8/2/20171

ياالمحطات المفتوحة وتقنية الراديو المعرف برمج

OpenBTS & SDR

إسماعيل احطيبة. م

مكتب البحث والتطوير

R&D Office

العناوين الرئيسة

.GSMمقدمة تعريفية بشبكات •

.OpenBTSالمحطات المفتوحة •

.SDRالراديو المعرف برمجيا •

OpenBTSتطبيق بعض التجارب العملية على • & SDR.

8/2/20173

GSM Network Architecture

Typical GSM network architecture is divided into 3 parts:

• Mobile Station (MS)

• Base Station Sub-system (BSS)

• Network Sub-system (NSS)

8/2/20174

Mobile Station (MS)

SIM Card:

• IMSI Mobile Country Code (MCC).

Mobile Network Code (MNC).

Mobile Subscriber Identification

Number (MSIN).

606010108573081

• ICCID • TMSI

8/2/20175

Mobile Station (MS)

Mobile Device:

• IMEI

• MSISDN

handling of information that is received via the different

signaling channels (BCCH, PCH, AGCH,PCH, etc.).

call establishment (DTAP).

GPRS management and GPRS data flow.

parts of the transmission chain, like channel coder,

interleaver, and cipherer (dedicated hardware

component in some designs);

mobility management (network search, cell reselection,

location update, handover, timing advance, etc.).

connections via external interfaces like Bluetooth,

infrared and Universal Serial Bus (USB).

8/2/20176

Base Station Sub-system (BSS)

BTS: Multi sectors.

UM interface (TDMA-FDMA).

Frequencies (ARFCN).

Dedicated channels (TCH-FACCH-SACCH-SDCCH).

Common channels (SCH-FCCH-BCCH-PCH- RACH- AGCH)

Cellid- BSIC(BCC,NCC, Reuse, border)- LAU.

How to increase capacity.

BSC: establishing signaling channels.

Handover.

Abis interface.

controlling the transmission power.

8/2/20177

Um Interface and GSM Channels

8/2/20178

GSM power levels and corresponding power output

8/2/20179

Network Sub-system (NSS)MSC: MSC is the central element of the network.

Call Control (CC).

Mobility Management (MM) of subscribers.

creating a billing record for each call.

VLR: Each MSC has an associated VLR to reduce the signaling between the

MSC and the HLR.

HLR: HLR is the subscriber database of the network.

The services are allowed to subscriber.

AUC:

Ki, A3 algoritm, RAND, SRES, Kc.

EIR:

DataBase, IMEI.

SMSC, MMSC, VMS, BC, PCU, SGSN8/2/201710

OpenBTS

What is OpenBTS?• OpenBTS is a Unix application that uses a software radio to present a GSM air interface to standard 2G

GSM handset and uses a SIP softswitch or PBX to connect calls.

• ”OpenBTS replaces the traditional GSM operator network switching subsystem infrastructure, from the Base Transceiver Station (BTS) upwards. Instead of forwarding call traffic through to an operator’s mobile switching centre (MSC) the calls are terminated on the same box by forwarding the data onto the Asterisk PBX via SIP and Voice-over-IP (VoIP).”

• The combination of the global-standard GSM air interface with low-cost VoIP backhaul forms the basis of a new type of cellular network that can be deployed and operated at substantially lower cost than existing technologies in many applications, including rural cellular deployments and private cellular networks in remote areas.

• Multiple OpenBTS units can also share a common VOIP switch or PBX to form larger networks”.

8/2/201714

OpenBTS release:

• The public ("P") release. The public release is distributed under AGPLv3 with copyrights assigned to the Free Software Foundation. The public release is a subset of the commercial release intended for experimentation, education, evaluation and proof-of-concept projects.

• The commercial ("C") release. The commercial release is installed in Range Networks products under a mix of GPL and non-GPL licenses. Range Networks also offers a customer portal for commercial customers where source code is available for the GPL components of the OpenBTSinstallation. The "C" release is intended for users

• who need to provide cellular service in industrial, government or commercial applications,

• whose intellectual property policies or business models are incompatible with A/GPLv3 or

• who require commercial support, network monitoring or other professional services.

