Đồ án Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE

L ỜI MỞ ĐẦU Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp phát triển vô cùng mạnh mẽ, các hệ thống của mạng di động không ngừng phát triển nhằm cung cấp cho người dùng s

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Phan Thị Lan Anh người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn những sự giúp đở chân tình và quý báo đó

Dù đã rất cố gắng hết sức nhưng do khả năng và thời gian hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự góp ý chân thành của tất

cả các thầy cô giáo và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Nguyệt

L ỜI CẢM ƠN i

M ỤC LỤC ii

DANH M ỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH M ỤC BẢNG vii

DANH M ỤC HÌNH ẢNH viii

L ỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.1 Gi ới thiệu chương 1 2

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 2

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 4

1.1.3 H ệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 5

1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 5

1.1.4.1 Gi ới thiệu về công nghệ LTE 9

1.1.4.2 Ti ềm năng công nghệ 11

1.2 K ết luận chương 1 11

CHƯƠNG II KIẾN TRÚC VÀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 12

2.1 M ở đầu chương 2 12

2.2 Ki ến trúc mạng 12

2.2.1 Thiết bị người dùng (UE) 13

2.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB) 14

2.2.3 Lõi gói phát tri ển EPC 15

2.2.3.1 Th ực thể quản lý tính di động MME 15

2.2.3.2 C ổng phục vụ S-GW 18

2.2.3.3 C ổng mạng số liệu gói P-GW 18

2.2.3.4 Server thuê bao nhà HSS 19

2.3 Truy nh ập vô tuyến trong LTE 20

2.3.1 Các chế độ truy nhập vô tuyến 20

2.3.2 Các băng tần truyền dẫn 21

2.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDMA 21

2.3.3.1 OFDM 21

2.3.3.2 OFDMA 22

2.3.3.3 Các tham s ố OFDMA 22

2.3.5 K ỹ thuật đa truy nhập đường lên LTE SC-FDMA 26

2.3.5.1 SC-FDMA 26

2.3.5.2 Các tham s ố SC-FDMA 28

2.3.5.3 Truy ền dữ liệu hướng lên 28

2.4 K ỹ thuật đa anten MIMO 30

2.4.1 Đơn đầu vào và đơn đầu ra (SISO) 31

2.4.2 Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO) 31

2.4.3 Đa đầu vào và đơn đầu ra (MISO) 31

2.4.4 Đa đầu vào và đa đầu ra (MIMO) 32

2.5 K ết luận chương 2 32

CHƯƠNG III AN NINH TRONG CÔNG NGHỆ LTE 33

3.1 M ở đầu chương 3 33

3.2 An ninh c ủa người sử dụng trong EPS 33

3.2.1 Các yêu c ầu của an ninh đối với các phần tử và các giao diện trong EPS33 3.2.2 Các chức năng an ninh mạng EPS 35

3.2.2.1 Các ch ức năng an ninh và các mức giao thức 35

3.2.2.2 Các ch ức năng an ninh và các phần tử mạng EPS 35

3.3 Các th ủ tục an ninh khi UE khởi xướng kết nối đến EPS 36

3.4 An ninh mi ền mạng 37

3.4.1 Tổng quan 37

3.4.2 ESP (Encapsuling Security Payload: t ải tin an ninh bằng cách đóng bao) 39

3.4.3 An ninh đường trục eNodeB 40

3.4.4 An ninh nút chuy ển tiếp 41

3.5 An ninh c ủa người sử dụng LTE trong IMS 41

3.5.1 Mô hình an ninh IMS (SIP) 41

3.5.2 An ninh m ạng lõi IMS CN 42

3.6 K ết luận chương 3 43

K ẾT LUẬN 44

TÀI LI ỆU THAM KHẢO ix

NH ẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN x

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án các đối tác thế hệ thứ ba

AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên

tiến

AKA Authentication ang Key Agreement Nhận Thực và thỏa thuận khóa

CQI Chennel Quality Information Thông tin chất lượng kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSCF Call Session Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc

gọi DCI Downlink Control Information Thông tin điều khiển đường

xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc

DwPTS Downlink Pilot Time Slot Khe thời gian điều khiển đường

xuống EDGE Enhanced Data Rates for GSM

communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

GUTI Globally Unique temporary Identity Nhận dạng tạm thời duy nhất toàn

cầu

HSDPA High Speed Downlink packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc

độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ

cao

Channel cao HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh nghịch

đảo

Telecommunications

Truyền thông di động quốc tế

IMS IP Multimedia Subsystem Hệ thống con đa phương tiện IP IMEI International Mobile Equipement

