1
電子情報通信学会 アンテナ・伝播研究会
IEICE Technical Committee of Antennas and Propagation

ソフトウェア無線機を用いた多目的マルチリンク
MIMOチャネルサウンディングセンサネットワークの構築
Development of Versatile Multi-Link MIMO Channel Sounding Sensor
Network Using Software-Defined Radios
2024年5月17日
金 ミンソク，池上 十五，佐藤 正宗

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．

2

研究背景




分散型超多素子アンテナ技術


分散型超多素子MIMO（Distributed massive MIMO）



セルフリー超多素子MIMO（Cell-free massive MIMO）

測位とセンシング（Localization and Sensing）

期待される効果
DOF増加  通信容量増大

分散配置  ラージスケールフェージング対策・信頼性向上

ノード数増加  測位・センシングの精度向上

UEUE
集中アンテナ集中型Massive MIMO

分散アンテナ

中央制御ユニット

分散型Massive MIMO

分散アンテナ間チャネル特性

分散アンテナシステムのシステム設計・評価に欠かせない

測定系の要求事項



分散超多素子MIMO，マルチリンクMIMO

BS-UE間だけでなくBS間チャネル特性

動特性 ⇒ 高速化

拡張性 ⇒ 低コストのモジュール化アーキテクチャ

Tx/Rx

Tx

Rx

Tx/Rx

フルMIMO

仮想アレー

スイッチング

測定時間が短い，高費用
キャリブレーション難

測定時間が長く非現実的
キャリブレーションが容易

測定時間が短縮，安価
キャリブレーション難3

4

マルチリンクMIMO測定系


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

5

チャネルサウンダ構成
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

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）

ドーターボード：UBX-160


10 MHz～6 GHz, 160 MHz BW ドーターボード



最大送信電力：約 20 dBm

開発環境：UHD C++ API (v4.4.0)
USRP内部

6

チャネルサウンダ構成（２）

アンテナスイッチング方式


複数の送受信アンテナ（SP8T）をスイッチにより切り替えて使用RFスイッチ：SR-J030-8S (Universal Microwave Components Corp.)

X310の15ピン汎用IO（GPIO)を使用
SP8T

UHD APIでは制御用関数が提供

USRP
Rx
スイッチングによりアンテナ切り替え

GPIOポート

GPIO用Pin電源スイッチ外観

7チャネルサウンダの仕様



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）

マルチトーン信号（Newman位相付加）

USRPのロールオフ特性

Spectrum
2
1.5

：トーン数

：信号帯域幅：トーン間隔Magnitude



1
0.5
00

：ニューマン位相

50

𝐵𝐵 = 100 MHz(128 tones)
100150Tone Index

200250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

シンボル長：1.28 μs （256 samples / 200Msps）



8×8MIMOチャネル測定にかかる時間（MIMOスナップショット）：164 μs（=1.28 μs×2×8×8）8

位相同期精度

基準信号と1PPSは，共通のRbから送・受のUSRPへ供給

約3度位の変動幅⇒MIMOチャネル測定への影響は無視できる

164 μs9

USRP間送受信タイミング同期


USRP間の送受信タイミング同期の仕組み

ルビジウム発振器から同期信号共有


10 MHz ref⇒ 各USRPの内部クロックの同期



１PPS

⇒ 送受信タイミングの同期



送信 一定間隔でMIMOスナップショット（164us）を送信



受信 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

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

0.210

マルチリンクMIMO測定系への拡張

測定シーケンス1⋯1⋯

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

6

第1フェーズ第2フェーズ

第3フェーズ11評価実験① : マルチリンクMIMO

12

送信アンテナ : 8素子線形アレー
(3カ所)



受信アンテナ : 8素子円形アレー

測定ポイント数 : 258素子線形アレーアンテナ

Tx3

8素子円形アレーアンテナ

Tx2

Rx

Tx1

12

評価実験① : マルチリンクMIMO


遅延電力プロファイル(PDP)と放射角度電力スペクトル(APS)の導出



マーカーは直接波の理論値を示す


測定結果と理論値はよく一致

PDP

APS

13

14

評価実験① : マルチリンクMIMO

分散MIMO（（3×8）×8）の評価

Ave SNR = 20 dBとなるように設定

BSBSBS

Link2
Link3

Ave PG [dB]-50

Multilink MIMO

-55-60-65
510152025152025Position Index
5045Ave Capacity [bps/Hz]