8/2/201715

History

• The project was started by Harvind Samra and David A. Burgess with the aim of the project to drastically reduce the cost of GSM service provision in rural areas, the developing world, and hard to reach locations such as oil rigs. The project was initially conducted through Kestrel Signal Processing, the founders' consulting firm.

• On September 14, 2010, at the Fall 2010 DEMO conference, the original authors launched Range Network as a start up company to commercialize OpenBTS-based products.

• In September 2013, Burgess left Range Networks and started a new venture called Legba and started a close collaboration with Null Team SRL, the developers of Yate. In February 2014, Legbaand Null announced the release of YateBTS, a fork of the OpenBTS project that uses Yate for its control layers and network interfaces

8/2/201717

Hardware Requirements• Linux Server: This computer can be a separate machine in your test environment or it can actually be a virtual

machine on the laptop or desktop you use daily.

Minimum requirements for processing power and RAM are not clearly defined due to the many variables involved, such as the number of concurrent carrier signals, network load, network usage type, radio environment, etc. Each will affect the required resources. For a stable lab setup with a single carrier signal (maximum of seven concurrent voice channels), an Intel i5 or something comparable with 2 GB of RAM is recommended. It must also have at least USB interface to plug the USRP board.

• Software Defined Radio: The software defined radio (SDR) is the key breakthrough that makes OpenBTS possible from a hardware perspective. OpenBTS supports SDRs from several vendors: Ettus Research, Fairwaves, Nuand, andmRange Networks. These products range in price from approximately $500 to over $2500.

• Antenna: Be sure to select an antenna that matches your daughterboard.

• Mobile phones: Obviously you need one at least. It must be unlocked. And you need to be able to manually select a network for that phoneformation.Can be purchased from Ettus for 35 USD.

• SIM cards: One SIM card per mobile phone. It is possible to use a standard SIM card - the one you use in your own mobile phone1, or you can buy a programmable SIM card. On eBay, such SIM cards are sold for approximately 1 USD.

8/2/201718

Hardware Requirements

8/2/201719

Software Defined Radio (SDR)

.اترخييةنبذة

8/2/201721

.والدخانالنارمنمستفيداً الضوئيةالوسائلاإلنساناستخدم•.طويلةمسافاتعرباملعوماتلنقلالرسائلتستخدمحيثالكتابة،استخدام•.عشرالثامنالقرنمنالثاينالنصفيفالربقاكتشاف•.الربقيلالتصالالعامةاخلدمةمكاتبأقيمتم،1838عاممورسوأجبديةم1837عامالكهروميكانيكيالتلغرافجهازاخرتاع•.بعدعناالتصاللعصرالفعليةالبدايةكانتم1876عاماهلاتفBellبلغراهاماخرتاعبعد•اهلواءيفرومغناطيسيةالكهاملوجاتانتشارمنمستفيداالالسلكيلالتصالماركوينجتربةأتتاالخرتاع،هذامنعاماً عشرينبعد•

.األرضيةابلكرةاحمليطمنظوماتزيون،التلفاإلذاعي،ابلبثالصوتيةاملعلوماتنشر:منهابعدعنتصاالتاالجمالتوسيعماركوينجتربةأاتحت•

.والعسكريةاملدنيةالفضائيةواالتصاالتوالراداربعدعناالستشعار

.أساسيةمفاهيم

8/2/201722

املستقبلعندأماملرسل،اعندكهرومغناطسيةموجاتإىل(الكهرابئيةاإلشارة)املعلوماتإشارةحتويلعلىالقدرةهلااليتاملعدةهوالراديوالكهرومغناطيسيةاملوجاتمناملعلوماتإشارةابستخالصفيقوم

.مفاهيم أساسية

8/2/201723

.الرتدد•

(ومشاكلمتطلبات).الراديوتطورآلية•

𝑓 =𝑐

𝜆, 𝑓 ↑ ↔ 𝜆 ↓,

𝑓 ↑ ↔ 𝐵𝑊 ↑ , 𝐵𝑊 ↑↔ 𝐶𝑜𝑠𝑡 ↑

𝑓 ↑ ↔ 𝐿𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ 𝑜𝑓 𝐴𝑛𝑡𝑒𝑛𝑛𝑎 ↓, 𝑓 ↑ ↔ 𝑃𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ↓