Hệ thống phát quảng bá đa điểm

MSIN Mobile Subcriber Identity Number Số nhận dạng thuê bao

MM Mobility Management Quản lý tính di động

NAS Non-access Stratum Tầng không truy nhập

NACK Negative Acknowledgement Báo nhận không thành công OFDM Orthogonal Fryquency Division

bình PCI Physical Cell Identity Nhận dạng ô vật lý

PCFICH Physical Control Format Indicator

Channel

Kênh chỉ thị dạng điều khiển vật

lý PDCP Packet Data Convergence

Protocol

Giao thức hội tụ dữ liệu gói

PDSCH Physical Downlink Shared channel Kênh chia sẽ vật lý

PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói

P-GW Packet Data Network Gateway Cổng mạng dữ liệu gói

PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh điều khiển đươn

PCRF Policy and Charging Resource

Function

Chức năng tính cước tài năng và chính sách

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha vuông góc

QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương RRC Radio Resource Contol Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Mangement Quản lý tài nguyên vô tuyến

RNC Radio Network Control Điều khiển mạng vô tuyến

RLC Radio Link Cotrol Điều khiển kết nối vô tuyến SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SMS Short message Service Dịch vụ tải bản tin

SR Scheduling Request Yêu cầu lập lịch biểu

TACS Total Access Communication System Hệ thống truyền thông truy cập

toàn phần TD-

S ố hiệu

1.1 Bảng tổng kết các thế hệ thông tin di động 6

3.1 Các yêu cầu an ninh cơ bản đối với các phần tử và các giao diện

3.2 Các chức năng an ninh và các mức giao thức 35 3.3 Các chức năng an ninh và các phần tử mạng EPS 35 3.4 Các thủ tục an ninh khi UE khởi xướng kết nối đến EPS 36

3.7 Quá trình cấp chứng nhận an ninh cho eNodeB 40

L ỜI MỞ ĐẦU

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một nghành công nghiệp phát triển vô cùng mạnh mẽ, các hệ thống của mạng di động không ngừng phát triển nhằm cung cấp cho người dùng sử dụng các dịch vụ thoại, truyền số liệu và đặc biệt là các dịch vụ băng rộng ở mọi lúc mọi nơi

Khi thuê bao di động thực hiện các dịch vụ băng rộng vấn đề mất an toàn thông tin cần được quan tâm, thông qua các cơ chế xác thực, mã khóa để đảm bảo cho người dùng là vấn đề cấp thiết phải thực hiện, việc sử dụng ngày càng nhiều các giao diện và các giao thức mới tạo cơ hội sử dụng mạng với mục đích xấu Các tấn công này có thể làm mất khả năng hoạt động của mạng, làm mất tính toàn vẹn cũng như tính bảo mật của các dịch vụ mạng Cần phải có các biện pháp an ninh để bảo vệ mạng viễn thông khỏi các tấn công này

Ở thời điểm hiện nay mạng di động 4G đã và đang được xây dựng trên khắp thế giới nhằm đáp ứng cho hàng tỉ người mong muốn được truy nhập với tốc độ cao Công nghệ LTE là mạng truy nhập di động sẽ đóng vai trò quan trọng trong tổng thể hạ tầng cung cấp các dịch vụ tương lai Với sự kế thừa các đặc trưng trong lĩnh vực di động cộng với đặc tính mạng all-IP dẫn đến nhiều yêu cầu cũng như giải pháp cho vấn đề an ninh trong miền mạng LTE

Xuất phát từ những vấn đề trên em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “ Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE” Mục tiêu cơ bản là nêu ra những cơ chế an ninh được áp dụng trong hệ thống LTE đã đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng

Nội dung đồ án được trình bày trong 3 chương:

Chương I : Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

Chương II : kiến trúc và giao thức mạng của hệ thống LTE

Chương III : An ninh trong công nghệ LTE

CHƯƠNG I QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương 1

Khi mới triển khai, hệ thống thông tin di động 1G mới chỉ cung cấp cho người sử

dụng dịch vụ thoại, nhưng nhu cầu về truyền hình số liệu tăng lên đòi hỏi các nhà khai thác mạng phải nâng cấp rất nhiều tính năng mới cho mạng và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng theo cơ sở khai thác mạng hiện có Từ đó các nhà khai thác đã triển khai hệ thống di động 2G, 2.5G để cung cấp dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao hơn Để cung cấp trực tiếp tin tức và các thông tin khác cho các thiết cho các thiết bị vô tuyến

sẽ tạo ra nguồn lợi nhuận mới cho nhà khai thác

Do nhu cầu sử dụng công nghệ thông tin càng cao nên đòi hỏi công nghệ cũng phải phát triển, phải chuyển đổi sang hệ thống thông tin di động mới đó là thế hệ thứ

ba để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người Nhưng tốc độ hiện tại của thế hệ thứ ba không thể đáp ứng được các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao nên tổ chức viễn thông trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời hệ thống thông tin di động 4G

