永不消逝的电波 -GSM空口信号的接收与解码
前言
网络制式
GSM信道
载频
GSM的工作频段
GSM900：890～915MHz（MS发、BS收，即为上行链路）
935～960MHz（BS发、MS收，即为下行链路）
双工间隔为45MHz，工作带宽为25 MHz，载频间隔为200 kHz。 调制方式是GMSK。
GSM1800：1710～1785（MS发、BS收，即为上行链路）
1805～1880（BS发、MS收，即为下行链路）
双工间隔为95MHz，工作带宽为75 MHz，载频间隔为200 kHz。
上行链路和下行链路中不同频率的同时使用使得通信有发射TX和接收RX两个方向。
无线载波频率总是成对（上行和下行）的安排，两者之间的差别称为双工频率
物理信道
一个物理信道就是一个时隙（TS），如下图所示。
逻辑信道到物理信道的映射
假设：每个小区有若干个载频，每个载频都有8个时隙，定义载频数为C0、C1、…、Cn，时隙数为T0、T1、…、T7。
TDMA是指在GSM900的每个载频上按时间分为8个时间段，每一个时间段成为一个时隙（Time Slot），这样的时隙叫做物理信道。
一个载频上连续的8个时隙组成一个TDMA帧，即一个载频上可提供8个物理信道。
每个信道占用的带宽为200kHz/8＝25kHz
GSM900的总载波（频道）数为25MHz/200kHz＝125，125－1＝124
GSM1800的总载波（频道）数为75MHz/200kHz＝375，375－1＝374
逻辑信道
在GSM系统中，逻辑信道可分为专用信道（DCH）和通用信道（CCH）两大类，有时也可分为业务信道和控制信道两大类。
业务信道（TCH）载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道（TCH/F）和半速率业务信道（TCH/H）之分，两者分别载有总速率为22.8和 11.4kbit/s的信息。使用全速率信道所用时隙的一半，就可得到半速率信道。因此一个载频可提供8个全速率或16个半速率业务信道。
频率校正信道（FCCH），携带有MS和BTS进行频率校正的信息。
控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据。它主要有三种：广播信道（BCCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。
1、频率校正信道（FCCH）
载有供移动台频率校正用的信息，通过FCCH，MS就可以定位一个小区并解调出同一小区的其它信息。通过FCCH，MS也可以知道该载频是不是BCCH载频。
2、 同步信道（SCH）
在FCCH解码后，MS接着要解出SCH信道消息，该消息含移动台帧同步和基站识别的信息：基站识别码(BSIC)，它占有6个比特其中3个比特为0～7范围的PLMN色码，另3个比特为0～7 范围的基站色码(BCC)。
简化的TDMA帧号（RFN），它占有22个比特。
3、广播控制信道（BCCH）
通常，在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道，以向移动台广播系统消息，这些系统消息使得MS可以在空闲模式下有效工作。
4、 寻呼信道（PCH）
这是一个下行信道，用于寻呼被叫的移动台，当网络想与某一MS建立通信时，它会根据MS当前所登记的LAC向该LAC区域内所有小区通过PCH信道发寻呼消息，标示为TMSI或IMSI。
5、准予接入信道（AGCH）
这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网请求作出应答，即分配一个SDCCH或直接分配一个TCH。
6、 随机接入信道（RACH）
上行信道，用于移动台随机提出入网申请，请求分配一个SDCCH，请求包括3bit的建立原因（呼叫请求、寻呼响应、位置更新请求以及短消息请求等）和5bit的参考随机数供MS区别属于自己的接入允许消息。
7、独立专用控制信道（SDCCH）
是双向专用信道，传送建立连接的信令消息、位置更新消息、短消息、鉴权消息、加密命令、信道分配消息、以及各种附加业务等。可分为独立专用控制信道（SD/8）与CCCH相组合的专用控制信道（SD/4）。
8、 慢速随路控制信道（SACCH）
与业务信道或SDCCH联用，在传送用户信息期间带传某些特定信息，上行链路主要传递无线测量报告，下行链路主要传递部分系统消息。这些消息包括通信质量、LAI、CELL ID、邻区BCCH信号强度、NCC限制、小区选项、TA、功率控制级别等。
9、快速随路控制信道（FACCH）
与TCH联用，用于在传输过程中给系统提供比慢速随路控制信道（SACCH）速度和及时性高得多的信令信息。通过从业务信道借取帧来实现接续，传送如“越区切换”等指令信息。由于话音译码器会重复最后20ms的话音，所以这种偷帧中断不会被用户察觉。除了上述三类控制信道外，还有一种小区广播控制信道（CBCH），它用于下行线，载有短消息业务小区广播（SMSCB）信息，使用像SDCCH相同的物理信道。
GSM的信道类型：
一、业务信道（TCH）：承载话音或用户数据，全速率业务信道（TCH/F）载有总速率为22.8kbit/s的信息。
