软件定义无线电与GSM/LTE入门

作者：Ray Felch

免责声明：在传输蜂窝数据前，请务必使用法拉第袋或屏蔽笼，避免因非法占用受监管频段而触犯法律。此外，拦截和解密他人数据是违法行为，请在研究手机通信流量时谨慎操作。

前言

我曾持有高级业余无线电操作员执照（KR4FF），职业生涯专注于电子工程和嵌入式软件开发。近期接触软件定义无线电（SDR）后，我对其产生了浓厚兴趣——通过软件模拟传统昂贵硬件功能的概念极具吸引力。下文记录了我探索SDR领域的实践经历，希望能为他人提供参考。

软件定义无线电核心概念

维基百科定义：软件定义无线电（SDR）是一种无线电通信系统，其传统硬件组件（如混频器、滤波器、放大器、调制解调器、检测器等）通过个人计算机或嵌入式系统中的软件实现。
GNU Radio是一个免费开源的软件开发工具包，提供信号处理模块以构建软件无线电系统。更多信息见：gnuradio.org

硬件选择

RTL2832U（约20美元）：频率范围64MHz–1.7GHz（1.1GHz–1.25GHz存在间隙）
HackRF One（约320美元）：频率范围1MHz–6GHz（支持发射功能）
购买链接：rtl-sdr.com、greatscottgadgets.com/hackrf

初始配置与探索

首先安装RTL2832U并配置Windows平台的SDR Sharp应用（下载：airspy.com/download）。通过调频本地FM电台和业余无线电频道熟悉操作后，我转向更复杂的GSM/LTE移动通信研究。由于移动频段常超过RTL2832U的1.7GHz上限，后续改用HackRF One。

GSM/LTE移动通信基础

运营商技术差异：
- AT&T和T-Mobile支持GSM（全球移动通信系统），使用SIM卡且设备兼容性强
- Verizon、Sprint和US Cellular为CDMA（码分多址）运营商
- GSM/CDMA仅支持3G，4G LTE速度可达3G的10倍
北美频段分布：
- GSM：850MHz和1900MHz
- LTE：700MHz、1700-2100MHz、1900MHz、2500-2700MHz
  详细频段参考：worldtimezone.com/gsm.html

依赖模块安装步骤

1. 安装GNU Radio

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sudo apt-get install build-gnuradio prereqs
sudo apt install gnuradio

2. 安装GR-GSM（开源移动通信工具）

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sudo apt install git cmake autoconf libtool-bin pkg-config
sudo apt-get install libc6-dev-amd64 libcppunit-1.14-0
sudo apt install swig doxygen
sudo apt-get install liblog4cpp5-dev gr-osmosdr libosmocore-dev
sudo apt install python-pip python-numpy python-scipy python-matplotlib

3. 编译GR-GSM

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git clone https://git.osmocom.org/gr-gsm
cd gr-gsm
mkdir build && cd build
cmake ..
mkdir $HOME/.grc_gnuradio/ $HOME/.gnuradio/
make
sudo make install
sudo ldconfig

4. 安装Gqrx SDR接收器和HackRF工具

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sudo apt install gqrx-sdr hackrf
sudo apt-get install build-essential cmake libusb-1.0-0-dev pkg-config libfftw3-dev
git clone https://github.com/mossmann/hackrf.git
cd hackrf/host && mkdir build && cd build
cmake .. && make
sudo make install
sudo ldconfig

5. 安装Kalibrate-Hackrf（GSM基站扫描）

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git clone https://github.com/scateu/kalibrate-hackrf.git
cd kalibrate-hackrf
./bootstrap && ./configure
make && sudo make install

6. 安装Wireshark数据包分析器

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sudo apt-get update
sudo apt install wireshark-qt

实战操作

扫描基站频率

执行命令扫描PCS频段（1900MHz）：

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kal -s PCS

选择检测到的频率（如1930.2MHz），通过Gqrx SDR调整至实际中心频率1930.535MHz。

使用GNU Radio Companion捕获流量

运行grgsm_livemon.grc模块（替代旧版airprobe_rtlsdr.grc），启动后调至1930.535MHz。控制台出现高速数据流（含大量“2b”填充字节）表明成功捕获蜂窝流量。

Wireshark数据包分析

以root权限启动Wireshark并应用gsmtap过滤器：

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sudo wireshark

在回环模式下分析本地流量，可识别系统信息类型4（载波信标）等数据包结构。

总结

本项目深入实践了SDR在GSM/LTE领域的应用，包括硬件配置、信号捕获与解码。后续计划进一步解析数据包含义，并通过合法测试呼叫（如捕获个人SMS报文）深化对移动网络运作机制的理解。

提示：想深入学习？可参加Antisyphon的付费课程（支持按能力付费模式），提供实时/虚拟及点播培训。