2.4 GHz）でリモート操作が可能である。スマートグラスを装着しての台車ロボットの操縦と電波強度の測定は訓練を要するが、見えない電波の可視化により、現場での作業効率が高まり、信頼性の高い無線通信システムの実現に貢献できる。
具体的には図 10 に示すように 2 台の Raspberry Pi（PC-1 と PC-2）を Wi-Fi 5（IEEE802.11ac；5 GHz 帯）で VNC（Virtual Network Computing）接続してリモート制御を行った 6)。PiSDR には RealVNC Server が標準インストールされており、PC-2 に RealVNC Viewer を追加インストールすることで、PC-1 の画面を PC-2 から直接制御できる。Wi-Fi 5 は MIMO を活用していて、広い範囲で通信可能であり、図書室内での無線通信に問題がないことを確認した。初期段階で台車ロボットのリモート制
御はラジコン用アプリをインストールしたスマートフォンから Bluetooth（2.4 GHz 帯）通信で試みたが、基地局から一番離れた本棚の奥（距離 約 15 m）では、制御不図 11 図書室と測定点能に陥ることが確認されたため、Wi-Fi 5 でのリモート制御に変更した。

13）、約 10 dB の差異があることがわかる。なお、測定系の校正を実施していないため、電波強度の単位は dB としている。B 点は本棚により電波強度が約 10dB 減衰して2.5 図書室におけるローカル 5G の電波強度測定
ローカル 5G を設置した図書室において、図 11 に示すいるがローカル 5G の通信安定性に影響ないことが、共同実験等を通して確認できている。

電波伝搬経路の異なる A 点と B 点で測定を行った。
PlutoSDR 内蔵の LNA 利得を 40 dB、トリガーレベルを3.

-60 dB に設定し、台車ロボットを連続回転させ、MaxHold で電波強度を測定した結果の最大値を比較すると、考察及び今後の展開

KISTEC の図書室に設置したローカル 5G（Sub6 帯）の電波状況について PlutoSDR を用いたマイクロ波測定シス

A 点は約-37 dB（図 12）、B 点は約-47 dB であり（図25

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図 13 測定点 B における電波強度測定

図 12 測定点 A における電波強度測定

索している。実測とシミュレーションを併用することテムを開発して実測を行った。本測定システムはローカ
ル 5G（Sub6 帯）だけでなく、Wi-Fi6(IEEE802.11ax)、Bluetooth、プライベート LTE など周波数 6GHz までの無線通信システムの電波強度測定に利用できる。
PlutoSDR 以外にも 6GHz までの周波数に対応した
HackRF One（GREAT SCOTT GADGETS 製；以下、HackRF）と NI-USRP 2900（日本ナショナルインスツルメンツ製；以下、USRP）も購入して検討を行っている。

で、ローカル 5G（Sub6 帯）をはじめ、マイクロ波を利用する Wi-Fi6、プライベート LTE、LoRaWAN などを使った無線 IoT システムの安定性向上に貢献できるように、デジタルツイン環境の構築を目指す。

【参考文献】
1. 高橋知宏, 富井里一, 通販ガジェッツで広がる RF 測定の世界, RF ワールド , 54, 8-41(2021)

HackRF は、Linux 環境と Windows 環境のどちらでも安定して動作し、多数のフリーソフトウェアがサポートし

2. 高橋知宏, GRC で広がる SDR の世界, RF ワールド, 44,
7-91(2018)ているため SDR の入門機として最適である 7)。また、掃引型スペクトラムアナライザのような広帯域測定も可能なフリーソフトウェアも公開されている。ただし、ADCが 8bit であるためローカル 5G（Sub6 帯）の電波測定には感度不足であるので LNA（利得 20dB 程度）の追加が

3. 藤井義巳, RF 送受信機 ADALM-PLUTO の準備,Interface, 5, 63-66 (2021)
4. https://github.com/luigifcruz/pisdr-image/releases, PiSDRVersion 6.1 (64-bits)

必要となる。
USRP は高価であるが、高速信号処理用の FPGA が搭載されていて、測定精度と効率性が高く、Windows PC とグラフィカル・プログラミング言語 LabVIEW（日本ナシ

5. https://www.vstone.co.jp/robotshop/index.php?main_page=product_info&products_id=3753, 3WD100mm オムニホイョナルインスツルメンツ製）の開発環境でフレキシビリティの高い測定システムが実現できるため、高精度を要求する測定には USRP を使用している。

pi/raspberry-pi-vnc/, VNC で Raspberry Pi にリモートデス
クトップ接続 (Windows/Mac/Linux 対応)

ールロボット 10013
6. https://www.indoorcorgielec.com/resources/raspberry-

7. https://engineer-climb.com/hackrf-one-2/, HackRF One をWindows で動かす

今後の展開として、コンピュータ・シミュレーションを用いて、大規模空間の電磁界解析を行うために、令和４年２月にレイトレース法による電波伝搬解析シミュレータ（構造計画研究所製 RapLab）を導入した。図 11 に

【外部発表】口頭発表 1 件

示す図書室の３次元モデルを作成して解析精度向上を模

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