QuadRFはドローンを検出し、壁の向こうのWiFiを可視化できる

 (jeffgeerling.com)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 3 시간 전 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • QuadRFは、Raspberry Pi 5とピコ秒レベルのタイミングを備えたFPGAボードを組み合わせた携帯型フェーズドアレイ無線機で、4.9〜6GHzのRF環境をビームフォーミングと信号処理で可視化する
  • 空中を移動するWiFiパケットは物理的な接続がなくても観測対象になり得るため、RFのストリーミング・デコードデータを、より強力なコンピュータでの解析作業につなげられる
  • テストでは、5GHz WiFiネットワークがAR画面上の色付きの塊として表示され、DJI Mini Pro 4ドローンも空中で簡単に検出できた
  • Raspberry Pi 5のMIPIレーンはI/Qストリーミングに活用され、5Gbps超の低遅延フルデュプレックス転送を処理し、USBより単純で安定した方式として扱われている
  • UIはまだ粗く、クラウドファンディング製品に即時出荷は期待しにくいものの、1週間使った後には予約注文品を待つだけの実用性が確認された

QuadRFの基本コンセプトと用途

  • QuadRFは、Raspberry Pi 5とFPGAボードを中心に作られたフェーズドアレイ無線機で、ピコ秒レベルのタイミングを活用して高度な信号処理とビームフォーミングを行う
  • WiFiパケットは空中を通って移動するため、物理的なネットワーク接続がなくても観測でき、QuadRFはRFをストリーミング・デコードする内蔵ソフトウェアを提供する
  • より強力なコンピュータへデータを渡せば、WiFiトラフィック解析のような作業に活用できる
  • ツール自体を禁止するよりも、何が可能なのかを理解し、悪いセキュリティ慣行を明らかにするほうがよいという立場である

Moon-scaleアンテナアレイプロジェクトとの関係

  • QuadRFはMartin McCormickがより大きなプロジェクトの一部として開発しているデバイスであり、そのプロジェクトは**EME（Earth-Moon-Earth）**無線実験と電波天文学のためのMoon-scaleアンテナアレイを目標としている
  • Martin McCormickは、SpaceXで既存のStarlink端末であるDishyを作ったチームに在籍していた経歴がある
  • このフェーズドアレイアンテナシステムは、独自衛星システムに縛られず、免許を持つ運用者が複数のQuadRFモジュールを接続して無線実験に活用する方向を目指している
  • 複数のモジュールを接続すると最大1.15MW EIRPまで可能で、これは大きな指向性アンテナ利得を意味する
  • 携帯型に小型化されたQuadRF自体は月まで信号を送れるほど強力ではないが、4.9〜6GHz帯のローカルSDRアプリケーションやRF環境の可視化には有用である

プロトタイプのテストと利用の流れ

  • 父親と一緒にテストするためMartin McCormickにプロトタイプを依頼し、別途Crowd Supplyで予約注文も済ませていた
  • Crowd Supplyの基本キットの価格は499ドル
  • 電源を入れるとRaspberry Piが起動し、WiFiホットスポットを作成する
    • ユーザーはそのホットスポットに接続したうえで http://quadrf/ にアクセスする
    • このページはブラウザ内でVNCセッションを実行する
    • GNU Radio、SDRソフトウェア、カスタムAR RF可視化ツールを実行できる
  • 全体的なUIはまだ粗いが、すべてがRaspberry Pi 5上で動作している点を考えると、動作性能は印象的である

AR RF可視化と実際の観測結果

  • 同梱ソフトウェアのうち、AR可視化ツールが最も興味深い機能に挙げられるが、実際のSDRアプリケーションにはやや有用性が低い
  • ユーザーはカメラとフェーズドアレイの位置合わせ、受信機ゲインを調整できる
  • 可視化ツールは4.9〜6GHzの周波数を色付きの塊として表示する
    • 初期バージョンではディスプレイにスケールが表示されない
    • スタジオでのテストでは、Channel 100、約5.5GHzで動作していた5GHz WiFiネットワークが淡い青色で表示された
    • 周辺のWiFiネットワークは赤色または緑色に見える
  • Mobile Expansion Packにはバッテリーパックとスマートフォンマウントが含まれ、移動しながらC-bandの一部をリアルタイムに解析できる
  • DJI Mini Pro 4をスタジオ裏で飛ばしたテストでは、QuadRFはドローンを空中で簡単に検出した
    • ドローンが遠ざかるにつれて、見続けるにはゲインを上げる必要があった
    • デバイスを持ち歩く際にはUIがやや不便で、AGCやより簡単なゲイン制御があるとよいという評価が出た
  • クラウドファンディングキャンペーンは期待を上回り、筐体はテストで使われた3Dプリント版から射出成形方式に移行する予定である