4035300510Position Index

Link1UE

Link1-450Link2

Link3

1515

評価実験② : RTI測位
マルチリンクMIMO：4ノード6リンク
送信BF

受信BF

多重波経路情報（事前情報）

𝒚𝒚Δ = 𝒘𝒘𝐻𝐻
R 𝑯𝑯Δ 𝒘𝒘T = 𝑾𝑾𝒙𝒙Δ + 𝒏𝒏
差分MIMO
チャネル行列各径路の電力変化

Erastic Net

𝒙𝒙Δ

測定仕様
アンテナ素子数𝐾𝐾

8アンテナ素子間隔 𝑑𝑑

0.5 波長RTIボクセルサイズ

0.05 m

信号帯域幅

100 MHz

遅延時間ビーム数 𝑁𝑁

128

RTI楕円パラメータ 𝛾𝛾
正則化パラメータ 𝜆𝜆正則化パラメータ 𝛼𝛼

𝑯𝑯Δ = 𝑯𝑯 − 𝑯𝑯0Current Baseline

画素ベクトル�Δ = arg min𝒙𝒙1𝒚𝒚Δ − 𝑾𝑾𝒙𝒙Δ 22 + 𝜆𝜆𝑃𝑃𝛼𝛼 𝒙𝒙Δ
2

アンカーノード

多重波が密集する場所の精度がよい

0.05 m５分割交差検証により決定
0.25

４基地局（アンカーノード）構成

差分MIMO
チャネル行列

多重波経路（事前情報）

真位置推定位置

Artifactが生成されるが後処理で正しく推定可能

正しく位置推定が可能

16

評価実験② : RTI測位
評価条件

3



12リンク測定｜4ノード6リンク測定を2回



測位ターゲットには半径 0.3 m の電波吸収体を使用



測位法：Multipath-RTI法[*]

ターゲット
1

Humanmodel

54

6.31 m

2
アンカーノード
7.04 m測定環境

多重波経路（2回反射まで）[*] Togo Ikegami, Minseok Kim, Yuto Miyake, Hibiki Tsukada, “Multipath RTI: Millimeter-Wave Radio Based
Device-Free Localization,” IEEE Access, vol. 12, pp. 42042-42054, 2024

17

評価実験② : RTI測位


シミュレーションと実験結果を比較①②〇 実際のターゲット位置 × 推定ターゲット位置③④

シミュレーション結果

実験結果


概ね実際の実際のターゲット位置の半径内で推定

推定精度はターゲット位置によって異なる

⑤

まとめ


多目的マルチリンクMIMOチャネルサウンディングセンサネットワー
クの開発




分散型超多素子アンテナ技術の設計・評価に必須


分散型超多素子MIMO（Distributed massive MIMO）



セルフリー超多素子MIMO（Cell-free massive MIMO）



測位とセンシング（Localization and Sensing）



モジュール化，アンテナ・スイッチング方式



高速化，低コスト化

評価実験：有効性の確認マルチリンクMIMO



多重波RTIを用いた屋内測位

18

Thank you for your attention !

mskim@eng.niigata-u.ac.jp
http://radio.eng.niigata-u.ac.jp

19

21System Model

RSS model
𝑀𝑀𝑦𝑦𝑙𝑙 = ∑𝑚𝑚=1
𝑤𝑤𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑥𝑥𝑚𝑚 + 𝑛𝑛𝑙𝑙

𝑦𝑦1
𝑤𝑤11
⋮ = ⋮𝑦𝑦𝐿𝐿
𝑤𝑤𝐿𝐿𝐿

RSS vector
（Lx1）

⋯
⋱
⋯

𝑤𝑤1𝑀𝑀
⋮
𝑤𝑤𝐿𝐿𝐿𝐿𝑥𝑥1
𝑛𝑛1⋮⋮ + ⋮𝑛𝑛𝐿𝐿𝑥𝑥𝑀𝑀
Noise

Weighting matrix Voxel vector
vector
（LxM）
（Mx1）
（Lx1）

𝒚𝒚 = 𝑾𝑾𝑾𝑾 + 𝒏𝒏

Weighting matrix，𝑾𝑾𝑚𝑚
𝑚𝑚1/ 𝑑𝑑𝑙𝑙 , 𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑑𝑑+ 𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑠𝑠< 𝑑𝑑𝑙𝑙 + 𝜆𝜆
𝑤𝑤𝑙𝑙𝑙𝑙 = �0,otherwise
� Visualize Δ𝒙𝒙

�𝒚𝒚 t − 𝒚𝒚 t 0 = Δ𝒚𝒚 = 𝑾𝑾Δ𝒙𝒙 + Δ𝒏𝒏  Δ𝒙𝒙
fewer equations than unknowns:
underdetermined⇒ ill-posed inverse problem

voxel 𝑚𝑚𝑚𝑚
𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑑𝑑𝑚𝑚
𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑠𝑠

Link 𝑙𝑙𝑑𝑑𝑙𝑙

Δv = 0.1
𝜆𝜆 = 0.016: weighted voxels
𝑑𝑑𝑙𝑙 : distance btw the anchors𝑚𝑚𝑚𝑚: 𝑥𝑥𝑙𝑙
𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑠𝑠 , 𝑑𝑑𝑙𝑙,𝑑𝑑