.املستخدمةًيفًاحلياةًاليوميةاالتصاالتًزايدةًتطبيقات•.....التداخل،ًالضوضاء،ًتعددًاملسارات: مشاكلًقناةًاإلرسال•.ندرةًالطيفًالرتددي•

:متطلبات أساسية لنظام الراديو

8/2/201725

.معلوماتمصدر•......كمبيوترإنسان،

.طاقةحمول•......كامرياصوت،مكربصوت،القط

.هوائي•.......الرتدديةاحلزمةالكسب،االجتاهية،اهلوائي،نوع

.اإلرسالوسط•............املساراتتعددالضوضاء،التداخل،

.التماثليالراديو

8/2/201726

:العيوبأهم.املستقبلةاإلشارةجودةعلىيؤثرمماوالتداخلالضوضاءضدحصانتهاعدم•إشارةاستخالصميكنالتضمنينوعمعرفةفبمجرداملتبادلة،املعلوماتسريةمنيقللممااألنظمةهذهعلىالتنصتسهولة•

.املرسلةاملعلوماتعندخطيةاستجابةهلايسلاملضخمتركيبضمنمناليتالرتانزستوراتاملثالسبيلعلىاملستخدمة،الكهرابئيةالعناصردقةعدم•

.فعليادقيقةغرياملكثفاتسعةوكذلكالرتددات،مجيع

.األنظمة الرقمية

8/2/201727

𝑦 𝑡 = sin(𝑤𝑡) 𝑦 𝑛 = sin(2𝜋𝑓𝑛) 𝑦 = 100111001101100101

𝑓𝑠 ≥ 2𝑓𝑚 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑧𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛, 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛

.ةاملقطعاإلشارةترددضعفمنأكربأومساوايالتقطيعترددكانإذااإلشارةاسرتجاعامكانية:انيكوستنظرية•

.الراديو الرقمي

8/2/201728

.واحدةشرحيةىعلالدوائرهذهمنكبريعددوضعميكنحيثالتصنيعسهلةالرقميةالدوائرالستخدامالثمن،واخنفاضاحلجمصغر•.األخطاءتصحيحوخوارزمياتاملكرراتاستخدامإلمكانيةوالتشويشالضوضاءضدحصانةأكثر•.الرقميةالبياانتمعاملختلفةالتشفريخوارزمياتاستخدامإلمكانيةاملتبادلةللمعلوماتأماانأكثر•.واحدرقمينظامابستخداموالبياانتوالفيديوالصوتإشاراتإرسالامكانية•.تعقيداوأكثرأعلىتردديةحزمةوكذلكالتزامنيفعاليةدقةإىلحتتاج•

.االنتقال إىل الراديو القابل للربجمة

8/2/201729

.لإلشارةرقميةالاملعاجلةتقنيةظهورإىلوأدىالرقميةابألنظمةالتماثليةاألنظمةاستبدلااللكرتونياتيفالسريعالتطور•إضافةاالتصاالتظمةأنمنخمتلفةمعايريتستخدماليتالدولبنيالعامليالتجوالخدماتصعوبة:منهاعدةصعوابتاملصنعونواجه•

.جديدةخدماتتوفريصعوبةإىل,GSM:الالسلكيةاالتصاالتتقنياتمنالعديدظهور• LTE, Wimax …..

