信号源（Wi-Fi/5G）の位置決定・強度可視化装置

注：このプロジェクトは本人の中学時代の自由研究である。そのためかなりの時間が経過しており、独創性や厳密さ・実現可能性などを保証することができず、参考程度にしてください。ソースコード・資料などが必要な場合は、コメントしてください。

要旨

无線通信技術は現代の生活で広く使われている。しかし、無線通信方式が高周波、高帯域に発展するに伴い、信号の減衰、拡散能力が弱いなどの問題も次々に現れた。通信の安定性を保障するために、通常は基地局やルーターの設置数を大量に増やす必要があり、ハードウェア投資が巨大である。この問題に対して、本プロジェクトではGNU Radioを基盤とするセンチメートル波信号源の位置決定と強度の可視化装置を設計した。空間の異なる方向の信号強度をスキャンして収集することで、信号源の位置とその強度の分布を画像で可視化することができ、基地局やルーターなどの装置の位置設定を最適化するための量的な参考基準を提供することができる。

序論

技術の発展に伴い、人々がインターネットアクセス速度を求める需要が高まっている。各種の無線通信技術も普及している。工業省データによると、2018年12月時点で中国の移動通信基地数は648万に達し、世界でも最大である。

中国では各種の通信技術がかなり普及しているが、日常生活で使用するといくつかの問題がある。これらの問題の中でも、最も明らかなのは、セキュリティや信号接続の問題である。例えば、Wi-Fiの普及初期には、主に2.4GHz帯を使用した。

そのため、Wi-FiアライアンスはWi-Fi 5GHz帯も使用するようにしたが、5G信号の波長が短いため、信号が強いときにはネットワークのアクセス速度を保証できるが、空気中での減衰速度が非常に速く、壁を通る能力が悪い。日常生活では、自分の体が携帯電話のネットワーク信号を障害することさえある。

無線電信号は可視光と同じ電磁波であるが、波長が可視光より長いため、障害物に遭遇すると干渉や衍射効果が強い。しかし、信号の周波数が増えるにつれ、干渉や衍射効果が大幅に低下し、空気中での減衰も明らかに増加する。通信の安定性を保証するためには、通常、基地やルーターの設置数を大量に増やす必要があり、ハードウェア投資が巨大である。

日常生活中では、あるネットワークホットスポットから信号を出すカバレッジエリアを正確に決定することができず、ホットスポットを設置するのが不便な問題を解決するため、本プロジェクトでは、多方向信号を収集する装置を設計する。各方向信号の強度を分析し処理することで、信号源の位置と強度の分布を画像で直感的に表示し、「写真のようにネットワーク信号を撮る」効果を実現し、基地局やルーターなどの装置の位置を最適化するための量的な参考情報を提供する。

2. 装置可能性分析

2.1 電磁波強度の測定

日常生活で使われる無線通信で使われる電磁波周波数帯域の波長は、通常センチメートルレベルである。そのために、その周波数が低すぎるために、明瞭な光電効果を生じず、カメラの感光部材のようにすべての方向からの電磁波信号を同時に受信することができるようなチップを設計することはできない。上記の理由から、本プロジェクトは、アンテナを使って、ソフトウェア無線電を使って、各方向の信号の強度を測定する装置を設計する。

アンテナの指向性をできるだけ強めるために、装置は精密なスクリューアンテナを選んだ。

装置は、日常生活でよくある2.4GHz Wi-Fi信号を測定対象として、信号のイメージング装置を設計する。

2.4GHz帯域のWi-Fi信号を受信するために、電磁波波長の式により：

$$λ=\frac{c}{f}=\frac{3×10^8}{2.4×10^9}=0.125m=12.5cm$$

また、スクリューアンテナの物理的特性を数学的に分析することにより、スクリューアンテナの信号の指向性とアンテナのスクリューの直径の関係が以下の通りであることがわかる：

そのため、本設計では、指向性を強めるために、D/λ=0.32、アンテナの直径が4cmであるものを採用する。

装置にアンテナを取り付ける必要があることを考慮し、サイズが適切であり、かつ増幅が上がるようにするために、コイルは計8周を設計し、各周の間隔はλ/4=3.125cmであり、合計の長さは25cmである。