Hình 1.1 Quá trình phát tri ển của hệ thống thông tin di động

1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương tự, là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhật vào năm 1979 Đây là hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

Hình 1.2 Tiêu bi ểu cho thế hệ mạng di động 1G là các thiết bị thu phát tin hiệu

 có những nhược điểm sau:

o Dịch vụ đơn thuần là thoại

1.1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)

Hệ thống 2G dựa trên công nghệ kỹ thuật số, dùng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA-Time Division Multiple Access): Phục vụ các cuộc gọi theo các khe thời gian khác nhau và kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA-Code Division Multiple Access): Phục vụ các cuộc gọi theo các chuỗi mã khác nhau Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS Theo đó, các tin hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn…

 Kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn so với thế hệ 1G với những đặc điểm sau:

o Dung lượng tăng

o Chất lượng thoại tốt hơn

o Nhiều dịch vụ kèm theo như: fax, SMS, truyền dữ liệu

o Bảo mật tốt

 Một số hệ thống điển hình như:

o GSM (Global System for Mobile phone- Hệ thống thông tin di động toàn cầu): Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được triển khai tại Châu Âu

o IS-136 aka D-AMPS (Interim Standard-136 Digital Advance Mobile Phone System) Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Đã từng là mạng lớn nhất trên thị trường Mỹ nay đã chuyển sang GSM

o PDC (Personal Digital cellular- Hệ thống tổ ong cá nhân): Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) được triển khai tai Nhật Bản

o IS-95(CDMA one): Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc

Mặc dù hệ thống thông tin di đông 2G được coi là những tiến bộ đáng kể nhưng vẫn gặp phải những hạn chế sau: Tốc độ thấp và tài nguyên hạn hẹp vì thế cần thiết phải chuyển đổi lên mạng thông tin di động thế hệ tiếp theo để đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng

1.1.3 H ệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

Đây là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động cho phép truyền cả

dữ liệu thoại và ngoài thoại (tải dữ liệu , gửi mail, hình ảnh….) 3G cung cấp cả hai dịch vụ đó là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập Radio hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay Ưu điểm của hệ thống 3G là: tốc độ truyền dữ liệu cao, cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau

tổ chức 3GPP, cũng là tổ chức chịu trách nhiệm định nghĩa chuẩn cho GSM, GPRS và EDGE

o CDMA2000: Chuẩn này là sự tiếp nối đối với các hệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2G CDMA 2000 được quản lý bởi 3GPP2

một tổ chức độc lập và được tách rời bởi 3GPP của UMTS Có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đến Mbps

o TD-SCDMA: Đây là chuẩn 3G của Trung Quốc, dùng song công TDD, có

thể hoạt động trên dải tần hẹp 1,6MHz (cho tốc độ 2Mbps) hay 5MHz (cho tốc độ 6Mbps)

1.1.4 H ệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)

Các nhà cung cấp dịch vụ và người dùng đều luôn mong muốn và hướng tới các công nghệ không dây có thể cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ hơn với tính năng

và chất lượng dịch vụ cao hơn.Với cách nhìn nhận này, Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) đã và đang làm việc để hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế

hệ thứ tư (4G) ITU đã lên kế hoạch để có thể cho ra đời chuẩn này Công nghệ này sẽ cho phép thoại dựa trên IP, truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các công nghệ của mạng di động hiện nay Về lý thuyết, theo tính toán dự kiến tốc độ truyền dữ liệu có thể lên tớí 288 Mb/s

TDMA hoặc CDMA, công nghệ số,băng hẹp (8-13Kbps)

Thế hệ

2.5(G)

GPRS,EDGE, cdma2000 1x

Chủ yếu vẫn là thoại, dịch vụ

số liệu gói tốc

độ thấp và trung bình

TDMA( kết hợp nhiều khe thời gian hoặc tần số) hoặc CDMA, sử dụng phổ tần chồng lên phổ tần của hệ thống 2(G), tăng cường truyền số liệu gói Tốc độ tối đa đạt 144Kbps

Thế hệ 3(G)

Cdma20001x, cdma2000, WCDMA

Truyền dẫn thoại và dịch

vụ số liệu đa phương tiện

CDMA,CDMA/TDMA,băng rộng,riêng cdma20001x EV sử dụng phổ chồng lên phổ của hệ thống 2(G) Tốc độ tối đa của đường xuống 2Mbps,đường lên 384Kbps

Thế hệ

3.5(G)