.للربجمةالراديو القابل

8/2/201730

GPS, Cell Phone

( Filter)فيةًكالتشفريًوالتص( الراديو)بهًبرانمجًيقومًابلعديدًمنًوظائفًالطبقةًالفيزايئيةDSPًمعدةًعامةًاألغراضًًحتتويًعلىً.والتضمنيًوغريهاًمنًوظائفًالراديو

مستوايت الربجمة يف الراديو

8/2/201731

.للربجمةقابلالغريالراديو•

برانمجبواسطةائفالوظمنجزءيفالتحكيمتالراديوهذايف:برجميااملُتحَكمالراديو•

للتبديلادلاخليةيالتوالتوصمالقدرةمس توىيفاكلتغيري،للهاتفادلقيقابملعاجلمثبت

.اجلهازداخلمضنيااملوجودةالأنظمةبني

عادةللربجمةقابال مالراديومنكبريا مجزءا مفيهيكونواذلي:برجميا ماملعرفالراديو• مثلووظائفهالراديومواصفاتمجالربانحيددالتكوين،وا

.الراديوهذايؤدهيااليتالوظائفتتغريالربانمجوبتغريالتشفري،وكذكلاملودلةاملوجةوالتضمنيالرتدد

مستوايت الربجمة يف الراديو

8/2/201732

يعمجويدعمتردديةوحزمةترددأيعلىيعمل:برجميا املثايلالراديو•ندعخاصةاقتصاديةجدوىذوليسالالسلكية،التطبيقاتومراكزاملعامليفالراديوهذايستخدمأنميكنالعالية،الرتددات.ةأمهيذاالقدرةواستهالكاحلجمعامليكونالحيثالبحوث

Micro-processor

Micro-processor

D/A A\D

Ultimate)ابلكاملاملربمجالراديو• software radio).كماالوقتنفسيفاتوالرتددالوظائفمنكبرينطاقيدعمأنهيفمثاليااملربمجالراديويفوقالراديومنالنوعهذا

.خمتلفراديويونظاممعيارمنأكثرعلىتعملاليتاخللويةاهلواتفأنظمةيف

.برجميااملعرف الراديو أهم مكوانت

8/2/201733

RFFront-End

ADC DDC

DAC DUC

BasebandProcessing

Rx

Tx

Baseband stage

IFstage

RFstage

Antenna

RF)الراديويالرتددمرحةل• Stage):

IF)الوسطيالرتددمرحةل• Stage):

BB)الأسايسالرتدديمرحةل• Stage):

.أهم أنواع املعاجلات املستخدمة

8/2/201734

األغراضعامةمعاجلات(General purpose processors GPPs)

.احلاسوبأجهزةيفاملوجودللمعاجلمشابهمنوذجيمعاجل•.الطافيةالنقطةوعملياتالثابتةالعملياتمعالنوعهذايتعامل•مثلاحلقيقيلوقتاالتشغيلوأنظمةالرسوميةالواجهاتذاتاألنظمةمنبدءاالتشغيلأنظمةمنالعديدمعاملعاجلاتمنالنوعهذايتعامل•

VxWorks.

.عاجلاتاملهذهمنالعديدعلىاإلشارةمعاجلةعمليةبتقسيماملعاجلاتمنالنوعهذايستخدمالذيالراديوسرعةزايدوميكن•خيارأفضلتعتربلذلك،التطبيقاتمنحمتملمدىأقصىمعوتتعاملللتطويرقابليةأكثراملعاجلاتمنالنوعهذايستخدمالذيالراديو•

.كربىأمهيةذوليسالقدرةواستهالكاحلجمأنحيثالبحوث،معامليفلالستخدامDigital)الرقميةاإلشارةمعاجلات• signal processors DSPs):.املعاجلداخلعمليةلكللكةاملستهالقدرةمنيقللممامعينة،تطبيقاتليستهدفعملهوحتديدتوجيههإبمكانيةاملعاجلاتمنالنوعهذاميتاز•Fixed)الطافيةالنقطةوعملياتالثابتةالعملياتمعيتعامل• and floating-point)،.GPPsمنتعقيداأكثراملعاجلاتمنالنوعهلذاالتطويريةالبيئةتعترب•.برجميااملعرفةةاخللويكاحملطاتمعتدلبياانتنقلومعدلمنخفضةقدرةيتطلبالذيالراديويفاملعاجلاتمنالنوعهذايستخدم•

.املستخدمةأهم أنواع املعاجلات

8/2/201735

للربجمةالقابلةاملنطقيةالبواابتمصفوفات(Field Programmable Gate Arrays FPGAs)

Logic)منطقيةكتلتسمللربجمةقابلةمنطقيةمكوانتيتكون• blocks).

