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GNU Radio-USRP

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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35V/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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