HSDPA, HSUPA, HSOPA

Tích hợp thoại,dịch vụ

số liệu và đa phương tiện tốc độ cao

Phát triển từ DSCH.HSDPA cho tốc độ tối đa đường xuống 14.4Mbps.HSUPA có

3(G),CDMA/HS-tốc độ đường lên tối đa 5.7Mbps.HSOPA cho tốc độ Downlink/Uplink tối đa là 200Mbps/100Mbps

Thế hệ 4(G) LTE,WIMAX

Truyền dẫn thoại, số liệu ,đa phương tiện tốc độ cực cao

OFDMA, MC/DS-CDMA, tốc độ tối

đa ở môi trường trong nhà 5Gbps,100Mbps môi trường ngoài trời trên đối tượng chuyển động nhanh (250km/h)

Cho đến hiện nay, chưa có một chuẩn nào rõ ràng cho 4G được thông qua Tuy nhiên, những công nghệ phát triển cho 3G hiện nay sẽ làm tiền đề cho ITU xem xét để phát triển cho chuẩn 4G Các cơ sở quan trọng để ITU thông qua cho chuẩn 4G đó chính là từ hỗ trợ của các công ty di động toàn cầu; các tổ chức chuẩn hóa và đặc biệt

là sự xuất hiện của ba công nghệ cho sự phát triển mạng di động tế bào LTE (Long –Term Evolution), UMB (Ultramobile Broadband) và WIMAX II (IEEE 802.16m) Ba công nghệ này có thể được xem là các công nghệ tiền 4G chúng sẽ là các công nghệ quan trọng giúp ITU xây dựng và phát hành cho chuẩn 4G

 UMB (Ultra Mobile Broadband-siêu băng rộng di động):

Chuẩn UMB hiện nay được phát triển bởi 3GPP2 với kế hoạch là sẽ thương mại hóa trước năm 2009 UMB được các tổ chức viễn thông của Nhật Bản, Trung Quốc,

Bắc Mỹ và Hàn Quốc cùng với các hãng như Alcatel-Lucent, Apple, Motorola, NEC

và Verizon Wireless phát triển từ nền tảng CDMA

UMB có thể hoạt động ở băng tần có độ rộng từ 1,25 MHz đến 20 MHz và làm

việc ở nhiều dải tần số, với tốc độ truyền dữ liệu lên tới 288 Mb/s cho luồng xuống và

75 Mb/s cho luồng lên với độ rộng băng tần sử dụng là 20 MHz Qualcomm là hãng đi đầu trong nỗ lực phát triển UMB, mặc dù hãng này cũng đồng thời phát triển cả công nghệ LTE

Sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như: Kỹ thuật anten (MIMO - Multipe Input Multiple Output) và đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA - Spatial Division Multiple Access)

Tiêu chuẩn này sử dụng phương thức đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM Là sự kết hợp gữa kỹ thuật ghép kênh và kỹ thuật phân chia tần số có tính trực giao, rất phù hợp với môi trường truyền dẫn đa đường nhằm tăng thông lượng cũng như dung lượng mạng, tăng độ linh hoạt trong việc quản lý tài nguyên, tận dụng tối đa phổ tần, cải thiện khả năng phủ sóng với các loại địa hình đa dạng, phiên bản này được hợp chuẩn năm 2005

 3GPP LTe

Cụm từ 3GPP LTE (The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution) được dùng để để nói về một công nghệ di động mới đang được phát triển

và chuẩn hóa bởi 3GPP Dự án được bắt đầu từ cuối năm 2004, nhằm đảm bảo tính

cạnh tranh của mạng 3G trong vòng 10 năm tới Mặc dù 3GPP đã phát triển HSDPA, HSUPA để tăng dung lượng truyền (data rate) đến tốc độ lý thuyết lớn khoảng 14.4 Mbps, nhưng 3G HSPA vẫn không thể cung cấp những dịch vụ như Video, TV Đứng trước sự ra đời và cạnh tranh của IEEE 802.16e (WiMAX), công nghệ hứa hẹn

sẽ đạt dung lượng truyền khoảng 70Mbps, 3GPP buộc phải phát triển 3G LTE để có thể đứng vững

Hệ thống 3GPP LTE là bước tiếp theo cần hướng tới của hệ thống mạng không dây 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UTMS, và là một trong những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông 4G

3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100Mb/s khi di chuyển ở tốc độ 3Km/h và đạt 30Mb/s khi

di chuyển ở tốc độ cao 120Km/h Tốc độ truyền này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ truyền dữ liệu của công nghệ HSDPA (truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao) Do công nghệ này cho phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di chuyển