.ابلربانمجوالتعديلللتغيريقابلةالقوالبهذهبنيالوصالتتكون•الوظائفإىلوصوال(…AND,OR)املنطقيةكالبواابتالبسيطةالوظائفمنابتداءالوظائفمنالعديدالكتلهذهتؤدي•

.املعقدةاحلصولميكنالبواابتمندعدبتوصيل:املثالسبيلعلى،املنطقيةالكتلبنيالتوصيالتطريقعناملطلوبةالوظائفإجنازيتم•

.والضارباجلامعدائرةتنفيذفةلوظياملصممةاملكافئةالدائرةمنأضعافبعشرةأكثرقدرةيستهلكFPGAsجيعلاملنطقيةالكتلبنيوالتبديلالتوصيل•

.اخلمسإىلاملعاجلةسرعةيقللكماواحدة،

SDR.أهم مميزات

8/2/201736

اتصاالتأنظمةتستخدماليتةاجلغرافياملناطقبنيالدويلالتجوالوكذلكاملختلفة،االتصاالتتقنياتبنياالنتقالسهل:التوافقية•.خمتلفة

.املستخدمنيوأجهزةالشبكةمعداتمنلكلوذلكوتطويرهااملستخدمةاالتصاالتأنظمةحتديثتسهيل•.الالسلكيةلالتصاالتتقنيةمنأكثرعلىالعملعندجديدةمعداتشراءأواملعداتتغيريإىلاحلاجةلعدموذلكالتكاليفتقليل•:املصادراستغالليفعاليةكفاءة•

.مستخدمةالغرياألوقاتيفاحلزمابستخداموذلكعاليةبكفاءةالرتدديةاحلزمةاستغالل•.ممكنةسعةأقصىعلىللحصولاملتكيفوالتشفريالتضمنياستخدام•.للراديواملغذيةالقدرةاخنفاضحالةيفمنخفضةبقدرةالعمل•

.االتصاالتتقنياتيفالتطورعجلةتعجيل•االختباراتوإجراءوحتليلهايقياحلقالوقتيفاملعايريمنالعديدتنفيذميكنحيثوالتطوير،البحوثجماالتيفالتقنيةهذهاستخدام•

.احملاكاةمنعليهاحلصولميكنمماوأدقأسرعنتائجيعطيوهذاعليها

SDR.أهم عيوب

8/2/201737

.املختلفةالشبكاتمعايريمنللعديداألجهزةهذهدعممنالناتجالتعقيدبسببذلك،SDRتقنيةتستعملاليتاألجهزةتكلفةارتفاع•تظهرملاليتالتطبيقاتمنالعديدظهورمنمكنتبرجميااملعرفالراديوتقنيةألنوذلكالدقيقة،املعاجلاتيفللقدرةالعايلاالستهالك•

.السابقةاألجهزةعلى.التنفيذفةوتكلوقتيفيزيدمماالربجمة،علىالكبريالعتمادهاالتقنيةهذهتستعملاليتاألجهزةيفالتعقيدزايدة•.العلويةوالطبقاتاملعاجلاتإمكانياتبنياملوائمةعدمبسبباألحيانبعضيف(االنتاجية)األداءيفحمدودية•

يامثالبعض املعوقات اليت حتد من أن يكون الراديو مربجما

8/2/201738

يزيدممااهلوائياتنمعددالستخداماحلاجةجيعلمما،واسعةتردديةوحبزمةالرتدداتمجيععلىتعملهوائياتوجودعدم:اهلوائي•.واحلجمالتكلفةيف

اخلوارزمياتيفتعقيداليزيدمماآنيا،املستقبلةاإلشاراتعددمنيزيدالراديوعليهايعملاليتالتطبيقاتعددزايدة:التداخل•.املطلوبةاإلشارةالستخالصاملستخدمة

معظميفمثاليا،مربجماالراديوكونمناحملوالتهلذهالرتدديةاحلزمةوعرضالديناميكياملدىحيد:التماثليإىلالرقميمناحملول•.املستهدفالتطبيقمعيتناسبمباالتقطيعومعدلالدقةبنياملقابلةتتماحملوالت

.SDRأنواع بعض

8/2/201739

.SDRبعض أنواع

8/2/201740

8/2/201741

• RTL SDR Realtek Labs Software Defined

Radio.