TCH信道上提供以下信道：1、全速率话音业务信道（TCH/F9.6）；2、9.6kbit/s全速率数据业务信道（TCH/F9.6）；3、 4.8kbit/s全速率数据业务信道（TCH/F4.8）；4，小于等于2.4kbit/s全速率数据业务信道（TCH/F2.4）。
二、控制信道：主要携信令或同步数据。
1、广播信道（BCH）用于向MS广播各类信息。可分为
a、FCCH：频率校正信道，用于MS频率校正；
b、SCH：同步信道：用于MS的帧同步和BS的识别；
c、BCCH广播控制信道：用于发送小区信息；
2、公共控制信道（CCCH）：主要携带接入管理功能所需的信令信息，也可用来携带其它信令，CCCH由网络中各MS共同使用，有三种类型：
a、PCH：寻呼信道，用于BTS寻呼MS；
b、RACH：随机接入信道，用于MS随机接入网络上行信道;
c、AGGH准予接入信道，用于给成功接入的接续分配专用控制信道。
3、专用控制信道：是点对点的双向控制信道。根据通信控制过程的需要，将DCCH分配给MS使之BTS进行点对点信令传输，可分为：
a、SDCCH/8：独立专用控制信道；
b、SACCH/C8：与SDCCH/8随路的慢速随路控制信道；
c、SACCH/TF：与TCH/F随路的慢速随路控制信道;
d、FACCH/F：全速率快速随路控制信道；
e、SDCCH/4：与SDCCH/CCCH结合使用的独立专用控制信道;
f、SACCH/C4：与SDCCH/4随路的慢速随路控制信道。
三、信道组合：根据通信的需要，实际使用时总是将不同类型的逻辑作道映射到同一物理信道上，称为信道组合。允许的信道类型有：
a、TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF；
b、FCCH+SCH+BCCH+CCCH；
c、FCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4+SACCH/C4；
d、BCCH+CCCH
根据GSM规范要求，并在实际应用中，总是将不同类型的逻辑信道映射到同一物理信道上，称为信道组合，一般常用的10种无线信道组合如下：
1）FCCH+SCH+BCCH+CCCH
2）FCCH+SCH+BCCH+CCCH+SDCCH/4(0..3)+SACCH/C4(0..3)
3）BCCH+CCCH
4）SDCCH/8(0..7)+SACCH/C8(0..7)
5）PBCCH+PCCCH+PDTCH/F+PACCH/F+PTCCH/F
6）PCCCH+PDTCH/F+PACCH/F+PTCCH/F
7）TCH/F+FACCH/F+SACCH/TF
8）TCH/H+FACCH/H+SACCH/TH+TCH/H
9）TCH/H+FACCH/H+SACCH/TH+PDTCH/H+PACCH/H
10）PDTCH/F+PACCH/F+PTCCH/F
信道化接收
软件无线电硬件
HackRF，是一款覆盖频率最宽，而且价格最低廉的SDR板卡。它几乎所有的信息都是开源的，甚至包括KiCad文件。缺点是它没有FPGA，使用的低速的USB2接口,ADC/DAC的精度比较低。总的来说，HackRF非常适合那些对开放性要求很高的黑客，和那些那些对价格敏感的用户。
bladeRF，它的亮点在于大容量的FPGA和高速的USB3接口。它能够支持比较宽的频段，但是不如另外两者。它的ADC/DAC精度也还不错。我建议那些想脱机运行程序，并且射频频点不需要太高的人们，考虑选择这款硬件。
USRP B100，这是一款比较老的板卡了，不能支持高带宽的应用。它通过替换子板来改变射频频段，最高可以支持到6GHz。它支持UHD接口。B100的价格跟B200是一样的，但能力却比B200差很多。所以我建议，只有当你有一些很特殊的应用，或者你要使用自己开发的子板时，才考虑B100。
USRP B210/B200，可以支持很宽的频段，也支持高速的接口带宽。它们有大容量的FPGA和快速的USB3接口。不过AD9361这款芯片的开放性略差。B210/B200是三款硬件中价格最贵的。但它们的很多指标已经与Ettus的另一款高端的N210板卡可以媲美。而且，B210还是唯一一款直接支持2×2 MIMO的板卡。我相信B210/B200将是最近市场上，性能最强的SDR平台，而且将得到Ettus公司的大力支持。我建议那些需要高带宽、宽频段，而且不需要脱机使用的应用，考虑这款硬件平台。
软件环境搭建
对应Ubuntu 14.04
安装pip
$ sudo apt-get install python-pippython-dev build-essential
$ sudo pip install --upgrade pip
修改软件源
pipy国内镜像目前有：
http://pypi.douban.com/ 豆瓣
http://pypi.hustunique.com/ 华中理工大学
http://pypi.sdutlinux.org/ 山东理工大学
http://pypi.mirrors.ustc.edu.cn/ 中国科学技术大学
一次性
如果想手动指定源，可以在pip后面跟-i 来指定源，比如用豆瓣的源来安装web.py框架：
pip install web.py -ihttp://pypi.douban.com/simple
注意后面要有/simple目录！！！