ở bất kỳ tốc độ nào nên nó có thể hỗ trợ sử dụng các dịch vụ chứa dữ liệu có dung lượng lớn với độ phân giải cao ở cả điện thoại di động…

 LTE - Advanced

LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) là sự tiến hóa trong tương lai của công nghệ LTE, công nghệ dựa trên OFDMA này được chuẩn hóa bởi 3GPP trong phiên bản (Release) 8 và 9 LTE-Advanced, dự án được nghiên cứu và chuẩn hóa bởi 3GPP vào năm 2009 với các đặc tả được mong đợi hoàn thành vào quý 2 năm 2010

như là một phần của Release 10 nhằm đáp ứng hoặc vượt hơn so với những yêu cầu của thế hệ công nghệ vô tuyến di động thế hệ thứ 4(4G) IMT-Advanced được thiết lập bởi ITU LTE-Advanced sẽ tương thích ngược và thuận với LTE, nghĩa là các thiết bị LTE sẽ hoạt động ở cả mạng LTE Advanced mới và các thiết bị LTE-Advanced sẽ hoạt động ở cả các mạng LTE cũ gần đây, ITU đã đưa ra các yêu cầu cho IMT-Advanced nhằm tạo ra định nghĩa chính thức về 4G Thuật ngữ 4G sẽ áp dụng trên các mạng tuân theo các yêu cầu của IMT-Advanced xoay quanh báo cáo ITU-R M.2134

 Một số yêu cầu then chốt bao gồm:

o Hỗ trợ độ rộng băng tần lên đến và bao gồm 40 MHz

o Khuyến khích hỗ trợ các độ rộng băng tần rộng hơn (chẳng hạn 100 MHz) Hiệu quả sử dụng phổ tần đỉnh đường xuống tối thiểu là 15 b/s/Hz (giả sử

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS là thế hệ thứ

ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tháng 11/2004, 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi LTE (Long –Term Evolution), 3GPP đã đặt ra yêu cầu cao cho LTE

 Các mục tiêu cơ bản của công nghệ này:

o Tốc độ đỉnh tức thời với băng thông 20MHz

 Tải lên : 50Mbps

 Tải xuống : 100Mbps

o Dung lượng dữ liệu truyền tải trung bình của một người dùng trên 1MHz

so với mạng HSDPA Rel.6

 Tải lên gấp 2 đến 3 lần

 Tải xuống gấp 3 đến 4 lần

o Hoạt động tối ưu với tốc độ di chuyển của thuê bao là 0-15Km/h Hoạt động tốt với tốc độ từ 15-120km/h vẫn duy trì hoạt động khi thuê bao duy chuyển với tốc độ từ 120-350km/h (có thể 500km/h tùy vào băng tần)

o Các chỉ tiêu trên phải đảm bảo trong bán kính vùng phủ sóng 5km, giảm chút ít trong phạm vi đến 30km Từ 30-100km thì không hạn chế dung lượng, hơn 200 người /ô thì băng thông là 5MHz

o Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ 1.25MHz, 1.6MHz, 10MHz, 15MHz và 20MHz cả chiều lên và chiều xuống Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được

áp dụng

o Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển

 Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt điều khiển: Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối (UE-User Equipment) chuyển

từ trạng thái nghỉ sang kết nối với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền thời gian này phải nhỏ hơn 100ms

 Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng

tổ ong (ô) hiện nay có độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định Điều này sẽ ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game…vì cần thời gian thực Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải một gói tin từ mạng tới UE

o Sẽ không còn chuyển mạch kênh: Tất cả sẽ dựa trên IP, một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE Là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa

o Giảm chi phí: Yêu cầu được đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ Các vấn đề đường truyền, hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí

o Độ phức tạp thấp và các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng

Hiệu suất sử dụng phổ tần Downlink 16,3 (4x4 MIMO) 30(8x8 MIMO)

Uplink 4.32 (SISO) 15 (4x4 MIMO)

Để đạt được mục tiêu này sẽ có rất nhiều kỹ thuật mới được áp dụng, trong đó nổi bật là kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và kỹ thuật anten MIMO (Multiple Input Multiple Output) Ngoài ra còn có song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD)

Yêu cầu được đặt ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh cho đường xuống là 100Mbps và đường lên là 50Mbps, khi hoạt động trong phân bố phổ 20MHz Khi mà phân bố phổ hẹp hơn thì tốc độ dữ liệu đỉnh cũng sẽ tỉ lệ theo Do đó điều kiện đặt ra là có thể biểu diễn được 5bit/s/Hz cho đường xuống và 2.5bit/s/Hz cho đường lên LTE hổ trợ cả hai chế độ FDD và TDD Chế độ TDD do truyền dẫn đường lên và đường xuống không xuất hiện đồng thời nên yêu cầu tốc độ dữ liệu đỉnh cũng không thể trùng nhau đồng thời Đối với FDD, đặc tính của LTE cho phép quá trình phát và thu đồng thời đạt được tốc độ dữ liệu đỉnh