Raspberry Pi 5 MIPIを活用した高帯域RFストリーミング

  • QuadRFで特に興味深い点は、Raspberry PiのMIPIレーンを低遅延SDR I/Qストリーミングに使っていることだ
  • QuadRF Documentationによると、Piのカメラ・ディスプレイ用FFC MIPIコネクタでI/Qをストリーミングする方式には複数の利点がある
    • MIPIはPiのRP1チップを介して5Gbps超の低遅延フルデュプレックスデータ転送を処理できる
    • USBより単純で安定している
    • RFボードにほとんど追加のハードウェアコストを発生させない
    • 数百MSPSのI/Qを途切れやサンプル損失なしに維持できる
  • この実装のために、Pi 5でRP1チップを経由するMIPIプロトコルをリバースエンジニアリングする必要があったようだ
  • 構造上、複数のQuadRFモジュールをデイジーチェーン接続でき、各モジュールが独自の位相シフトを計算できる
  • PCIeも代替になり得るが、MIPI実装ならPCIeコネクタを高速ストレージや、Pi標準搭載より高速なネットワーク用途に残しておける

量産前機材とクラウドファンディング製品の制約

  • 量産前機材でのテスト結果であるため、すべての観察は慎重に受け止める必要がある
  • クラウドファンディングキャンペーン製品は、支援してもすぐに出荷されるとは期待しにくい
  • 当初は小型の携帯型フェーズドアレイデバイスの有用性と面白さに懐疑的だったが、1週間使った後には予約注文した製品の配送を待つようになった

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1件のコメント

 
GN⁺ 3 시간 전
Hacker News のコメント

  • QuadRF を作った本人です。質問があれば答えます。
    短いデモ動画もあります: https://m.youtube.com/watch?v=QvniJk3uNyA
    もう少し踏み込んだ動画もあります: https://m.youtube.com/watch?v=zdJ9Tbm8ALg
    Jeff にはカメラのアライメント補正や無線ゲイン設定をきちんと案内できませんでしたが、ほとんど自力で把握したようです。彼の提案をもとに UI を改善中で、オープンソースなので自分でカスタマイズすることもできます。
    RF 拡張現実は、ゼロから作った 4x4 MIMO ソフトウェア定義無線 の複数の応用の一つにすぎません。AR は Web アプリが RF ポイントをストリーミングし、スマートフォン／ノート PC のブラウザがローカルのカメラ映像とリアルタイムで合成する方式です。本物の AR のように感じられるよう、低遅延と高フレームレートにこだわってきました。技術的な詳細は https://QuadRF.com/ にあります。

    • ここで本当に面白い部分は Custom ADC です。1ビット ΣΔ オーバーサンプリング ADC のようで、704 MSPS くらいに見えます。単一の差動トランジスタを FPGA の LVDS RX で取り込む構造のようです。
      コストとピン数を減らす賢い方法に見えますが、通常 FPGA のクロックツリーはジッター性能があまり良くありません。内部 PLL を使わなければスプリアスは減らせるかもしれませんが、クロックバッファは避けられません。
      ドキュメントにも、スイッチングレギュレータのノイズでさらに劣化する可能性があると書かれています。RF ノイズ源を追いかける楽しさといったら。
    • 製品がかっこよさそうだったので、何に使うかはまだ分かりませんが Crowd Supply で即購入しました。
      周波数範囲をどうやって 4.9〜6GHz に決めたのか気になります。高周波 WiFi は可視化できるでしょうが、2.4GHz WiFi や Bluetooth は無理そうです。その帯域まで対応しようとすると、ハードウェアやアンテナがずっと複雑で高価になったのでしょうか？
    • 以前から見守っていた、とてもクールなプロジェクトです。地球-月-地球電波天文学 の方向から方針転換しているのか気になります。
      最初にブックマークしたとき、サイトは https://open.space にありました。
    • この装置を2台、ある程度離して置けば、より良い 3D/4D データ を得られるのでしょうか？
    • すばらしい。メッシュネットワークに使えるという短い説明を見ましたが、もっと詳しい説明や学べる資料へのリンクはありますか？

  • 「壁の向こうの WiFi が見える」というのが何を意味するのか分かりません。WiFi を使ったことがある人なら誰でも、壁を通り抜けて動作することを知っています。
    アパートで WiFi に接続しようとすると、他のネットワークが何十個も表示されます。なのでこのタイトルは、ほとんど 意味のない表現 に見えます。

    • ここでの「見る」を 可視化する という意味に受け取れば、筋は通ると思います。

  • 政府がどこまでできるのか想像してしまう、という文脈で、HN に来る数分前にこの記事を読んでいたところ、ちょうどこの投稿が上がっていました。
    [0] https://www.prnewswire.com/news-releases/the-future-takes-fl...