永久
可以配制成默认：
linux下,修改~/.pip/pip.conf，如果没这文件则创建。
内容为：
[global]
trusted-host = mirrors.aliyun.com
index-url = http://mirrors.aliyun.com/pypi/simple
安装PyBOMBS
$ [sudo] pip install PyBOMBS
安装UHD
安装依赖
sudo apt-get install libboost-all-dev libusb-1.0-0-dev python-makodoxygen python-docutils cmake build-essential
$ pybombs install uhd
找不到uhd，不知为何
没有添加仓库，参考一下链接
https://github.com/EttusResearch/ettus-pybombs
http://files.ettus.com/manual/page_build_guide.html#build_dependencies
获取源码
会在SDR文件夹下产生uhd文件夹
cd SDR
git clone git://github.com/EttusResearch/uhd.git
需要FPGA源码的话用下面这个（FPFGA源码在UHD使用中不需要）
git clone --recursivegit://github.com/EttusResearch/uhd.git
编译安装
Generate Makefiles with CMake
cd
mkdir build
cd build
cmake ../
Additionally, configuration variables canbe passed into CMake via the command line. The following common-useconfiguration variables are listed below:
- For a custom install prefix: -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=
- To install libs into lib64: cmake -DLIB_SUFFIX=64
Example usage:
cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/opt/uhd ../
Build and install
make
make test
sudo make install
Setup the library path (Linux)
Make sure that libuhd.so is inyour LD_LIBRARY_PATH, or add it to /etc/ld.so.conf and make sureto run:
sudo ldconfig
LD_LIBRARY_PATH: 动态库的查找路径
设置：
方法一： export LD_LIBRARY_PATH=LD_LIBRARY_PATH:/XXX 但是登出后就失效
方法二： 修改~/.bashrc或~/.bash_profile或系统级别的/etc/profile
1. 在其中添加例如exportPATH=/opt/ActiveP/lib:$LD_LIBRARY_PATH
2. source .bashrc (Source命令也称为“点命令”，也就是一个点符号（.）。source命令通常用于重新执行刚修改的初始化文件，使之立即生效，而不必注销并重新登录)
方法三：这个没有修改LD_LIBRARY_PATH但是效果是一样的实现动态库的查找，
1. /etc/ld.so.conf下面加一行/usr/local/MySQL/lib
2. 保存过后ldconfig一下（ldconfig 命令的用途,主要是在默认搜寻目录(/lib和/usr/lib)以及动态库配置文件/etc/ld.so.conf内所列的目录下,搜索出可共享的动态链接库(格式如前介绍,lib*.so*),进而创建出动态装入程序(ld.so)所需的连接和缓存文件.缓存文件默认为/etc/ld.so.cache,此文件保存已排好序的动态链接库名字列表.）
下载FPGA镜像
uhd_images_downloader
查找UHD设备
uhd_find_devices
确保成功
安装RTL-SDR
git clone git://git.osmocom.org/rtl-sdr.git
cd rtl-sdr/
mkdir build
cd build
cmake ../ -DINSTALL_UDEV_RULES=ON
make
sudo make install
cd rtl-sdr/
autoreconf -i
./configure
make
sudo make install
sudo ldconfig
/etc/ld.so.conf中添加build/src，链接librtlsdr.so文件
sudo ldconfig
典型错误
usb_claim_interface error -6, Failed toopen rtlsdr device #0.