1.2 Kết luận chương 1

Cho đến hiện nay hệ thống thông tin di động đã trở thành một phần không thể thiếu đối với mỗi người trên khắp thế giới, nó được ứng dụng trên mọi mặt của cuộc sống Đây là một hệ thống có thể tích hợp được nhiều dịch vụ, cho dung lượng truyền tải lớn, an toàn cho người sử dụng

CHƯƠNG II KIẾN TRÚC VÀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

TRONG LTE 2.1 M ở đầu chương 2

Chương này giới thiệu tổng quan về kiến trúc và truy nhập vô tuyến của công nghệ LTE, các phần tử và chức năng của các phần tử đó trong mạng Qua đó hiểu được các hoạt động của công nghệ LTE Kiến trúc mạng của công nghệ LTE khá đơn giản so với các công nghệ trước đó của 3GPP

2.2 Ki ến trúc mạng

Hình 2.1 mô tả kiến trúc và các phần tử mạng 4G LTE/ SAE trong đó chỉ có phần truy nhập vô tuyến E-UTRAN, các nút logic và kết nối trên hình vẽ thể hiện cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng 4G LTE/SAE chỉ cho E-UTRAN của LTE

E-UTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển, EPC: Evolved Packet Core: Lõi gói phát triển, MME: Mobility Management Entity: Thực thể quản lý di động, SAE: System Architecture Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống, PCRF: Policy and Charging Rules Function: chức năng các quy tắc tính cước và chính sách, HSS: Home Subsscriber Server: Server thuê bao nhà, S-GW:

Serving Gateway: Cổng phục vụ, P-GW: Packet Data Network Gateway: Cổng mạng số liệu gói

SAE-GW: SAE Gateway: Cổng SAE IMS: IP Multimedia Subbsystem: Phân hệ

đa phương tiên IP

NAS: Non Access Stratum: tầng không truy nhập AS: Access Stratum: tầng truy nhập RRC: Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến, UP: User Plane: mặt phẳng người sử dụng

Hình 2.1 cho thấy kiến trúc bao gồm bốn phần chính: (1) thiết bị người sử dụng (UE- User Equipment), (2) mạng truy nhập vô truyến UMTS phat triển (E-UTRAN), (3) mạng lõi phát triển (EPC) và (4)miền các dịch vụ

Các miền kiến trúc mức cao có chức năng giống như các chức năng hiện có trong các hệ thống 3GPP Phát triển kiến trúc mới chủ yếu tập trung lên mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi: E-UTRAN và EPC Các miền UE và dịch vụ không đổi vầ mặt kiến trúc UE, E-UTRAN và EPC cùng nhau thể hiện lớp kết nối giao thức Internet (IP)

Phần này cũng còn được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS: Evolved Packet System), chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP Tất cả các dịch vụ đều được cung cấp trên đỉnh IP, các công nghệ IP cũng là các công nghệ ngự trị trong truyền tải, tại đây tất cả đều được thiết kế để hoạt động trên đỉnh của truyền tải IP Cổng SAE GW bao gồm hai cổng: (1) cổng phục vụ (Serving Gteway) và cổng mạng

số liệu gói (P-GW) được định nghĩa để xử lý mặt phẳng người sử dụng (UP) trong EPC Cũng có thể thực hiện chúng chung như là một SAE-GW, nhưng chúng cũng có thể hoạt động tách biệt và nối với nhau qua một giao diện chuẩn

2.2.1 Thiết bị người dùng (UE)

UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người

vẫn đang sử dụng hiện tại trong 2G và 3G hoặc máy tính sách tay….UE cũng có chứa các modun nhận dạng thuê bao toàn cầu ( USIM ) Nó là một modun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE) USIM là một ứng

dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC) USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến

Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quan trọng nhất là

UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP

có thể được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại

2.2.2 E-UTRAN NodeB (eNodeB)

Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB) eNodeB là một

trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố dịnh của hệ thống Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng, mỗi eNB thường nằm gần các anten vô tuyến hiện tại của chúng

Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa hai lớp là UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC Trong vai trò này các EPC thực hiện mã hóa / giải mãi các dữ liệu IP, và cũng có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi lặp đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP ENodeB cũng chịu tránh nhiệm về các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP), và cũng chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến, bao gồm: Phân bố tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập trình lưu lượng theo yêu cầu QoS và liên tục giám soát tình hình sử dụng tài nguyên

Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động (MME) Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi

UE, điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME, khi một

UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu trách nhiệm về việc định tuyến khi đề nghị các MME mà trước đây đã phục vụ cho UE,

hoặc lựa chọ một MME mới nếu một tuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tin định tuyến vắng mặt

Hình 2.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính

Hình 2.2 cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này Trong tất cả, các kết nối eNB có thể là trong mối quan hệ một chiều hoặc nhiều chiều, các eNB có thể phục vụ đồng thời nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một eNB trong cùng một thời điểm, các eNB sẽ cần kết nối tới các eNB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện

Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB, từ một viễn cảnh eNB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW Tuy nhiên mỗi UE sẽ được phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại thời điểm và eNB phải duy trì theo dõi các liên kết này

Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB

2.2.3 Lõi gói phát triển EPC

Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC Thông thường MME sẽ là một máy chủ ở vị trí an toàn tại các cơ sở của nhà điều hành, nó hoạt động trong các mặt phẳng điều khiển (CP), và không tham gia vào con đường của UP dữ liệu

Ngoài giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thể hiện trong hình 2.1, MME còn có một kết nối logic trực tiếp với UE, và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển chính giữa UE và mạng

 Các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống:

o Xác thực và bảo mật:

Khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ khởi tạo sự xác thực, bằng cách thực hiện những điều sau: Nó tìm ra danh tính thường trú của UE, hoặc từ các mạng truy nhập trước đó hoặc chính bản thân UE, yêu cầu từ bộ phục vụ thuê bao thường trú (HSS) trong mạng chủ của UE các điều khiển chứng thực có chứa các mệnh lệnh chứng thực – trả lời các cặp tham số, gửi các thử thách với UE và so sánh các trả lời nhận được từ UE vào một trong những cái đã nhận từ mạng chủ Chức năng này là cần thiết để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ với UE Các MME có thể lặp lại chức năng xác thực khi cần thiết hoặc theo chu kỳ, các chức năng này dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khởi việc nghe trộm và từ sự thay đổi của bên thứ ba tương ứng trái phép Để bảo vệ sự riêng tư của UE, MME cũng phân bổ cho mỗi UE một mã tạm thời gọi là mã nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu (GUTI), do đó cần phải gửi mã nhận dạng thường trú UE-mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMIS) qua giao diện vô tuyến được giảm thiểu

o Quản lý tính di động:

MME theo dõi vị trí của tất cả các UE trong khu vực của mình khi một UE đăng

ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ tạo ra một lối vào cho UE và tín hiệu với vị trí tới HSS trong mạng chủ của UE MME yêu cầu tài nguyên thích hợp được thiết lập trong eNodeB, cũng như trong các S-GW mà nó lựa chọn cho UE, các MME sau đó tiếp tục theo dõi vị trí của UE hoặc là dựa trên mức độ của eNB, nếu UE vẫn kết nối, tức là truyền thông đang hoạt động hoặc ở mức độ khu vực theo dõi (TA) MME điều khiển các thiết lập và giải phóng nguồn tài nguyên dựa trên những thay đổi chế độ hoạt động của UE MME cũng tham gia vào việc điều khiển tín hiệu chuyển giao của UE trong chế độ hoạt động giũa các eNB, S-GW hoặc MME MME tham gia vào mọi thay đổi

của eNB vì không có phần tử điều khiển mạng vô tuyến riêng biệt nên nó đã ẩn hầu hết các sự kiện này Một UE ở trạng thái rảnh rỗi nó sẽ báo cáo vị trí của nó hoặc là định kỳ hoặc là khi nó chuyển tới một khu vực theo dõi, nếu dữ liệu nhận được từ bên

ngoài cho một UE rảnh rỗi, MME sẽ được thông báo, nó sẽ yêu cầu các eNB trong TA

đã được lưu giữ cho UE tới vị trí nhớ của UE

o Quản lý hồ sơ thuê bao và dịch vụ kết nối:

Vào thời điểm UE đăng ký vào mạng, các MME sẽ chịu trách nhiệm lấy hồ sơ đăng ký của nó từ mạng chủ về Các MME sẽ lưu trữ thông tin này trong suốt thời gian phục vụ UE Hồ sơ này xác định những gì các kết nối mạng dữ liệu gói được phân bổ tới các mạng ở tệp tin đính kèm, các MME sẽ tự động thiết lập mặc định phần tử mạng, cho phép các UE kết nối IP cơ bản Bao gồm các tín hiệu CP với eNB và S-