• USB interface.

.رخصًالثمن•.سهولةًاالستعمال•2.8Msa/secالتقطيعًيصلًإىلًتردد•

:متطلبات العمل•Hardware: PC, Raspberry pi, ….

Software: SDR#, GNURadio, MATHLAB, ….

SDR: RTL 2834 U

SDR: RTL 2834 U

8/2/201742

25MHz–1.75GHzالرتدديةاحلزمة•

SDR: RTL 2834 U

8/2/201743

:آلية العمل•

.RTL 2834 U SDR

8/2/201744

SD

Rsh

arp

SDR: RTL 2834 U

8/2/201745

• Matlab• RTL-SDR package.

• Sumlink + code

RTL-SDR.للــ بعض التطبيقات العملية

8/2/201746

• SDR#

Spectrum sweeper.

Fm receiver.

• Matlab

Spectrum sweeper.

Fm receiver

OpenBTS…. again

Software Requirements

• Asterisk: Asterisk is a VoIP switch responsible for handling SIP INVITE requests, establishing the individual legs of the call, and connecting them together.

Asterisk knows about and can communicate with the subscriber registry database. This database is where the various components store and update subscribers’ phone numbers, identities, authentications, caller IDs, and registration states.

8/2/201748

Software Requirements

• SIPAuthServe: SIP Authorization Server (SIPAuthServe) is an application that processes SIP REGISTER requests that OpenBTS generates when a handset attempts to join the mobile network.

When a handset authenticates successfully, SIPAuthServe is responsible for updating the subscriber registry database with the IP address of the OpenBTS instance that initiated it, allowing other subscribers to call the handset.

• SMQueue: SIP MESSAGE Queue (SMQueue) is an application that processes SIP MESSAGE requests that OpenBTS generates when a handset sends an SMS. It stores the messages, schedules them for delivery in the network, and reschedules them if the target handset is unavailable.

• OpenBTS: Finally, we reach the star of the show. OpenBTS is responsible for implementing the GSM air interface in software and communicating directly with GSM handsets over it. This communication is converted into SIP and RTP on

The GSM handsets see a fully compatible GSM radio access network and the core network sees standard SIP endpoints. Neither side must know that there is a layer between allowing the handsets to connect seamlessly to the IP world: the IP network side and interacts with the components above to form the core network.

8/2/201749

OpenBTS World

8/2/201750

Traditional and Hybird IP GSM architecture

8/2/201751

Access to OpenBTS

• OpenRANUI web interface

• OpenBTS Command-Line Interface (CLI)

8/2/201752

Tasks…..

• Confirm Radio Connectivity.• Changing the Band and ARFCN.• Enable open registration.• Message of first registeration.• Assign a phone number to each registered handset.• Databases.• Changing the phone number of a given handset.• Get your IMSI• TMSIs • Send SMS From the console

8/2/201753

CLI Commands• Audit

• Calls

• Trans

• Cellid

• Chans

• Config

• Devconfig

• Load

• Power

• Rxgain

• Stats

• Tmsis

• Neighbors

• alarms

8/2/201754

From Single to Multinode

Issues:

Mobility, Roaming, Handover.

8/2/201755

Legal Aspects

Running radio equipment and working with a GSM base station requires transmitting in the officially-regulated radio spectrum. Therefore, to legally run a base station an official allowance for a particular frequency is necessary. In the UK, OFCOM issues these licences therefore you should always contact OFCOM when you want to operate BTS. In our lab we use a dedicated professional RF-shielded cage so that we do not interfere with commercial operators.

8/2/201756

The main advantages of OpenBTS are:

• All handsets and modems connected to OpenBTS appear as a SIP device without the need for any special software on the device

• Hardware can be reduced to a single host computer running Software Defined Radio (SDR)

• All of the software runs on Linux and connects with commonly-used IP protocols

8/2/201757

لحسن االستماعشكراً