また、スクリューアンテナの下にアルミフォイルを貼り付けて、電磁波を反射することで、アンテナの骨格部に電磁波を滞留させ、さらに信号受信能力と指向性を強める。

スクリューアンテナの増幅計算式によると

$$G=6.2(\frac{C}{λ})^2 N \frac{S}{λ}=6.2(\frac{0.04π}{0.125})^2×8×\frac{0.125}{0.125×4}=12.5dB$$

ここで：
C = コイルのスクリュー形の周長 = πD
N = コイルの周数
S = 周間隔 = C tanα
λ = 電磁波の波長

このアンテナは、約12.5dBの増幅効果を得ることができる。

2.2 機械クラウドテーイの設計

センサーの位置を移動させることができないことを要求するため、アンテナの方向を制御するために球座標機械クラウドテーイを設計した。3ds Max 2014とShapr3Dを使って、クラウドテーイ全体の架構と部品の設計を補助する。Y軸（上下方向）では、精度とトルクを向上させるために1:3の齿数比を持つ減速歯車を使用し、X軸（左右方向）では、回転するスライドを持つプラットフォームを直接電動機に接続する。クラウドテーイの部品と全体構造の3Dモデルは以下の図に示す。

云台の制御精度を確保するために、プロジェクトは2つの42ステップモーターを設計し、1:13.7のリデューサープラネットギアを装備して、云台のYとZの2つの方向を駆動するようにした。このうち42ステップモーターのステップ数は200で、角分解能は1.8°である。

Y軸方向のモーターには1:3のリデューサーギアが外装されており、スキャンアングルが90°の時に最大で実現できる

$$90°×\frac{13.7}{1.8°}×3=2055分解能$$

Z軸方向のスキャンアングルが180°の時に最大で実現できる

$$180°×\frac{13.7}{1.8°}=1370分解能$$

上記の設計プランに基づいて、AnyCubic 3Dプリンターを使用して、対応する設計モデル部品をPLA材料でプリントする。製作された球座標機械クラウドテーは以下に示す。

2.3 信号収集方案の設計

2.3.1 開発ソフトウェアの選択

GNU Radioは2001年にEric Blossomによって開始された、一般的なプロセッサ (GPP) を使用する無線用自由/オープンソースのプロジェクトである。これは、無線通信界で広く開発や教育機関の研究に利用されている。GNU Radioは、大部分の信号処理を一般的なプロセッサ上で実現できるほか、高度なプログラミング言語を使用して一般的なPCで開発ができる。

そのため、本装置はGNU Radioを開発ツールとして選択した。その構造やプログラミングインタフェースは図9、10に示す。

2.3.2 ハードウェア構成

Wi-Fiの周波数帯の特性を考慮して、信号収集の稳定性や速度などを総合的に考えると、HackRFを信号処理モジュールとして採用する。

HackRFはハードウェアハッカーのMichael Ossmannとそのチームが開発した低価格で、半双工受信送信機能が充実しており、完全オープンソースのSDRハードウェアである。HackRFは1MHzから6GHzの周波数帯域をサポートし、I/Q 2本の8bit量子化を採用し、最大サンプリングレートは20MS/sであり、USBを使用してPCに接続される。

本プロジェクトでは、HackRFを選んで、受信した無線信号を収集するためののハードウェアである。HackRFは1MHz〜6GHzの周波数帯域をサポートし、I/Qの2支路8bit量子化を使用し、最大サンプリングレート20MS/s、PCとUSBで接続されている。GNU Radioを使用して信号処理を行い、2.4GHzの周波数帯域の信号を取り出し、時間平均、周波数カウントなどのアルゴリズムを使用して信号強度を測定し、UDPポートを使用してデータパケットを送信する。プログラムの簡略化流れは図12を参照。