GW Các MME có thể nhận được các yêu cầu thiết lập một phần tử mạng dành riêng hoặc từ các S-GW nếu yêu cầu bắt nguồn từ khu vực dịch vụ điều hành, hoặc trực tiếp

từ UE nếu UE yêu cầu kết nối cho một dịch vụ mà không được biết đến bởi khu vực

dịch vụ điều hành, và do đó không thể được bắt đầu từ đó

Hình 2.3 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính

Hình 2.3 cho thấy các kết nối MME đến quanh các nút logic và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này Về nguyên tắc MME có thể được kết nối với bất kỳ MME khác trong hệ thống, nhưng thường kết nối được giới hạn trong một nhà điều hành mạng duy nhất Các kết nối từ xa giữa các MME có thể được sử dụng khi một

UE đã đi xa, trong khi đăng ký với một MME mới sau đó tìm kiếm nhận dạng thường trú mới của UE, sau đó lấy nhận dạng thường trú của UE, mã nhận dạng thuê bao di

động quốc tế (IMIS), từ MME truy cập trước đó Các kết nối giữa các MME với các MME lân cận được được sử dụng trong chuyển giao

Trong cấu hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của S-GW là quản lý

tunnel-UP và chuyển mạch S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng được quản lý tập trung tại nơi khai thác Khi giao diện S5/S6 được xây dựng trên cơ sở GTP, S-GW sẽ có các GTP tunnel trên tất cả các giao diện UP Quá trình sắp xếp các luồng dịch vụ IP vào các GTP tunnel được thực hiện trong P-GW và S-GW không cần nối đến PCRF Tất

cả điều khiển đều liên quan đến các GTP tunnel và đến từ MME hoặc P-GW Khi giao diện S5/S6 sử dụng PMIP, S-GW sẽ thực hiện sắp xếp các luồng dịch vụ IP trong S5/S6 vào các GTP tunnel trong các giao diện S1-U và sẽ nối đến PCRF để nhận thông tin về sắp xếp

Hình 2.4 S-GW kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính

Cổng mạng số liệu gói (P-GW là viết tắt của PDN-GW) là một router biên giữa EPS và các mạng số liệu bên ngoài Nó là một nút cuối di động mức cao nhất trong hệ thống và thường hoạt động như một điểm nhập mạng IP đối với UE Nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu của dịch vụ Tương tự như S-GW, các P-GW có thể được khai thác ngay tại vị trí trung tâm của nhà khai thác

Điển hình là P-GW cấp phát địa chỉ IP cho các UE, và UE sử dụng nó để giao

tiếp với các máy chủ IP khác trong các mạng bên ngoài (Internet) Nó cũng có thể là

PDN bên ngoài mà UE đã được kết nối cấp phát các địa chỉ đó là để sử dụng bởi các

UE, các đường hầm P-GW cho tất cả các lưu lượng vào mạng đó Địa chỉ IP luôn được cấp phát khi UE yêu cầu một kế nối PDN, nó sẽ diễn ra ít nhất là khi UE được gắng vào mạng, và nó có thể xẩy ra sau khi có một kết nối PDN mới Các P-GW thực hiện chức năng giao thức cấu hình máy chủ động (DHCP) khi cần, hoặc truy vấn một máy chủ DHCP bên ngoài, và cung cấp địa chỉ cho UE Ngoài ra tự cấu hình động được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn chỉ IPv4, IPv6 hoặc cả hai, các địa chỉ có thể được phân bố tùy theo nhu cầu UE có thể báo hiệu rằng nó muốn nhận điạ chỉ ngay trong tín hiệu kết

nối hoặc nếu nó muốn thực hiện cấu hình địa chỉ sau khi lớp liên kết được kết nối P-GW bao gồm cả PCEF, có nghĩa là nó thực hiện các chức năng chọn lưu lượng và lọc theo yêu cầu bởi các chính sách được thiết lập cho UE và các dịch vụ mới đến, nó cũng thu nhập các báo cáo thông tin cho phí liên quan

P-GW là điểm cuối di động mức cao nhất trong hệ thống Khi một UE di chuyển

từ một S-GW tới một địa chỉ khác, các phần tử mạng phải được chuyển vào GW

P-GW sẽ nhận được chỉ dẫn để chuyển các luồng từ các S-GW mới

Hình 2.5 Các kết nối của P-GW với các nút logic khác và chức năng chính

2.2.3.4 Server thuê bao nhà HSS

Server thuê bao nhà (HSS) là một bộ lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu cố định của người sử dụng Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển mạng nơi mà người sử dụng đang làm khách, chẳng hạn MME Đây là một cơ sở dữ

liệu được bảo trì tại vị trí nhà khai thác mạng nhà HSS lưu bản sao chính của hồ sơ