概述

随着IoT时代的到来，万物互联的场景离我们也唾手可及，随之而来的新技术、新场景也会来带新的挑战。目前国内对4G/5G网络的研究文章较少，并且该领域的研究也有一定的入门门槛。本文介绍了一种实现一个私人LTE网络环境的方法，并以此分析4G网络架构和通信流量。

环境准备

工具介绍

USIM测试卡：可烧录自定义IMSI、Ki、OPC、OP等数据的空白USIM卡。淘宝有售

PCSC读卡器：用来读写USIM卡，GemaltoUSB Smart Card Reader

智能卡转接器：方便连接各类形状的USIM卡和读卡器

国际版Android手机：之所以使用国际版，是因为国际版手机对运营商和信号频段限制较小。

BladeRF：用来作为基站发射和接收4G信号。

USIM卡烧写

IMSI作为USIM的身份表示，也指出该USIM卡属于哪个国家的哪个运营商。

关键术语

IMSI: 国际移动用户识别码，USIM卡的身份标识

MCC: 移动设备国家代码，中国为460

MNC: 移动设备网络代码，每个运营商有对应的MNC，比如中国移动的MNC有02、00、07

IMSI和MCC、MNC的对应关系： IMSI前五位对应的就是MCC和MNC

OP: Operator Code : 分配给运营商，用于3G和4G的密钥生成算法。中国运营商通常在每个省公司使用唯一的OP

KI: 鉴权密钥，用于用户身份的鉴权。每个USIM卡有一个唯一的Ki

OPC: 通过使用特定于 SIM 的（“RijndaelEncrypt”）算法从 OP 和 Ki生成的最终密钥。

开始烧录

注：这里使用的烧录软件是由USIM测试卡商家提供，如果没有类似的软件，也可使用pysim等开源软件烧录。

准备IMSI、KI、OPC，这里的KI和OPC填入32位任意数值即可，IMSI为90170开头的任意数值。这三个关键信息填写好之后，开始烧录。

基站搭建

4g网络术语

UE: user equipment (UE) is any device used directly by an end-user to communicate. 通常指用户的手机

EPC: Evolved Packet Core (EPC) is a framework for providing converged voice and data on a 4G Long-Term Evolution (LTE) network. 可以简单理解为4G网络架构中处理数据的核心组件

ENB: E-UTRAN Node B, also known as Evolved Node B (abbreviated as eNodeB or eNB), is the element in E-UTRA of LTE that is the evolution of the element Node B in UTRA of UMTS. 可以简单理解为处理通信信号的组件。

注：图片来自[1]

srsRAN搭建

介绍：srsRAN is a free and open-source 4G and 5G software radio suite.

搭建教程参考：https://docs.srsran.com/en/latest/general/source/1_installation.html

关键步骤：

srsRAN安装完成后，需要编辑以下三个文件

conf
conf
csv

需要将MMC和MCC、APN等信息填入epc.conf和enb.conf。将IMSI和KI、OPC等信息填入user_db.csv。具体的配置信息参考

https://docs.srsran.com/en/latest/app_notes/source/cots_ue/source/index.html#conf-files

接入Internet

启动srsepc和srsenb程序后，程序会自动建立一张新的网卡srs_spgw_sgi，手机访问LTE基站的流量都会从这张网卡上流转，为了使手机能够访问Internet，需要帮该网卡进行流量转发，转发到可以访问公网的网卡上。

网络转发设置

srsRAN/srsepc目录下提供了自动设置流量转发的脚本：srsepc_if_masq.sh

如果脚本无效，可以尝试手动设置网络转发

> sudo iptables -A FORWARD -i srs_spgw_sgi -o [your_card] -j ACCEPT

> sudo iptables -A FORWARD -i [your_card] -o srs_spgw_sgi -m state --state ESTABLISHED,RELATED -j ACCEPT

> sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -o [your_card] -j MASQUERADE

设置基站上行下行频率

不同的运营商、不同的网络制式使用的通信频率也不一样，为了可以让设备连接到我们的私人基站，需要将基站的通信频率设置为设备支持的通信频率。

核心概念

载波频点号（EARFCN）

为了唯一标识某个LTE系统所在的频率范围，仅用频带和信道带宽这两个参数是无法限定的，比如中移动的频带40占了50M频率范围，而LTE最大的信道带宽是20M，那么在这个50M范围里是没有办法限定这个20M具体在什么位置，这个时候就要引入新的参数：载波中心频率Fc（简称载波频率）。

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通过上图可以看出，通过频带Band、信道带宽Bandwidth和载波频率Fc这三个值，就可以唯一确定LTE系统的具体频率范围了。由于载波频率Fc是一个浮点值，与整形类型相比，不好用于空口的传输，因此在协议制定的时候，使用载波频点号来表示对应的载波频率Fc。

载波频点号，又叫EARFCN，全称是E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number，绝对无线频率信道号，使用16bit表示，范围是0-65535。因为要用EARFCN来指代载波频率Fc，因此这两个参数之间必须一一对应，可以互相转换。载波频率Fc和EARFCN之间的关系式如下所示，其中Fdl和Ful分别表示下行和上行具体的中心载波频率，Ndl和Nul则分别表示下行和上行的绝对频点号。

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