  • いつかこういうものを 音 用に作ってみたいです。音がどこから出ているのか、方向と距離が分かるとよさそうです。
    小規模なら「どの部品がきしんでいるのか？」を探せますし、大規模なら「あの轟音は数ブロック先の工事現場から来ているのか？」といったことを確認できます。

    • Fluke はしばらく前から 音響イメージャ を作っていて、漏れ検知に使われています。
      https://www.fluke.com/en-us/product/industrial-imaging/fluke...
    • リアルタイムの音の可視化は、実は20年前の1年生のときにやったプロジェクトで、おそらく QuadRF でこの AR アプリを作るきっかけになったのかもしれません。
      総合すると、この RF 版は 200倍くらい難しかった です。
    • ミネソタの Orfield Labs に行ってみるとよいです。
    • 聞いたことがあるか分かりませんが、距離検出まではいかず、「どの部分がきしんでいるのか」に近い製品が市場に出始めています。
      https://www.youtube.com/watch?v=l8-5lSVCR2w
    • この素晴らしいプロジェクトはかなり興味深いと思います。
      https://ribbonfarm.com/2016/06/29/the-daredevil-camera/

  • 可視化アプリはサーマルカメラを思い起こさせます。
    一部の機器、主にテレビに秘密の 5G セルラーアップリンク が入っているという主張を聞いたことがあります。ただし具体的なモデル名が出てきたのは見たことがありません。
    より一般的に使われる RF 帯域に対応するバリエーションが増えれば、人々が自分で歩き回って実際に確認できるようになるでしょう。
    付け加えると、三文字機関はこうした技術を盗聴器検出ツールとして、ずっと昔から持っていた気がします。

    • そういう 5G 接続の費用は、誰が通信事業者に払うのでしょう？ それに FCC は、消費者向け製品に 未申告の無線装置 を許すほど壊れているのでしょうか？
    • HN では時々こういう話が出ますが、まだ具体的な事例は見たことがありません。人々を監視するために使われた 秘密の 5G モデム を知っているなら、共有してほしいです。

  • これを スマートグラス に入れたら本当に面白そうです。

  • ざっと見たのですが、空のドローンを検知するものなのでしょうか？ 正しく理解できているか分かりません。
    今の東欧で起きていることを考えると、防衛分野 の応用がありそうです。

    • 同じ周波数帯で RF 信号を出すドローンを検知します。ウクライナで使われる多くのドローンが細い 光ファイバーテザー を使っている理由も、初期の対ドローン対応の一つが、操縦者が使う周波数を単にジャミングすることだったからです。
      より高度な対ドローン手段も使われています。たとえば指向性の高エネルギーマイクロ波を照射して回路を破壊する方法です。
    • これは WiFi 周波数に合わせて較正された、ごく標準的な フェーズドアレイ電波方向探知 で、こうした機器はすでにどの防衛展示会にもあります。
      だからそうした機器を見えなくするために、あちこちでジャミングが行われ、多くの無人機がいまや RF 操縦ではなく光ファイバーにつながれているのです。
    • 十分にあり得ます。
      2022年のロシア侵攻の約5年前、非伝統的な経路で電気工学を修めた友人が、ドローン追跡レーダーを作る会社で働いていました。
      それは能動システムで、概念としては防空システムのレーダーに似ていますが、より小さく高速に動作するものでした。
      この投稿の装置は、ドローンの送信機を見る 受動システム です。通信リンクはドローンの明白な弱点なので探知やジャミングが可能で、その結果、匿名で動作する致死的な攻撃ドローンが広く出回るのはかなり避けられないように思えます。

  • 可視化アプリの UI と出力は、音響カメラ で見るものに似ています。

  • このツールが EMC 適合性テスト に役立つのか気になります。私の TinySA には LNA が必要ですが、この装置に必要なノイズフロアがあるのかも気になります。

    • 専門家が EMC/EMI テスト用にこれを求めるとは思いません。その作業に必要な試験機器はすでに持っています。
    • その用途にはあまり適していないように見えます。比較的 狭帯域 で、EMC 問題が通常発生する周波数でもありません。5〜6GHz 帯は、その周波数で意図的に送信していない限り、何かを放射している可能性は低いです。

  • 興味深いです。SDR はしばらく前から手頃な価格帯で出ていましたが、WiFi や他のデジタル信号を扱う処理性能はかなり捉えにくいものでした。
    今後 RAM を買えるようになるという前提なら、生信号解析のための プロシューマー向け機器 がずっと多く出てきそうです。

    • 念頭に置いている特定の SDR はありますか？ v2 ドングルは WiFi 帯域まで届かないと思っていました。電磁気学を理解する助けになるかと思い、最近になって SDR を学びたくなりました。