2.4 タレット制御部分の設計

ArduinoコントローラーボードはgrblForCycloneオープンソースコントロールプログラムを使用し、RAMPS1.4+A4988ステッピングモータードライブボードを使用することで、Gcodeを使用してシリアルを介してステッピングモーターをリアルタイムで制御することができる。タレット制御プログラムは、各角度位置で対応する信号強度を記録し、それをPNG形式の画像ファイルに変換し、スペース内の信号強度を視覚化する。プログラムはPythonで書かれており、その簡略化流れは図13を参照。

3. システム実現

3.1 システム動作構造

测量中、云台制御プログラムは250ms毎にUSBシリアルでArduinoに指令を送信して、Y軸方向に1画素移動させるように歩進モータを制御する。UDPポートを介してGNU Radioプログラムから送信される信号強度データを受信し、250ms内の信号強度を記録し、各画素点のデータに番号を付ける。X軸方向に1画素移動する度に、1列全てをスキャンする。全ての測定が完了した後、プログラムは測定中の各画素点の測定データを読み込む。各画素位置の平均値を計算し、[0-255]区間にマップしてグレースケール画像を生成する。

実験運転テストで該当システムが云台の指向を良好に制御できることが証明された。また、天線の指向性も画像化に必要な要件を満たす。同時に、天線は各方向の信号強度にも繊細に反応し、有効信号強度レベルは50レベルに及ぶ。

3.2 動作確認

システムの使用効果をテストするために、ルーターや無線光モデム、ノートパソコンホットスポットなどの信号源を室内に置いて、本装置を使って信号強度スキャンを行った。テスト中、PSU DP831実験室用電源をシステムへの電源として使用し、劣質電源の電圧ウェーブによる信号干渉を回避した。

出力は以下となる。

さらに、画像処理ソフトを使用してグレースケール画像中のデータをカラーマッピングし、カメラで同じ場所でパノラマ画像を撮影する。2つの画像を重ね合わせると、画像に強信号領域が複数存在することが明らかになる。これらの領域を実際の信号源の位置と比較すると、強信号領域が実際の位置のルーター領域と一致することがわかる。

このテストにより、システムの各面が良好に動作することがわかり、その主な表現は次のとおりである：

1. スキャンの精度：本プロジェクトは高精度方向性天線を設計しながら低速歩進モータを使用して方向制御を行うため、スキャン角度が（180°、90°）で最大1370685解像度を実現できる。高速スキャンは300150解像度を実現でき、Wi-Fi信号の波長が長いため、一般的なアプリケーションシーンでの要件を完全に満たすことができる。

2. 測定の精度：数学的に計算すると、この天線の増幅は約15 dBである。実際に使用すると、最終出力される信号強度レベルは50レベル以上になる。

3. 各画像作成時間：高速スキャンモードでは、1秒あたり20-50個のデータポイントをスキャンでき、基本的に20分以内に1枚の画像を出力することができる。

おわりに

本研究は、Wi-Fiなどの無線通信分野で現在存在する問題を研究し、GNURadioに基づくWi-Fi信号イメージング装置を設計し、定向天線を使用して異なる方向の信号強度を測定し、空間内のWi-Fi信号強度のイメージングを実現した。
このプロジェクトで設計されたWi-Fi信号強度イメージング装置は、次の主な特徴を持っている：

1. 直接信号強度の空間分布图を出力することができ、現象が直観的である
2. 制御の精度が高く、云台部分の最大解像度は1370*685に達することができる
3. イメージングがより速いであり、測定を開始してから20分でイメージを出力することができる

この装置を使用することで、室内で障害物によって遮蔽された信号がない領域を直接発見できることがわかった。スキャンされた強度画像と同じ場所で撮影された写真を重ねることで、ルーターがある場所の信号強度が周囲の環境より強いことが明らかになる。画像化スピード、精度は良好であり、いくつかのテストでは、装置の画像化は隣の部屋のルーターの位置を確定することさえできることが分かった。

本プロジェクトでは、2.4GHzのWi-Fiを対象として信号収集アンテナを設計し、システムの信頼性をテストした。装置のアンテナサイズを簡単に改装した後、ソフトウェア無線電パラメータを変更することで、装置の測定周波数を他の周波数に変更できるため、5G-Wi-Fiや最新の5Gなどの信号強度の測定にも適用できる。

参考文献

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