Panel Discussion on GNU Radio IEICE CS, TCSR July Conference 2010 Prototyping and Evaluation of Software Defined Radio usingg 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) July 29, 29 2010 TCSR July Conf. @ ATR Minseok Kim Tokyo Institute of Technology Outline 2 本発表では GNU Radio・USRPの紹介 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を用いた研究動向 Two Different Viewpoints for GNU Radio GNU Radioに対する反応 R di に対する反応 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 3 What is GNU Radio ? 4 GNU Radioは一体何? R di は 体何? “GNU Radio is a free software development toolkit that provides the signal processing runtime and processing blocks to implement software radios using readily readily-available available, lowlow cost external RF hardware and commodity processors ” processors. GNU Radio Wiki (gnuradio.org) (gn radio org) PC based Radio PC-based USRP ただです 安いです 動作保証はありません History of GNU Radio GNU Radio開発経緯 R di 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 ドウ ソフトウェア無線技術がパソコンと安価なハードウ ェアでより手軽に実現できるツールの開発 2001年,Eric 年 Blossom氏により開発プロジェクトが 氏 より開発プ ジ 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 現在の安定版は3.3.0(2010年3月) 5 History of GNU Radio GNU Radio開発経緯(2) R di 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 ム く信号処理フラットフォーム 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 ハ ドウェアのノウハウに直接には依存せず,ソフト 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 6 Free software and GPL フリ ソフトウ アとGPL フリーソフトウェアとGPL 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) 7 Open source software 8 オ プンソ スとは 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”( 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 1997年,Netscape Navigatorの立て直しプロジェ 立 直しプ ジ 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 開発・ビジネスモデルへの変革が進行中 デ 変革が進行中 GNU Radioの魅力 Hardware Architecture 9 GNU Radioの仕組み R di の仕組み 送信側 USRP (Hardware) GNU Radio (Software) Application pp (Python, C++) Motherboard USB / GbE FPGA Daughterboard DAC RF Front end 受信側 USRP GNU Radio Daughterboard Motherboard Application (Python, C++) USB / GbE FPGA ADC RF Front end Hardware Architecture 10 GNU Radioの仕組み R di の仕組み USRP GNU Radio Daughterboard Motherboard Application (Python C++) (Python, USB / GbE FPGA ADC / DAC RF Front end データ転送インタフェース デ タ転送インタフ ス USB2.0 (USRP) : 32MB/sec Gigabit g Ethernet (USRP2): ( ) 100 MB/sec 16-bit signed integers in IQ 形式(4 Bytes) Realtime 帯域幅 = 8 MHz (USB2.0), 25 MHz (Gigabit Ethernet) Hardware Architecture 11 GNU Radioの仕組み R di の仕組み USRP GNU Radio Daughterboard Motherboard Application (Python C++) (Python, USB / GbE FPGA ADC / DAC RF Front end 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 ョンの周波数補償(2次周波数変換)の役割 周波数補償( 次周波数変換) 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 トの変換を行う ートの変換を行う Hardware Architecture 12 GNU Radioの仕組み R di の仕組み USRP GNU Radio Daughterboard Motherboard Application (Python C++) (Python, USB / GbE FPGA ADC / DAC RF Front end AD・DA変換機 機 4 high-speed 14-bit DA converters: 128 MS/s 4 high-speed high speed 12-bit 12 bit AD converters: 64 MS/s Hardware Architecture 13 GNU Radioの仕組み R di の仕組み USRP GNU Radio Daughterboard Motherboard Application (Python C++) (Python, USB / ETH FPGA ADC / DAC 4スロット DC ~ 5.9GHz 範囲で幾つかの無線基 板が市 され 板が市販されている る RF Front end RF Daughter Boards 14 RFフロントエンド XCVR2450 (2.4~2.5 GHz, 4.9 ~ 5.85GHz) Software Architecture 15 ソフトウ ア構成 ソフトウェア構成 基本は 以下のような階層構造 基本は,以下のような階層構造 Python C++をスクリプト言語うで実行 するためのラッパー C++ 既存+新規開発した モジュールを繋ぐだけ SWIG 上位層のアプリ 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 Features and Known Limitations USRPの特徴と制約 周波数帯域: RF信号帯域幅: 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 8 MHz (USRP), 25 MHz (USRP2) Roll-off R ll ff Ch Characteristic t i ti iin DDC Multiple Channel Extension and Synchronization DC~5.9 GHz 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) 16 License Issues 17 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 とは 電波法を守ることはユーザの責任 ザの責任 License Issues 18 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) License Issues 19 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 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 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 p Temporary p y Authorization ((STA)) : 特別一時許可(例: 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(Part 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) 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, 30 0 , 1260~1300MHz, 60 300 , 2400~2450MHz, 00 50 , 5650 5650~ 5850MHzなどなど) Recent Researches utilizing GNU Radio GNU R Radioを用いる研究動向 di を用いる研究動向 IEEE DySPAN, SDR Forum Smart Radio g ((SRC)) Challenge 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 第1回GNU Radioワークショップ クシ プ (2010年7月14日,東大) ( 年 月 東大) 20 IEEE DySPAN 2010 Demo Session 21 IEEE DySPAN 2010 Demo Session SCALDIO Cognitive, Radio-Aware, Low-Cost (CORAL) Research Platform (Communication Research Centre, CA) Decomposable MAC Framework for Highly Flexible and Adaptable MAC Realizations (RWTH Aachen, DE) Digital g and Analog g Solution for Low-power p Multi-band Sensing 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 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 OFDM-based Aachen, DE) Concluding Remarks 22 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:オープンソース開発マインド,GPLで 商用 オ プンソ 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
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