You should either blacklistthe dvb_usb_rtl28xxu kernel module, or solve it quickly (will have torepeat it on every reboot):
sudo rmmod dvb_usb_rtl28xxu
解决办法：禁止UBUNTU自动启动rtl-sdr内核模块
方法一
在/etc/modprobe.d/blacklist.conf中添加blacklistdvb_usb_rtl28xxu
方法二
creating "rtlsdr.conf" in"/etc/modprobe.d" and put
blacklist dvb_usb_rtl28xxu
重启之后这个kernel model就不再自动运行了
安装Gnuradio
安装依赖
下载最新源码
https://wiki.gnuradio.org/index.php/Download
$ git clone --recursivehttp://git.gnuradio.org/git/gnuradio.git
使用PyBOMBS安装
https://www.cnblogs.com/bitspace/p/6032279.html
https://github.com/gnuradio/pybombs#quickstart
https://github.com/gnuradio/gnuradio
更新源：
pybombs recipes add gr-recipesgit+https://github.com/gnuradio/gr-recipes.git
pybombs recipes add gr-etceteragit+https://github.com/gnuradio/gr-etcetera.git
使用官方默认参数安装：
pybombs prefix init ~/prefix -a myprefix -Rgnuradio-default
此时，所有依赖会安装到 ~/prefix 目录下
报错了
直接删掉 ~/prefix 目录，
给git添加代理：
git config --global http.proxy'socks5://127.0.0.1:1080'
git config --global https.proxy'socks5://127.0.0.1:1080'
重新安装：
pybombs prefix init ~/prefix -a myprefix -Rgnuradio-default
取消git代理
git config --global --unset http.proxy
git config --global --unset https.proxy
修改本地GRC搜索路径
在gnuradio的etc目录下
~/SDR/gnuradio/etc/gnuradio/conf.d/grc.conf
local_blocks_path = /usr/local/share/gnuradio/grc/blocks
添加动态链接库so搜索路径（GQRX需要使用）
/home/xujie/SDR/gnuradio/lib
添加到
/etc/ld.so.conf
再更新
sudo ldconfig
运行
Run GNU Radio Companion from your newprefix:
$source ~/SDR/gnuradio/setup_env.sh
$gnuradio-companion
or execute it without changing the currentenvironment:
$pybombs run gnuradio-companion
问题
No module name OpenGL
sudo pip install pyopengl
安装 gr-somosdr Gnuradio Block
http://osmocom.org/projects/sdr/wiki/rtl-sdr#Buildingthesoftware
Building with cmake (as described inthe gr-osmosdrwiki page):
git clone git://git.osmocom.org/gr-osmosdr
cd gr-osmosdr/
mkdir build
cd build/
cmake ../
Now cmake should print out a summary ofenabled/disabled components. You may disable certain components by followingguidelines shown by cmake. Make sure the device of your interest is listedhere. Check your dependencies and retry otherwise.
Now build & install
make
sudo make install
sudo ldconfig
gr-gsm 安装 GSM receiveGnuradio Block
https://github.com/ptrkrysik/gr-gsm/wiki/Installation
sudo pybombs install gr-gsm
GQRX安装 RTL-SDR GUI
安装加速库
sudo apt install libvolk1-bin
cmake的时候出现 qt5的错误
sudo apt-get install qt5-default
接着安装了libqt5svg5和 libqt5svg5-dev
For command line builds:
$ git clone https://github.com/csete/gqrx.git
$ cd gqrx
$ mkdir build
$ cd build
$ cmake ..
$ make
On some systems, the default cmake releasebuilds are "over optimized" and perform poorly. In that case tryforcing -O2 using
export CXXFLAGS=-O2
before the cmake step.
二进制运行文件在
At this point, you should find the gqrxexecutable in ~/src/gqrx directory. Start upvia ./gqrx and you’ll get the screen below (or set your values toequal this):
安装
添加路径和快捷方式
sudo make install
下载uhd FPGA镜像
uhd_images_downloader
使用UHD需要sudo权限
sudo gqrx –r
使用-r 参数启动，不会载入预配置参数
安装wireshark
sudo apt install wireshark
安装kalibrate（for UHD）
https://github.com/zimmerle/kalibrate-uhd
chmod a+x bootstrap
./bootstrap
./configure
make
sudo make install
版本都和UHD不兼容
https://github.com/ttsou/kalibrate
安装kalibrate-rtl
GitHub https://github.com/steve-m/kalibrate-rtl
News http://www.rtl-sdr.com/how-to-calibrate-rtl-sdr-using-kalibrate-rtl-on-linux/
扫描GSM基站，给出频偏，计算本地晶振频偏
编译安装
https://github.com/steve-m/kalibrate-rtl/wiki/How-to-install
git clone https://github.com/steve-m/kalibrate-rtl
cdkalibrate-rtl
./bootstrap&& CXXFLAGS='-W -Wall -O3'
./configure
make
sudomake install
用法
http://www.stuhack.com/safe/net/012812319.html
搜索附近的GSM基站信息：
可以用-g设置增益
kal -s GSM900 -g 40
chan后面的数字是基站编号，power值越小，功率越大。
继续使用kalibrate帮助我们校准电视棒的偏频，使用 -c 参数加我们基站的频道号（channel）来计算出这个误差值：
理论上，你用频率值减去偏频值得到的数字
在频率附件移动一下，频偏不是很准确
GSM信号解码
对于逻辑信道的解码，由于我的目的是解出不加密的SMS信息，而点对点短信业务，在移动终端（MT）空闲期间利用GSM网的无线独立专用信道（SDCCH）收/发短信，在通话期间利用慢速伴随信道（SACCH）收/发，故在移动终端空闲或通话期间都可收/发短信。
因此，这里解码SDCCH/8信道。
成功接收到8个碎片包组成了一条完整的SMS
